Один з використовуваних підходів, що дозволяють істотно скоротити втрати на нагріванні силових компонентів радіосхем, являє собою використання перемикачів режимів роботи установок. При подібних системах електросилової компонент або розкритий - в цей час на ньому спостерігається практично нульове падіння напруги, або відкритий - в цей час на нього подається нульовий струм. Рассеиваемую потужність можна обчислити, перемноживши показники сили струму і напруги. В цьому режимі виходить досягти коефіцієнта корисної дії близько 75-80% і більше.
Що таке ШІМ?
Для отримання на виході сигналу необхідної форми силовий ключ повинен відкриватися лише на певний час, пропорційне обчисленим показниками вихідної напруги. В цьому і полягає принцип широтно-імпульсної модуляції (ШІМ, PWM). Далі сигнал такої форми, що складається з імпульсів, що різняться по своїй ширині, надходить в область фільтра на основі дроселя і конденсатора. Після перетворення на виході буде практично ідеальний сигнал необхідної форми.
Область застосування ШІМ не обмежується імпульсними джерелами живлення, стабілізаторами і перетворювачами напруги. Використання даного принципу при проектуванні потужного підсилювача звукової частоти дає можливість істотно знизити споживання пристроєм електроенергії, призводить до мініатюризації схеми і оптимізує систему тепловіддачі. До недоліків можна зарахувати посередню якість сигналу на виході.
Формування ШИМ-сигналів
Створювати ШІМ-сигнали потрібної форми досить важко. Проте індустрія сьогодні може порадувати чудовими спеціальними мікросхемами, відомими як ШІМ-контролери. Вони недорогі і цілком вирішують задачу формування широтно-імпульсного сигналу. Зорієнтуватися в пристрої подібних контролерів і їх використанні допоможе ознайомлення з їх типовою конструкцією.
Стандартна схема контролера ШІМ передбачає наявність наступних виходів:
- Загальний висновок (GND). Він реалізується у вигляді ніжки, яка підключається до загального проводу схеми живлення пристрою.
- Висновок харчування (VC). Відповідає за електроживлення схеми. Важливо не сплутати його з сусідом зі схожою назвою - висновком VCC.
- Висновок контролю харчування (VCC). Як правило, чіп контролера ШІМ приймає на себе керівництво силовими транзисторами (біполярні або польовими). У разі якщо напруга на виході знизиться, транзистори стануть відкриватися лише частково, а не цілком. Стрімко нагріваючись, вони незабаром вийдуть з ладу, не впоравшись з навантаженням. Для того щоб виключити таку можливість, необхідно стежити за показниками напруги харчування на вході мікросхеми і не допускати перевищення розрахункової відмітки. Якщо напруга на даному виведенні опускається нижче встановленого спеціально для цього контролера, керуючий пристрій відключається. Як правило, цю ніжку з`єднують безпосередньо з висновком VC.
Вихідна напруга, що управляє (OUT)
Кількість висновків мікросхеми визначається її конструкцією і принципом роботи. Не завжди вдається відразу розібратися в складних термінах, але спробуємо виділити суть. Існують мікросхеми на 2-х висновках, керуючі двотактними (двухплечевую) каскадами (приклади: міст, напівміст, 2-тактний зворотній перетворювач). Існують і аналоги ШІМ-контролерів для управління однотактним (одноплечевой) каскадами (приклади: прямий / зворотний, що підвищує / понижуючий, інвертується).
Крім цього, вихідний каскад може бути за будовою одно- і двотактним. Двотактний використовується в основному для управління польовим транзистором, що залежать від напруги. Для швидкого закриття необхідно домогтися швидкої розрядки ємностей "затвор - витік" і "затвор - стік". Для цього якраз і використовується двотактний вихідний каскад контролера, завданням якого є забезпечення замикання виходу на загальний кабель, якщо потрібно закрити польовий транзистор.
Для контролю над біполярним транзистором двотактний каскад не використовується, так як управління здійснюється за допомогою струму, а не напруги. Для закриття біполярного транзистора достатньо всього лише припинити протікання струму через базу. При цьому замикання бази на загальний провід необов`язково.
Ще про функції контролерів ШІМ
Задумавши спроектувати контролер ШІМ своїми руками, необхідно як слід продумати всі деталі його реалізації. Тільки так можна створити працюючий пристрій. Крім вищевказаних виходів, робота ШІМ-контролера на увазі наявність наступних функцій:
- Опорна напруга (VREF). Фабричні вироби для зручності зазвичай доповнюються функцією вироблення стабільного опорного напруги. Фахівці заводів-виготовлювачів рекомендують поєднувати даний висновок із загальним проводом через ємність не менше 1 мкФ для підвищення якості та можливості стабілізації опорного напруги.
- Обмеження струму (ILIM). Якщо показники напруги на даному виводі істотно перевищують встановлений (як правило, близько 1 В), то контролер автоматично закриває силові ключі. У випадках, коли показник напруги перевищує другу порогове значення (в межах 1,5-2 В), пристрій тут же обнуляє напруга на підключенні до м`якого старту.
- М`який старт (SS). Показник напруги на даному виході визначає максимально допустиму ширину майбутніх модульованих імпульсів. На даний висновок подає струм встановленої величини. Якщо між ним і загальним кабелем вмонтувати додаткову ємність, то вона буде повільно, але впевнено заряджатися, що призведе до поступового розширення кожного імпульсу від мінімуму аж до остаточного розрахункового значення. Завдяки цьому можна забезпечити плавне, а не стрімке наростання величин струму і напруги в загальній схемі пристрою, завдяки чому така система і заслужила свою назву "м`який старт". При цьому, якщо спеціально ввести обмеження по напрузі на даному виводі, припустимо, підключивши дільник напруги і систему діодів, можна і зовсім обмежити перевищення імпульсами якогось задається значення ширини.
Частота роботи пристроїв, синхронізація
Мікросхеми ШІМ-контролерів можуть застосовуватися для різних цілей. Щоб налагодити їх спільну роботу з іншими елементами пристрою, слід розібратися, як встановлювати ті чи інші параметри роботи контролера і які компоненти ланцюга за це відповідають.
- Резистор і ємність, що задають частоту роботи всього пристрою (RT, CT). Кожен контролер може працювати лише на виразно заданій частоті. Кожен з імпульсів слід лише з цією частотою. Пристрій може змінювати тривалість імпульсів, їх форму і протяжність, але тільки не частоту. На практиці це означає, що чим менше довжина імпульсу, тим довший пауза між ним і наступним. При цьому частота проходження завжди незмінна. Ємність, підключена між ніжкою CT і загальним кабелем, і резистор, підключений до виходу RT і загального кабелю, в комбінації можуть задавати частоту, на якій буде працювати контролер.
- Синхроімпульсів (CLOCK). Досить поширені випадки, в яких потрібно налагодити роботу кількох контролерів так, щоб вихідний сигнал був формувалися синхронно. Для цього до одному з контролерів (як правило, веде) потрібно підключити частотозадающіх ємність і резистор. На виході CLOCK контролера відразу ж з`являться короткі імпульси, відповідні напрузі, які подаються на аналогічні виходи всієї групи пристроїв. Їх прийнято називати веденими. Висновки RT таких контролерів слід об`єднати з ніжками VREF, а CT - із загальним кабелем.
- Напруга порівняння (RAMP). На цей висновок слід подавати сигнал пилкоподібної форми (напруга). При виникненні синхроимпульса на виході пристрою утворюється відкриває контрольне напруга. Після того як показник напруги на RAMP стає більше в кілька разів, ніж величина вихідної напруги на підсилювачі помилки, на виході можна спостерігати імпульси, що відповідають закриває напрузі. Тривалість імпульсу може розраховувати від моменту виникнення синхроимпульса аж до моменту багаторазового перевищення показника напруги на RAMP над величиною вихідної напруги підсилювача помилки.
ШІМ-контролери в складі блоків живлення
Блок живлення є невід`ємним елементом більшості сучасних девайсів. Термін його експлуатації практично нічим не обмежений, але від його справності багато в чому залежить безпека роботи підконтрольного пристрою. Спроектувати блок живлення можна і своїми руками, вивчивши принцип його дії. Основна мета - формування потрібної величини напруги живлення, забезпечення її стабільності. Для більшості потужних пристроїв гальванічної розв`язки, заснованої на дії трансформатора, буде недостатньо, та й підібраний елемент явно здивує користувачів своїми габаритами.
Збільшення частоти струму живлення дозволяє істотно зменшити розміри використовуваних компонентів, що забезпечує популярність блоків живлення, що працюють на частотних перетворювачів. Один з найпростіших варіантів реалізації живлять елементів - блок-схема, що складається з прямого і зворотного перетворювачів, генератора і трансформатора. Незважаючи на видиму простоту реалізації таких схем, на практиці вони демонструють більше недоліків, ніж переваг. Більшість одержуваних показників стрімко змінюються під впливом стрибків напруги живлення, при завантаженні виходу перетворювача і навіть при збільшенні температури навколишнього середовища. ШІМ-контролери для блоків живлення дають можливість стабілізувати схему, а також втілити безліч додаткових функцій.
Складові схеми блоків живлення з ШІМ-контролерами
Типова схема складається з генератора імпульсів, в основі якого лежить ШІМ-контролер. Широтно-імпульсна модуляція дає можливість власноруч контролювати амплітуду сигналу на виході ФНЧ, змінюючи при необхідності тривалість імпульсу або його шпаруватість. Сильна сторона ШІМ - високий ККД підсилювачів потужності, особливо звуку, що в цілому забезпечує пристроям досить велику сферу застосування.
ШІМ-контролери для блоків живлення можуть використовуватися в схемах з різними потужностями. Для реалізації відносно малопотужних схем необов`язково включати до їх складу велике число елементів - як ключ може виступати звичайний польовий транзистор.
ШІМ-контролери для джерел живлення великої потужності можуть мати також елементи управління вихідним ключем (драйвери). Як вихідних ключів рекомендується використовувати IGBT-транзистори.
Основні проблеми ШІМ-перетворювачів
При роботі будь-якого пристрою повністю виключити ймовірність поломки неможливо, і перетворювачів це теж стосується. Складність конструкції при цьому не має значення, проблеми в експлуатації може викликати навіть відомий ШІМ-контролер TL494. Несправності мають різну природу - деякі з них можна виявити на око, а для виявлення інших потрібне спеціальне вимірювальне обладнання.
Щоб дізнатися, як перевірити ШІМ-контролер, варто ознайомлюватися зі списком основних несправностей приладів, а лише пізніше - з варіантами їх усунення.
діагностика несправностей
Одна з найпоширеніших проблем - пробою ключових транзисторів. Результати можна побачити не тільки при спробі запуску пристрою, але і при його обстеженні за допомогою мультиметра.
Крім того, існують і інші несправності, які дещо складніше виявити. Перед тим як перевірити ШІМ-контролер безпосередньо, можна розглянути найпоширеніші випадки поломок. Наприклад:
- Контролер глухне після старту - обрив петлі ОС, перепад по току, проблеми з конденсатором на виході фільтра (якщо такий є), драйвером- можливо, розладналося управління ШІМ-контролером. Треба оглянути пристрій на предмет відколів і деформацій, заміряти показники навантаження і порівняти їх з типовими.
- ШІМ-контролер НЕ стартує - відсутня одна з вхідних напруг або пристрій несправний. Може допомогти огляд і завмер вихідної напруги, в крайньому випадку, заміна на свідомо робочий аналог.
- Напруга на виході відрізняється від номінального - проблеми з петлею ООС або з контролером.
- Після старту ШІМ на БП йде в захист при відсутності КЗ на ключах - некоректна робота ШІМ або драйверів.
- Нестабільна робота плати, наявність дивних звуків - обрив петлі ООС або ланцюжка RC, деградація ємності фільтра.
На закінчення
Універсальні і багатофункціональні ШІМ-контролери зараз можна зустріти практично скрізь. Вони служать не тільки в якості невід`ємної складової блоків живлення більшості сучасних пристроїв - типових комп`ютерів і інших повсякденних девайсів. На основі контролерів розробляються нові технології, що дозволяють істотно скоротити витрату ресурсів у багатьох галузях людської діяльності. Власникам приватних будинків знадобляться контролери заряду акумуляторів від фотоелектричних батарей, засновані на принципі широтно-імпульсної модуляції струму заряду.
Високий коефіцієнт корисної дії робить розробку нових пристроїв, дія яких ґрунтується на принципі ШІМ, досить перспективною. Вторинні джерела живлення - зовсім не єдиний напрямок діяльності.
