PWM krmilnik: shema, princip delovanja, nadzor

Eden od pristopov, ki se uporablja za bistveno zmanjšanje toplotnih izgub v komponentah moči radijskega vezja, je uporaba preklopnih načinov delovanja naprav. Pri takih sistemih je električna komponenta bodisi odprta - v tem času je dejansko padec napetosti nič ali je odprt - v tem času se nanjo uporabi ničelni tok. Izgubljeno moč se lahko izračuna z množenjem vrednosti toka in napetosti. V tem načinu se izkaže, da dosežemo učinkovitost približno 75-80% ali več.

Kaj je PWM?

Za pridobitev izhodnega signala želene oblike mora biti stikalo za vklop odprto le za določen čas, ki je sorazmeren z izračunanimi kazalniki izhodne napetosti. To je načelo pulzne širinske modulacije (PWM). Nato signal te oblike, sestavljen iz impulzov različne širine, vstopi v območje filtra na podlagi dušilke in kondenzatorja. Po konverziji bo izhod skoraj popoln signal želene oblike.

Obseg PWM ni omejen na pulzno viri energije stabilizatorji in pretvorniki napetosti. Uporaba tega načela pri oblikovanju močnega ojačevalnika zvočne frekvence omogoča bistveno zmanjšanje porabe energije naprave, zmanjšanje pretoka in optimizacijo sistema za prenos toplote. Slabosti lahko pripišemo povprečni kakovosti signala na izhodu.

Oblikovanje PWM signalov

Ustvarjanje PWM signalov želene oblike je zelo težko. Kljub temu lahko industrija danes zadovolji čudovite posebne tokokroge, znane kot PWM krmilniki. So poceni in v celoti rešujejo problem oblikovanja signala širine impulzov. Usmerjenost v napravo takih regulatorjev in njihova uporaba bodo pomagali pri spoznavanju njihove tipične zasnove.

Standardno vezje krmilnika PWM predvideva naslednje izhode:

• Splošni sklep (GND). Izveden je v obliki noge, ki je priključen na skupno žico napajalnega kroga naprave.
• Izklop (VC). Odgovorni za napajalni krog. Pomembno je, da ga ne zamenjamo s sosedom, ki ima podobno ime - izhod VCC.
• Izhod za nadzor moči (VCC). Praviloma čip krmilnika PWM prevzame nadzor nad močjo tranzistorjev (bipolarno ali polje). Če se izhodna napetost zmanjša, bodo tranzistorji odprti le delno in ne v celoti. Hitro segrejejo, bodo kmalu neuspešni, ne bodo mogli obvladati obremenitve. Za odpravo takšne možnosti je potrebno spremljati kazalnike napajalne napetosti na vhodu mikrovezja in se izogibati preseganju projektne oznake. Če napetost na tem čepu pade pod krmilnik, nameščen posebej za ta regulator, se krmilna naprava izklopi. Praviloma je ta noga priključena neposredno na pin VC.

Napetost krmiljenja izhoda (OUT)

Število zaključkov čipa je določeno z njegovo zasnovo in načelom delovanja. Ni vedno mogoče takoj razumeti kompleksnih pojmov, vendar bomo poskušali poudariti bistvo. Na dveh izhodih obstajajo mikrovezja, ki nadzorujejo dvotaktne kaskade (primeri: most, pol most, 2-taktni inverzni pretvornik). Obstajajo tudi analogi PWM krmilnikov za krmiljenje enojnih (enojnih) kaskad (primeri: naprej / nazaj, povišanje / zmanjšanje, invert).

Poleg tega je izhodna stopnja lahko enostranska in dvotaktna. Push-pull se uporablja predvsem za krmiljenje tranzistorja s efektom polja, odvisno od napetosti. Za hitro zapiranje je potrebno doseči hitro izpraznitev zmogljivosti "izvor rolojev" in "odvoda". V ta namen se uporablja potisna izhodna stopnja krmilnika, katere naloga je zagotoviti, da je izhod kratkotrajen do skupnega kabla, če je treba zapreti tranzistor z efektom polja.

Za nadzor bipolarni tranzistor potisno-vlečna kaskada se ne uporablja, ker se krmiljenje izvaja s tokom, ne pa z napetostjo. Če želite zapreti bipolarni tranzistor, je dovolj, da ustavite tok, ki teče skozi bazo. V tem primeru je zapiranje podstavka za skupno žico neobvezno.

Več o funkcijah krmilnika PWM

Ko ste se odločili za načrtovanje PWM krmilnika z lastnimi rokami, je treba razmisliti o vseh podrobnostih njegovega izvajanja. To je edini način za ustvarjanje delovne naprave. Poleg zgornjih izhodov ima delovanje krmilnika PWM naslednje funkcije:

• Referenčna napetost (VREF). Proizvedene izdelke za udobje običajno dopolnjuje funkcija stabilne referenčne napetosti. Strokovnjaki proizvajalcev priporočajo, da se ta pin s skupno žico poveže z zmogljivostjo najmanj 1 mikrofarad za izboljšanje kakovosti in možnosti stabilizacije referenčne napetosti.

• Trenutna omejitev (ILIM). Če napetost na tem priključku bistveno presega nastavljeno napetost (običajno okoli 1 V), regulator samodejno zapre električna stikala. V primerih, ko indikator napetosti preseže drugo mejno vrednost (v območju 1,5-2 V), naprava takoj vrne napetost na priključku na mehki zagon.
• Mehki zagon (SS). Vrednost napetosti na tem izhodu določa največjo dovoljeno širino prihodnjih moduliranih impulzov. Na ta pin dobi trenutno nastavljeno vrednost. Če je med njim in univerzalnim kablom nameščena dodatna zmogljivost, se bo počasi, a zanesljivo napolnila, kar bo povzročilo postopno širjenje vsakega impulza od minimalne do končne izračunane vrednosti. Zaradi tega je mogoče zagotoviti splošno, ne pa hitro povečanje vrednosti toka in napetosti v splošni shemi naprave, zaradi česar si tak sistem zasluži svoje ime "mehki zagon". Istočasno, če na ta pin posebej določimo napetostno omejitev, npr. S priključitvijo napetostnega delilca in sistema diod, je mogoče popolnoma omejiti impulze, da presežejo določeno določeno širino.

Frekvenca naprave, sinhronizacija

Čipi krmilnikov PWM se lahko uporabljajo za različne namene. Da bi odpravili napake pri sodelovanju z drugimi elementi naprave, je treba ugotoviti, kako določiti določene parametre krmilnika in katere komponente vezja so zanj odgovorne.

• Upor in kapacitivnost, ki določa frekvenco delovanja celotne naprave (RT, CT). Vsak krmilnik lahko deluje samo na določeni frekvenci. Vsak impulz sledi le s to frekvenco. Naprava lahko spremeni trajanje impulzov, njihovo obliko in dolžino, ne pa tudi frekvence. V praksi to pomeni, da je manjša dolžina impulza, daljša je premor med njim in naslednjim. V tem primeru je stopnja ponavljanja vedno ista. Kapaciteta, ki je priključena med CT nogo in skupnim kablom, in upor, priključen na RT izhod in skupni kabel, lahko v kombinaciji nastavita frekvenco, na kateri bo krmilnik deloval.

• Ura utripa (CLOCK). Zelo pogosti primeri, v katerih želite razhroščiti delo več kontrolerjev, tako da se izhodni signali oblikujejo sinhrono. V ta namen je potrebno priključiti enega od regulatorjev (praviloma poveljnik), da poveže frekvenčno nastavljivo kapacitivnost in upor. Na izhodu CLOCK krmilnika se takoj pojavijo kratki impulzi, ki ustrezajo napetosti, ki se napajajo na analogne izhode celotne skupine naprav. Imenujejo se sužnji. Izhode RT takih regulatorjev je treba kombinirati z nogami VREF, CT pa s skupnim kablom.
• Primerjalna napetost (RAMP). Ta izhod naj dobi signal (napetost). Ko se pojavi sinhronizacijski impulz, se na izhodu naprave generira izhodna preskusna napetost. Ko se napetostni indikator na RAMP-u večkrat poveča od velikosti izhodne napetosti na ojačevalniku napake, lahko na izhodu opazimo impulze, ki ustrezajo zapiralni napetosti. Trajanje impulza se lahko prešteje od trenutka nastanka sinhronizacijskega impulza do trenutka večkratnega presežka napetostnega indikatorja na RAMP-u nad vrednostjo izhodne napetosti ojačevalnika napake.

PWM krmilniki v napajalnikih

Napajanje je sestavni del najsodobnejših naprav. Trajanje delovanja je praktično neomejeno, vendar je varnost delovanja naprave pod nadzorom odvisna od njene uporabnosti. Napajanje lahko načrtujete sami, saj ste preučili načelo njegovega delovanja. Glavni cilj - oblikovanje želene vrednosti napajalne napetosti, ki zagotavlja njeno stabilnost. Za najmočnejše galvanske izolacijske naprave, ki temeljijo na delovanju transformatorja, ne bo dovolj, izbrani element pa bo uporabnike jasno presenetil z njegovimi dimenzijami.

Povečanje frekvence napajalnega toka lahko bistveno zmanjša velikost uporabljenih komponent, kar zagotavlja priljubljenost napajalnih enot, ki delujejo na frekvenčnih pretvornikov. Ena od najpreprostejših možnosti za izvedbo napajalnih elementov je blok diagram, ki ga sestavljajo direktni in povratni pretvorniki, generator in transformator. Kljub navidezni enostavnosti izvajanja takšnih shem v praksi kažejo več pomanjkljivosti kot prednosti. Večina pridobljenih kazalnikov se hitro spreminja pod vplivom prenapetostnih napetosti, ko je izhod konverterja obremenjen in celo s povišano temperaturo okolice. PWM krmilniki za napajanje zagotavljajo možnost stabilizacije tokokroga, kot tudi izvajanje številnih dodatnih funkcij.

Komponente napajalnih vezij s PWM krmilniki

Tipično vezje je sestavljeno iz impulznega generatorja, ki temelji na PWM krmilniku. Širinska impulzna modulacija omogoča osebno kontrolo amplitude signala pri izhodu nizkofrekvenčnega filtra, po potrebi pa spreminja širino impulza ali njegov delovni cikel. Moč PWM je visoka učinkovitost močnostnih ojačevalnikov, zlasti zvoka, ki na splošno zagotavlja naprave s precej široko paleto aplikacij.

PWM krmilniki za napajanje se lahko uporabljajo v tokokrogih z različnimi zmogljivostmi. Za izvedbo razmeroma nizkih močnostnih tokokrogov ni potrebno vključiti velikega števila elementov v njihovo sestavo - običajni ključ je lahko ključ tranzistor s efektom polja.

PWM krmilniki za visoke napajalne vire lahko imajo tudi krmilne tipke za izhod (gonilnike). IGBT tranzistorji so priporočeni kot izhodni ključi.

Glavni problemi pretvornikov PWM

Ko je katera koli naprava v uporabi, je nemogoče popolnoma odpraviti verjetnost preloma, kar velja tudi za pretvornike. Kompleksnost dizajna ni pomembna, celo dobro znani TL494 PWM krmilnik lahko povzroči težave pri delovanju. Napake imajo drugačno naravo - nekatere je mogoče identificirati z očmi, za zaznavanje drugih pa je potrebna posebna merilna oprema.

Če želite izvedeti, kako preveriti PWM krmilnik, se morate seznaniti s seznamom glavnih napak instrumentov in šele kasneje z možnostmi za njihovo odpravo.

Diagnoza napak

Eden od najpogostejših težav je razčlenitev ključnih tranzistorjev. Rezultate lahko vidimo ne samo pri poskusu zagona naprave, ampak tudi pri pregledovanju z multimetrom.

Poleg tega obstajajo še druge napake, ki jih je težje odkriti. Preden neposredno preverite PWM krmilnik, lahko pretehtate najpogostejše primere okvar. Na primer:

• Krmilnik se ustavi po zagonu - zanka OS je prekinjena, trenutna razlika, težave s kondenzatorjem na izhodu filtra (če obstaja), voznik; morda je nadzor krmilnika PWM šel narobe. Potrebno je pregledati napravo za čipe in deformacije, izmeriti indikatorje bremena in jih primerjati s tipičnimi.
• PWM krmilnik se ne zažene - manjka ena od vhodnih napetosti ali pa je naprava pokvarjena. Pregled in merjenje izhodne napetosti lahko v skrajnem primeru pripomore k zamenjavi z namerno delujočim analogom.
• Izhodna napetost se razlikuje od nominalne - težave z zanko OOS ali s krmilnikom.
• Po zagonu PWM na napajanje gre za zaščito v odsotnosti kratkih stikov na ključe - nepravilno delovanje PWM ali voznikov.
• Nestabilno delovanje plošče, prisotnost čudnih zvokov - prekinitev zanke OOS ali verige RC, poslabšanje zmogljivosti filtra.

Za zaključek

Univerzalne in večfunkcijske PWM krmilnike lahko sedaj najdete skoraj povsod. Ne služijo le kot sestavni del napajalnih enot najsodobnejših naprav - tipičnih računalnikov in drugih vsakdanjih naprav. Na podlagi kontrolorjev se razvijajo nove tehnologije, ki omogočajo bistveno zmanjšanje porabe virov v mnogih vejah človekove dejavnosti. Lastniki zasebnih hiš bodo imeli koristi od regulatorjev polnjenja fotonapetostnih baterij, ki temeljijo na načelu širokopasovne modulacije polnilnega toka.

Visoka učinkovitost omogoča razvoj novih naprav, katerih delovanje temelji na načelu PWM, kar je zelo obetavno. Sekundarni viri energije niso edina dejavnost.