Один з використовуваних підходів, що дозволяють істотно скоротити втрати на нагріванні силових компонентів радіосхем, являє собою використання перемикачих режимів роботи установок. При подібних системах електросиловий компонент або розкритий - в цей час на ньому спостерігається фактично нульове падіння напруги, або відкритий - в цей час на нього подається нульовий струм. Розсіювану потужність можна вирахувати, перемноживши показники сили струму і напруги. У цьому режимі виходить досягти коефіцієнта корисної дії близько 75-80% і більше.
Що таке ШИМ?
Для отримання на виході сигналу необхідної форми силовий ключ повинен відкриватися всього лише на певний час, пропорційний обчисленим показникам вихідного напруження. У цьому і полягає принцип широтно-імпульсної модуляції (ШИМ, PWM). Далі сигнал такої форми, що складається з імпульсів, що різняться за своєю шириною, 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 ШИМ-сигнали потрібної форми досить важко. Тим не менш індустрія сьогодні може порадувати чудовими спеціальними мікросхемами, відомими як ШИМ-контролери. Вони недорогі і цілком вирішують завдання формування широтно-імпульсного сигналу. Зорієнтуватися в пристрої подібних контролерів і їх використанні допоможе ознайомлення з їх типовою конструкцією.
Стандартна схема контролера ШИМ передбачає наявність наступних виходів:
- Загальний висновок (GND). Він реалізується у вигляді ніжки, яка підключається до загального проводу схеми живлення пристрою.
- Вивід харчування (VC). Відповідає за електроживлення схеми. Важливо не сплутати його з сусідом зі схожою назвою - висновком VCC.
- Вивід контролю харчування (VCC). Як правило, чіп контролера ШІМ приймає на себе керівництво силовими транзисторами (біполярними або польовими). У разі якщо напруга на виході знизиться, транзистори будуть 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 позначки. Якщо напруга на даному виводі опускається нижче встановленого спеціально для цього контролера, керуючий пристрій відключається. Зазвичай, цю ніжку з 'єднують безпосередньо з виводом VC.
Вихідна напруга (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, що керують двотактними (двоплечовими) каскадами (приклади: міст, напівміст, 2-тактний зворотний перетворювач). Існують і аналоги ШИМ-контролерів для управління однотактними (одноплечовими) каскадами (приклади: прямий/зворотний, підвищувальний/понижуючий, інвертуючий).
Крім цього, вихідний каскад може бути по будові одно- і двотактним. Двотактний використовується в основному для управління польовим транзистором, залежним від напруги. Для швидкого закриття необхідно домогтися швидкої розрядки ємностей "" затвор - істок "" 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, оскільки 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 ШИМ
Задумавши спроектувати контролер ШІМ своїми руками, необхідно як слід продумати всі деталі його реалізації. Тільки так можна створити працюючий пристрій. Крім вищевказаних виходів, робота ШИМ-контролера передбачає наявність наступних функцій:
- Опорна напруга (VREF). Фабричні вироби для зручності зазвичай доповнюються функцією вироблення стабільної опорної напруги. Фахівці заводів-виробників рекомендують з 'єднувати даний висновок із загальним проводом через ємність не менше 1 мкФ для підвищення якості та можливості стабілізації опорної напруги.
- Обмеження струму (ILIM). Якщо показники напруги на даному висновку істотно перевищують встановлене (як правило, близько 1 В), то контролер автоматично закриває силові ключі. У випадках, коли показник напруги перевищує друге порогове значення (в межах 1,5-2 В), пристрій тут же обнуляє напругу 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 щодо напруги на даному виведенні, припустимо, підключивши ділник напруги і систему діодів, можна і зовсім обмежити перевищення імпульсами якогось значення ширини.
Частота роботи пристроїв, синхронізація
Мікросхеми ШИМ-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 вказують частоту роботи всього пристрою (RT, CT). Кожен контролер може працювати лише на певно заданій частоті. Кожен з імпульсів випливає лише з цією частотою. Пристрій може змінювати тривалість імпульсів, їх форму і протяжність, але тільки не частоту. На практиці це означає, що чим менше протяжність імпульсу, тим триваліша пауза між ним і наступним. При цьому частота прямування 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.
- Синхроімпульси (CLOCK). Дуже поширені випадки, в яких потрібно налагодити роботу декількох контролерів так, щоб вихідні сигнали формувалися синхронно. Для цього до одного з контролерів (як правило, ведучого) потрібно підключити частотозадні ємність і резистор. На виході CLOCK контролера відразу ж з 'являться короткі імпульси, що відповідають напруженню, які подаються на аналогічні виходи всієї групи пристроїв. Їх прийнято називати відомими. Висновки RT таких контролерів слід об 'єднати з ніжками VREF, а CT - з загальним кабелем.
- Напруження порівняння (RAMP). На цей висновок слід подавати сигнал пілоподібної форми (напруга). При виникненні синхроімпульсу на виході пристрою утворюється контрольна напруга. Після того як показник напруги на RAMP стає більше в кілька разів, ніж величина вихідного напруження на підсилювачі помилки, на виході можна спостерігати імпульси, що відповідають напруженню, що закриває. Тривалість імпульсу може розраховувати від моменту виникнення синхроімпульсу аж до моменту багаторазового перевищення показника напруги на RAMP над величиною вихідної напруги підсилювача помилки.
ШИМ-контролери у 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 харчування, 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 харчування дозволяє істотно зменшити розміри використовуваних компонентів, що забезпечує популярність блоків харчування, що працюють на частотних перетворювачах. Один з найпростіших варіантів реалізації живильних 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 отримуваних показників стрімко змінюються під впливом стрибків напруги живлення, при завантаженні виходу перетворювача і навіть при збільшенні температури навколишнього середовища. ШИМ-контролери для блоків живлення дають можливість стабілізувати схему, а також втілити безліч додаткових функцій.
Складові схеми блоків живлення з ШИМ-контролерами
Типова схема складається з генератора імпульсів, в основі якого лежить ШИМ-контролер. Широтно-імпульсна модуляція дає можливість власноруч контролювати амплітуду сигналу на виході ФНЧ, змінюючи при необхідності тривалість імпульсу або його свердловність. Сильна сторона ШИМ - високий ККД підсилювачів потужності, особливо звуку, що в цілому забезпечує пристроям досить велику сферу застосування.
ШИМ-контролери для блоків живлення можуть використовуватися в схемах з різними потужностями. Для реалізації відносно малопотужних схем необов 'язково включати до їх складу велику кількість елементів - як ключ може виступати звичайний польовий транзистор.
ШИМ-контролери для джерел живлення великої потужності можуть мати також елементи управління вихідним ключем (драйвери). Як вихідні ключі рекомендується використовувати IGBT-транзистори.
Основні проблеми ШИМ-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 ШИМ-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 ШИМ-контролер, слід ознайомиться зі списком основних несправностей приладів, а лише пізніше - з варіантами їх усунення.
Діагностика несправностей
Одна з проблем, що часто зустрічаються, - пробій ключових транзисторів. Результати можна побачити не тільки при спробі запуску пристрою, але і при його обстеженні за допомогою мультиметра.
Крім того, існують й інші несправності, які дещо складніше виявити. Перед тим як перевірити ШИМ-контролер безпосередньо, можна розглянути найпоширеніші випадки поломок. Наприклад:
- Контролер глухне після старту - обрив петлі ОС, перепад за струмом, проблеми з конденсатором на виході фільтра (якщо такий є), драйвером; можливо, розладналося управління ШИМ-контролером. Треба оглянути пристрій на предмет сколів і деформацій, заміряти показники навантаження і порівняти їх з типовими.
- ШИМ-контролер не стартує - відсутня одна з вхідних напружень або пристрій несправний. Може допомогти огляд і завмер вихідного напруження, 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 на захист за відсутності КЗ на ключах - некоректна робота ШИМ або драйверів.
- Нестабільна робота плати, наявність дивних звуків - обрив петлі ООС або ланцюжка RC, деградація ємності фільтра.
Насамкінець
Універсальні та багатофункціональні ШИМ-контролери зараз можна зустріти практично скрізь. Вони служать не тільки в якості невід 'ємної складової блоків живлення більшості сучасних пристроїв - типових комп' ютерів та 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 ШИМ, досить перспективною. Вторинні джерела живлення - зовсім не єдиний напрямок діяльності.