Использование ис семейства tl494 в преобразователях питания

Использование ИС семейства TL494 в преобразователях питания

TL 494 и ее последующие версии – наиболее часто применяемая микросхема для построения двухтаткных преобразователей питания.

  • TL494 (оригинальная разработка Texas Instruments) – ИС ШИМ преобразователя напряжения с однотактными выходами (TL 494 IN – корпус DIP16, -25..85С, TL 494 CN – DIP16, 0..70C).
  • К1006ЕУ4 – отечественный аналог TL494
  • TL594 – аналог TL494 c улучшенной точностью усилителей ошибки и компаратора
  • TL598 – аналог TL594 c двухтактным (pnp-npn) повторителем на выходе

Настоящий материал – обобщение на тему оригинального техдока Texas Instruments (ищите документ slva001a.pdf на www.ti.com – далее ссылка “TI”), публикаций International Rectifier (“Силовые полупроводниковые приборы International Rectifier”, Воронеж, 1999) и Motorola, опыта друзей-самодельщиков и самого автора. Следует сразу отметить, что точностные параметры, коэффициент усиления, токи смещения и прочие аналоговые показатели улучшались от ранних серий к более поздним, в тексте – как правило – используются наихудшие, ранних серий параметры. Вкратце, у почтеннейшей микросхемы есть и недостатки, и достоинства.

  • Плюс: Развитые цепи управления, два дифференциальный усилителя (могут выполнять и логические функции)
  • Минус: Однофазные выходы требуют дополнительной обвески (по сравнению с UC3825)
  • Минус: Недоступно токовое управление, относительно медленная петля обратной связи (не критично в автомобильных ПН)
  • Минус: Cинхронное включение двух и более ИС не так удобно, как в UC3825

1. Особенности ИС

Цепи ИОНа и защиты от недонапряжения питания. Схема включается при достижении питанием порога 5.5..7.0 В (типовое значение 6.4В). До этого момента внутренние шины контроля запрещают работу генератора и логической части схемы. Ток холостого хода при напряжении питания +15В (выходные транзисторы отключены) не более 10 мА. ИОН +5В (+4.75..+5.25 В, стабилизация по выходу не хуже +/- 25мВ) обеспечивает вытекающий ток до 10 мА. Умощнять ИОН можно только используя npn-эмиттерный повторитель (см TI стр. 19-20), но на выходе такого “стабилизатора” напряжение будет сильно зависеть от тока нагрузки.

Генератор вырабатывает на времязадающем конденсаторе Сt (вывод 5) пилообразное напряжение 0..+3.0В (амплитуда задана ИОНом) для TL494 Texas Instruments и 0. +2.8В для TL494 Motorola (чего же ждать от других?), соответственно для TI F=1.0/(RtCt), для Моторолы F=1.1/(RtCt).

Допустимы рабочие частоты от 1 до 300 кГц, при этом рекомендованный диапазон Rt = 1. 500кОм, Ct=470пФ. 10мкФ. При этом типовой температурный дрейф частоты составляет (естественно без учета дрейфа навесных компонентов) +/-3%, а уход частоты в зависимости от напряжения питания – в пределах 0.1% во всем допустимом диапазоне.

Для дистанционного выключения генератора можно внешним ключом замкнуть вход Rt (6) на выход ИОНа, или – замкнуть Ct на землю. Разумеется, сопротивление утечки разомкнутого ключа должно учитываться при выборе Rt, Ct.

Вход контроля фазы покоя (скважности) через компаратор фазы покоя задает необходимую минимальную паузу между импульсами в плечах схемы. Это необходимо как для недопущения сквозного тока в силовых каскадах за пределами ИС, так и для стабильной работы триггера – время переключения цифровой части TL494 составляет 200 нс. Выходной сигнал разрешен тогда, когда пила на Cт превышает напряжение на управляющем входе 4 (DT). На тактовых частотах до 150 кГц при нулевом управляющем напряжении фаза покоя = 3% периода (эквивалентное смещение управляющего сигнала 100..120 мВ), на больших частотах встроенная коррекция расширяет фазу покоя до 200..300 нс.

Используя цепь входа DT, можно задавать фиксированную фазу покоя (R-R делитель), режим мягкого старта (R-C), дистанционное выключение (ключ), а также использовать DT как линейный управляющий вход. Входная цепь собрана на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС а не втекает в нее. Ток достаточно большой, поэтому следует избегать высокоомных резисторов (не более 100 кОм). На TI, стр. 23 приведен пример защиты от перенапряжения с использованием 3-выводного стабилитрона TL430 (431).

Усилители ошибки – фактически, операционные усилители с Ку=70..95дБ по постоянному напряжению (60 дБ для ранних серий), Ку=1 на 350 кГц. Входные цепи собраны на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС а не втекает в нее. Ток достаточно большой для ОУ, напряжение смещения тоже (до 10мВ) поэтому следует избегать высокоомных резисторов в управляющих цепях (не более 100 кОм). Зато благодаря использованию pnp-входов диапазон входных напряжений – от -0.3В до Vпитания-2В.

Выходы двух усилителей объединены диодным ИЛИ. Тот усилитель, на выходе которого большее напряжение, перехватывает управление логикой. При этом выходной сигнал доступен не порознь, а только с выхода диодного ИЛИ (он же вход компаратора ошибки). Таким образом, только один усилитель может быть замкнут петлей ОС в линейном режиме. Этот усилитель и замыкает главную, линейную ОС по выходному напряжению. Второй усилитель при этом может использоваться как компаратор – например, превышения выходного тока, или как ключ на логический сигнал аварии (перегрев, КЗ и т.п.), дистанционного выключения и пр. Один из входов компаратора привязывается к ИОНу, на втором организуется логическое ИЛИ аварийных сигналов (еще лучше – логическое И сигналов нормальных состояний).

При использовании RC частотнозависимой ОС следует помнить, что выход усилителей – фактически однотактный (последовательный диод!), так что заряжать емкость (вверх) он зарядит, а вниз – разряжать будет долго. Напряжение на этом выходе находится в пределах 0..+3.5В (чуть больше размаха генератора), далее коэффициент напряжения резко падает и примерно при 4.5В на выходе усилители насыщаются. Аналогично, следует избегать низкоомных резисторов в цепи выхода усилителей (петли ОС).

Усилители не предназначены для работы в пределах одного такта рабочей частоты. При задержке распространения сигнала внутри усилителя в 400 нс они для этого слишком медленные, да и логика управления триггером не позволяет (возникали бы побочные импульсы на выходе). В реальных схемах ПН частота среза цепи ОС выбирается порядка 200-10000 Гц.

Триггер и логика управления выходами – При напряжении питания не менее 7В, если напряжение пилы на генераторе больше чем на управляющем входе DT, и если напряжение пилы больше чем на любом из усилителей ошибки (с учетом встроенных порогов и смещений) – разрешается выход схемы. При сбросе генератора из максимума в ноль – выходы отключаются. Триггер с парафазным выходом делит частоту надвое. При логическом 0 на входе 13 (режим выхода) фазы триггера объединяются по ИЛИ и подаются одновременно на оба выхода, при логической 1 – подаются парафазно на каждый выход порознь.

Выходные транзисторы – npn Дарлингтоны со встроенной тепловой защитой (но без защиты по току). Таким образом, минимальное падение напряжение между коллектором (как правило замкнутым на плюсовую шину) и эмитттером (на нагрузке) – 1.5В (типовое при 200 мА), а в схеме с общим эмиттером – чуть лучше, 1.1 В типовое. Предельный выходной ток (при одном открытом транзисторе) ограничен 500 мА, предельная мощность на весь кристалл – 1Вт.

2. Особенности применения

Работа на затвор МДП транзистора. Выходные повторители

При работе на емкостную нагрузку, какой условно является затвор МДП транзистора, выходные транзисторы TL494 включаются эмиттерным повторителем. При ограничении среднего тока в 200 мА схема способна достаточно быстро зарядить затвор, но разрядить его выключенным транзистором невозможно. Разряжать затвор с помощью заземленного резистора – также неудовлетворительно медленно. Ведь напряжение на условной емкости затвора спадает по экспоненте, а для закрытия транзистора затвор надо разрядить от 10В до не более 3В. Ток разряда через резистор будет всегда меньше тока заряда через транзистор (да и греться резистор будет неслабо, и красть ток ключа при ходе вверх).

Вариант А. Цепь разряда через внешний pnp транзистор (заимствовано на сайте Шихмана – см. “Блок питания усилителя Jensen”). При зарядке затвора ток, протекающий через диод, запирает внешний pnp-транзистор, при выключении выхода ИС – заперт диод, транзистор открывается и разряжает затвор на землю. Минус – работает только на небольшие емкости нагрузки (ограниченные токовым запасом выходного транзистора ИС).

При использовании TL598 (c двухтактным выходом) функция нижнего, разрядного, плеча уже зашита на кристалле. Вариант А в этом случае нецелесообразен.

Вариант Б. Независимый комплементарный повторитель. Так как основная токовая нагрузка отрабатывается внешним транзистором, емкость (ток заряда) нагрузки практически не ограничена. Транзисторы и диоды – любые ВЧ с небольшим напряжением насыщения и Cк, и достаточным запасом по току (1А в импульсе и более). Например, КТ644+646, КТ972+973. “Земля” повторителя должна распаиваться непосредственно рядом с истоком силового ключа. Коллекторы транзисторов повторителя обязательно зашунтировать керамической емкостью (на схеме не показана).

Какую схемы выбрать – зависит прежде всего от характера нагрузки (емкость затвора или заряд переключения), рабочей частоты, временных требований к фронтам импульса. А они (фронты) должны быть как можно быстрее, ведь именно на переходных процессах на МДП ключе рассеивается большая часть тепловых потерь. Рекомендую обратится к публикациям в сборнике International Rectifier для полного анализа задачи, сам же ограничусь примером.

Мощный транзистор – IRFI1010N – имеет справочный полный заряд на затворе Qg=130нКл. Это немало, ведь транзистор имеет исключительно большую площадь канала, чтобы обеспечить предельно низкое сопротивление канала (12 мОм). Именно такие ключи и требуются в 12В преобразователях, где каждый миллиом на счету. Чтоб гарантированно открыть канал, на затворе надо обеспечить Vg=+6В относительно земли, при этом полный заряд затвора Qg(Vg)=60нКл. Чтоб гарантированно разрядить затвор, заряженный до 10В, надо рассосать Qg(Vg)=90нКл.

При тактовой частоте 100 кГц и суммарной скважности 80% каждое плечо работает в режиме 4 мкс открыто – 6 мкс закрыто. Предположим, что длительность каждого фронта импульса должна быть не более 3% открытого состояния, т.е. tф=120 нс. Иначе резко возрастают тепловые потери на ключе. Таким образом, минимально приемлемый средний ток заряда Ig+=60 нКл/120 нс = 0.5А, ток разряда Ig-= 90нКл/120нс=0.75А. И это без учета нелинейного поведения емкостей затвора!

Сопоставляя требуемые токи с предельными для TL494, видно, что ее встроенный транзистор будет работать на предельном токе, и скорее всего не справится со своевременным зарядом затвора, так что выбор делается в пользу комплементарного повторителя. При меньшей рабочей частоте или при меньшей емкости затвора ключа возможен и вариант с разрядником.

2. Реализация защиты по току, мягкого старта, ограничения скважности

Как правило, в роли датчика тока так и просится последовательный резистор в цепи нагрузки. Но он будет красть драгоценные вольты и ватты на выходе преобразователя, да и контролировать только цепи нагрузки, а КЗ в первичных цепях обнаружить не сможет. Решение – индуктивный датчик тока в первичной цепи.

Собственно датчик (трансформатор тока) – миниатюрная тороидальная катушка (внутренний ее диаметр должен, помимо обмотки датчика, свободно пропустить провод первичной обмотки главного силового трансформатора). Сквозь тор пропускаем провод первичной обмотки трансформатора (но не “земляной” провод истока!). Постоянную времени нарастания детектора задаем порядка 3-10 периодов тактовой частоты, спада – в 10 раз более, исходя из тока срабатывания оптрона (порядка 2-10 мА при падении напряжения 1.2-1.6В).

Читайте также:  Микроконтроллеры avr для начинающих - 1

В правой части схемы – два типовых решения для TL494. Делитель Rdt1-Rdt2 задает максимальную скважность (минимальную фазу покоя). Например, при Rdt1=4.7кОм, Rdt2=47кОм на выходе 4 постоянное напряжение Udt=450мВ, что соответствует фазе покоя 18..22% (в зависимости от серии ИС и рабочей частоты).

При включении питания Css разряжен и потенциал на входе DT равен Vref (+5В). Сss заряжается через Rss (она же Rdt2), плавно опуская потенциал DT до нижнего предела, ограниченного делителем. Это “мягкий старт”. При Css=47мкФ и указанных резисторах выходы схемы открываются через 0.1 с после включения, и выходят на рабочую скважность еще в течении 0.3-0.5 с.

В схеме, помимо Rdt1, Rdt2, Css присутствуют две утечки – ток утечки оптрона (не выше 10 мкА при высоких температурах, порядка 0.1-1 мкА при комнатной температуре) и вытекающий из входа DT ток базы входного транзистора ИС. Чтобы эти токи не влияли существенно на точность делителя, Rdt2=Rss выбираем не выше 5 кОм, Rdt1 – не выше 100 кОм.

Разумеется, выбор именно оптрона и цепи DT для управления непринципиален. Возможно и использование усилителя ошибки в режиме компаратора, и блокировка емкости или резистора генератора (например, тем же оптроном) – но это именно выключение, а не плавное ограничение.

Levsha1988 › Блог › Контроллер вентилятора охлаждения двигателя на TL494

Решил объединить всю писанину в одно.
В общем поехали.

Мои запросы:
Девайс на базе полюбившейся всем TL494, а значит коммутация ШИМ (Широтно-импульсная модуляция). (Что за зверь такой?)

Конечно плавный разгон вентилятора от заданной температуры ДВС в заданном диапазоне.

Включение вентилятора не с нуля, а скажем от 30-40% мощности, т.к. на сверхнизких оборотах нам особо не за чем крутиться. Неэффективно.

Гибкая регулировка параметров для универсальности контроллера.
Собственный датчик температуры в радиаторе, в корпусе ТМ108, но уже не ТМ108 (вкручен в радиатор).

Итак.
Вот схема. Сначала собирал на макетке, изучал, что-то менял, добавлял.

Далее будет описание работы. (многабукф). А ниже будет видео.

В качестве датчика я использовал терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом. Это значит что с повышением температуры — сопротивление падает. Выбор пал на NTC TTC 103. 10кОм при 25С. (Что было в запасе)
По графику этого терморезистора сопротивление на нем при 83 градусах было 1060 ом, а при 89 градусах- 860ом. Слишком малая разница сопротивления (а в итоге напряжения) что бы уместить туда ШИМ во всем диапазоне. А нам нужно разность напряжений от 0 до 3 вольт.
Для этого я использовал операционный усилитель на U1. Он представляет из себя дифференциальный усилитель

На резисторах R5, RV1 и R4 собран делитель напряжения для инвертирующего входа 2.
Вращая подстроечник RV1 можно регулировать сдвиг диапазона работы вентилятора. Например 83-89 градусов, или 86-92.
На R1 и самом датчике собран делитель подключенный на неинвертирующий вход 3.
R2 задает коэффициент усиления. Подбирается в зависимости от терморезистора.
Усиленный размах сигнала выходит с выхода 1 и идет на вход управления скважностью ШИМ 4 у 494й.
494я имеет на борту свое стабилизированное опорное напряжение на 5 вольт. 14я нога.
Что бы вентилятор включался не с нуля мощности, я задействовал один их 2х встроенных в 494ю Усилитель ошибки (1 и 2 ноги ). Работает в режиме компаратора. Позволяет нам включать вентилятор с заданной мощности, а не с нуля на сверхнизких оборотах.

На резисторах R7 и RV2 собран делитель напряжения, который подключен к 14й ноге опорного напряжения. С делителя выходит напряжение на 2ю ногу, которое у меня составляет 1.7 вольта, и его можно регулировать вращая RV2. Это регулировка начальной мощности вентилятора после включения.

1 нога подключена к 4й, и таким образом получившийся компаратор сравнивает напряжение относительно заданного на 2й ноге (1.7в) и напряжение с выхода U1. И пока на 1й ноге напряжение выше 1.7 вольта — ШИМ не включается. После того как напряжение упадет ниже 1.7- появляется ШИМ и вентилятор включится на

30-40% от всей мощности. Если сдвинуть это напряжение на 3 вольта, то включаться будет совсем с 0. Но это не нужно.

Далее с выхода 494й (9я нога) ШИМ поступает через резистор R6 на базы транзисторов Q2 Q4 (чет с нумерацией намудрил я) включенных по схеме эмиттерного повторителя и представляют из себя простейший драйвер затвора полевого N-channel транзистора Q1.
Q2 заряжает, а Q4 разряжает. В данном случае можно было обойтись только Q4.
Это нужно для быстрого заряда и разряда затвора Q1. Задача такова, что бы полевик находился в полуоткрытом состоянии как можно меньшее время. Из за большого времени открытия закрытия полевика он греется. С ростом частоты — сложнее создать такой режим, но вполне можно. В данной схеме на всем диапазоне оборотов- полевик не греется даже без радиатора.
Вот что у него на затворе при нагрузке. Частота ШИМ 38кГц. Это значит что не писков, не гула не слышно:

Ну полевик уже коммутирует внтилятор относительно массы.
Если поставить P-channel, то можно коммутировать по +, как это сделано в штате. Но там есть нюансы с сопротивлением прехода (у P-ch оно выше при той же цене, а значит мощность ниже), наличием в магазинах и их ценой.

D1 представляет из себя демпферный диод. Это мощный сдвоенный диод Шоттки из компового БП объединенный в один. Гасит выбросы от двигателя из за его индуктивности, которые нехило разогревают и сваривают полевик. К нему особое внимание, т.к. выбросы довольно мощные и совсем слегка его разогревают.

Питание у меня замудрено. Вместо стабилизатора для питания электронной части я выбрал DC-DC step-up преобразователь, на вход которого можно подать от 9 до 36 вольт, а на выходе будет всегда стабильные 15 вольт. Почему 15? Потому что при управлении затвором полевика 15ю вольтами он полностью открывается, что позволяет снизить его нагрев. У меня просто много таких ДиСишек, поэтому я и поставил.
При том управляв 12ю вольтами нагрев был сильнее.
В принципе лечится установкой пры-тройки полевиков в параллель, развязав резисторами затворы. Или полевиком с меньшим напряжением на затворе.

Вот первоначальное творение на макетке. Тут мало что понятно и импульсная схема с такими длинными проводами давала мусора, но тем не менее работала отлично.

Что касаемо датчика.
Его как и говорил вмонтирую в корпус от ТМ108. Выпотрошил его, но пока еще не собрал.
На дно помещу терморезистор через термопасту. Далее закрою и прижму круглой пробочкой из текстолита или меди. Выведу 2 контактный герметичный разъем- фишку и залью ее эпоксидкой или герметиком. Пока выбираю чем заливать (эпоксидка хрупкая.)

После отладки и настройки, подбора номиналов и пр, идет 2я стадия, не менее интересная- разводка печатки. Вся процессия происходит в Proteus.

Далее на печать для ЛУТа. Печатал на бумаге из китая (желтая термотрансферная). Бумага супер. После утюга и остывания можно просто не вымачивая отлеплять от платы. Тонер к бумаге плохо липнет (вощеная).

Полученную плату я не стал лудить. Только силовую часть, наращивал припоем для сечения. Нужно по идее подкладывать медную проволоку на дорожку и заливать припоем. Так правильнее. Ну далее рассверловка, графика на другую сторону, монтаж, проверка как оно там живет и конечно же регулировка.

Использование ис семейства tl494 в преобразователях питания

“Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется – всё энергия. Перед нами грандиозная задача – найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами” Никола Тесла (1891)

воскресенье, 19 июля 2015 г.

TL494

TL494 – замечательная, универсальная микросхема, созданная достаточно давно, до сих пор не потеряла своей актуальности. (источник wyst.at.ua)

Только самое главное.
Напряжение питания 8-35в (вроде можно до 40в, но не испытывал)
Возможность работать в однотактном и двухтактном режиме.

Для однотактного режима максимальная длительность импульса составляет 96% (не меньше 4% мертвого времени).
Для двухтактного варианта – длительность мертвого времени не может быть меньше 4%.
Подавая на вывод 4 напряжение 0…3,3в можно регулировать мертвое время. И осуществлять плавный запуск.
Имеется встроенный стабилизированный источник опорного напряжения 5в и током до 10ма.
Имеется встроенная защита от пониженного напряжения питания, выключаясь ниже 5,5…7в (чаще всего 6,4в). Беда в том, что при таком напряжении мосфеты уже переходят в линейный режим и сгорают…
Имеется возможность выключит генератор микросхемы замкнув ключом вывод Rt (6) вывод опорного напряжения (14) или вывод Ct (5) на землю.

Рабочая частота 1…300кГц.

Два встроенных операционных усилителя «ошибки» с коэффициентом усиления Ку=70..95Дб. Входы – выводы (1); (2) и (15); (16). Выходы усилителей объединены элементом ИЛИ, поэтому тот на выходе которого напряжение больше и управляет длительностью импульса. Один из входов компаратора обычно привязывают к опорному напряжению (14), а второй – куда нада…Задержка сигнала внутри Усилителя 400нс, они не предназначены для работы в пределах одного такта.

Выходные каскады микросхемы при среднем токе в 200ма, достаточно быстро заряжают входную емкость затвора мощного мосфета, но не обеспечивают ее разряд. за приемлемое время. В связи с чем обязательно необходим внешний драйвер.

Вывод (5) кондесатор С2 и вывод (6) резисторы R3; R4 – задают частоту внутреннего генератора микросхемы. В двухтактном режиме она делиться на 2.

Есть возможность синхронизации, запуск входными импульсами.

Однотактный генератор с регулировкой частоты и скважности
Однотактный генератор с регулировкой частоты и скважности (отношение длительности импульса к длительности паузы). С одно транзисторным выходным драйвером. Такой режим реализуется, если соединить вывод 13 с общей шиной питания.

Поскольку микросхема имеет два выходных каскада, которые в данном случае работают синфазно, их для увеличения выходного тока можно включить параллельно… Или не включать…(зеленым цветом на схеме) Так же не всегда ставиться и резистор R7.

Измеряя операционным усилителем напряжение на резисторе R10, можно ограничить выходной ток. На второй вход подается опорное напряжение делителем R5; R6. Ну понимаете R10 будет греться.

Цепь С6; R11, на (3) ногу, ставят для большей устойчивости, даташит просит, но работает и без нее. Транзистор можно взять и npn структуры.

Однотактный генератор с регулировкой частоты и скважности. С двух транзисторным выходным драйвером (комплементарный повторитель).
Что могу сказать? Форма сигнала лучше, сокращаются переходные процессы в моменты переключения, выше нагрузочная способность, меньше тепловые потери. Хотя может быть это субъективное мнение. Но. Сейчас я использую только двух транзисторный драйвер. Да, резистор в цепи затвора ограничивает скорость переходных процессов при переключении.

А здесь имеем схему типичного повышающего (boost) регулируемого однотактного преобразователя, с регулировкой напряжения и ограничением тока.

Схема рабочая, собиралась мной в нескольких вариантах. Выходное напряжение зависит от количества витков катушки L1, ну и от сопротивления резисторов R7; R10; R11, которые при налаживании подбираются. Саму катушку можно мотать на чем угодно. Размер – в зависимости от мощности. Кольцо, Ш-сердечник, даже просто на стержне. Но она не должна входить в насыщение. Поэтому если кольцо из феррита, то нужно разрезать и склеить с зазором. Хорошо пойдут большие кольца из компьютерных блоков питания, их резать не надо, они из “рапыленного железа” зазор уже предусмотрен. Если сердечник Ш-образный – ставим не магнитный зазор, бывают с коротким средним керном – эти уже с зазором. Короче, мотаем толстым медным или монтажным проводом (0,5-1,0мм в зависимости от мощности) и числом витков 10-и больше (в зависимости, какое напряжение желаем получить). Подключаем нагрузку на планируемое напряжение небольшой мощности. Подключаем наше творение к аккумулятору через мощную лампу. Если лампа не загорелась в полный накал – берем вольтметр и осцилограф.

Читайте также:  Использование onewire. встроенная библиотека

Подбираем резисторы R7; R10; R11 и число витков катушки L1, добиваясь задуманного напряжения на нагрузке.

Дроссель Др1 – 5. 10 витков толстым проводом на любом сердечнике. Видел даже варианты, где L1 и Др1 намотаны на одном сердечнике. Сам не проверял.

Это тоже реальная схема повышающего преобразователя, который можно использовать, например для зарядки ноутбука от автомобильного аккумулятора. Компаратор по входам (15);(16) следит за напряжением аккумулятора “донора” и отключит преобразователь, когда напряжение на нем упадет ниже выбранного порога.

Цепь С8; R12; VD2 – так называемый Снаббер, предназначен для подавления индуктивных выбросов. Спасает низковольтный МОСФЕТ, например IRF3205 выдерживает, если не ошибаюсь, (сток – исток) до 50в. Однако здорово уменьшает КПД. И диод и резистор прилично греются. За то увеличивается надежность. В некоторых режимах (схемах) без него просто сразу сгорает мощный транзистор. А бывает работает и без всего этого. Надо смотреть осциллограф.

Полезный сайт

Импульсные блоки питания (ИБП) очень распространены. Компьютер, который вы используете сейчас, имеет ИБП с несколькими выходными напряжениями (+12, -12, +5, -5 и + 3,3 В, по крайней мере). Практически все такие блоки имеют специальную микросхему ШИМ-контроллера, как правило, типа TL494CN.

Аналог ее – отечественная микросхема М1114ЕУ4 (КР1114ЕУ4).

Назначение микросхемы TL494CN

Описание ее по традиции начнем с назначения и перечня внутренних устройств. Она представляет собой ШИМ-контроллер с фиксированной частотой, предназначенный преимущественно для применения в ИБП, и содержащий следующие устройства:

  • генератор пилообразного напряжения (ГПН);
  • усилители ошибки; источник эталонного (опорного) напряжения +5 В;
  • схема регулировки «мертвого времени»;
  • выходные транзисторные ключи на ток до 500 мА;
  • схема выбора одно- или двухтактного режима работы.

Предельные параметры

Как и у любой другой микросхемы, у TL494CN описание в обязательном порядке должно содержать перечень предельно допустимых эксплуатационных характеристик. Дадим их на основании данных Motorola, Inc:

  • Напряжение питания: 42 В.
  • Напряжение на коллекторе выходного транзистора: 42 В.
  • Ток коллектора выходного транзистора: 500 мА.
  • Диапазон входного напряжения усилителя: от — 0,3 В до +42 В.
  • Рассеиваемая мощность (при t
  • Диапазон температур хранения: от -55 до +125 °С.
  • Диапазон рабочих температур окружающей среды: от 0 до +70 °С.

Следует отметить, что параметр 7 для микросхемы TL494IN несколько шире: от –25 до +85 °С.

Конструкция микросхемы TL494CN

Описание на русском языке выводов ее корпуса приведено на рисунке, расположенном ниже.

Микросхема помещена в пластиковый (на это указывает литера N в конце ее обозначения) 16-контактный корпус с выводами pdp-типа.

TL494CN: схема функциональная

Итак, задачей данной микросхемы является широтно-импульсная модуляция (ШИМ, или англ. Pulse Width Modulated (PWM)) импульсов напряжения, вырабатываемых внутри как регулируемых, так и нерегулируемых ИБП. В блоках питания первого типа диапазон длительности импульсов, как правило, достигает максимально возможной величины (

48% для каждого выхода в двухтактных схемах, широко используемых для питания автомобильных аудиоусилителей). Микросхема TL494CN имеет в общей сложности 6 выводов для выходных сигналов, 4 из них (1, 2, 15, 16) являются входами внутренних усилителей ошибки, используемых для защиты ИБП от токовых и потенциальных перегрузок. Контакт № 4 – это вход сигнала от 0 до 3 В для регулировки скважности выходных прямоугольных импульсов, а № 3 является выходом компаратора и может быть использован несколькими способами. Еще 4 (номера 8, 9, 10, 11) представляют собой свободные коллекторы и эмиттеры транзисторов с предельно допустимым током нагрузки 250 мА (в длительном режиме не более 200 мА). Они могут соединяться попарно (9 с 10, а 8 с 11) для управления мощными полевыми транзисторами (MOSFET-транзисторов) с предельно допустимым током 500 мА (не более 400 мА в длительном режиме). Каково же внутренне устройство TL494CN? Схема ее показана на рисунке ниже.

Микросхема имеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН) +5 В (№ 14). Он обычно используется в качестве эталонного напряжения (с точностью ± 1%), подаваемого на входы схем, потребляющих не более 10 мА, например, на вывод 13 выбора одно- или двухтактного режима работы микросхемы: при наличии на нем +5 В выбирается второй режим, при наличии на нем минуса напряжения питания – первый.

Для настройки частоты генератора пилообразного напряжения (ГПН) используют конденсатор и резистор, подключаемые к контактам 5 и 6 соответственно. И, конечно, микросхема имеет выводы для подключения плюса и минуса источника питания (номера 12 и 7 соответственно) в диапазоне от 7 до 42 В.

Из схемы видно, что имеется еще ряд внутренних устройств в TL494CN. Описание на русском языке их функционального назначения будет дано ниже по ходу изложения материала.

Функции выводов входных сигналов

Как и любое другое электронное устройство. рассматриваемая микросхема имеет свои входы и выходы. Мы начнем с первых. Выше уже было дан перечень этих выводов TL494CN. Описание на русском языке их функционального назначения будет далее приведено с подробными пояснениями.

Это положительный (неинвертирующий) вход усилителя сигнала ошибки 1. Если напряжение на нем ниже, чем напряжение на выводе 2, выход усилителя ошибки 1 будет иметь низкий уровень. Если же оно будет выше, чем на контакте 2, сигнал усилителя ошибки 1 станет высоким. Выход усилителя по существу, повторяет положительный вход с использованием вывода 2 в качестве эталона. Функции усилителей ошибки будут более подробно описаны ниже.

Это отрицательное (инвертирующий) вход усилителя сигнала ошибки 1. Если этот вывод выше, чем на выводе 1, выход усилителя ошибки 1 будет низким. Если же напряжение на этом выводе ниже, чем напряжение на выводе 1, выход усилителя будет высоким.

Он работает точно так же, как и № 2. Зачастую второй усилитель ошибки не используется в TL494CN. Схема включения ее в этом случае содержит вывод 15 просто подключенный к 14-му (опорное напряжение +5 В).

Он работает так же, как и № 1. Его обычно присоединяют к общему № 7, когда второй усилитель ошибки не используется. С выводом 15, подключенным к +5 В и № 16, подключенным к общему, выход второго усилителя низкий и поэтому не имеет никакого влияния на работу микросхемы.

Этот контакт и каждый внутренний усилитель TL494CN связаны между собой через диоды. Если сигнал на выходе какого-либо из них меняется с низкого на высокий уровень, то на № 3 он также переходит в высокий. Когда сигнал на этом выводе превышает 3,3 В, выходные импульсы выключаются (нулевая скважность). Когда напряжение на нем близко к 0 В, длительность импульса максимальна. В промежутке между 0 и 3,3 В, длительность импульса составляет от 50% до 0% (для каждого из выходов ШИМ-контроллера — на выводах 9 и 10 в большинстве устройств). Если необходимо, контакт 3 может быть использован в качестве входного сигнала или может быть использован для обеспечения демпфирования скорости изменения ширины импульсов. Если напряжение на нем высокое (>

3,5 В), нет никакого способа для запуска ИБП на ШИМ-контроллере (импульсы от него будут отсутствовать).

Он управляет диапазоном скважности выходных импульсов (англ. Dead-Time Control). Если напряжение на нем близко к 0 В, микросхема будет в состоянии выдавать как минимально возможную, так и максимальную ширину импульса (что задается другими входными сигналами). Если на этот вывод подается напряжение около 1,5 В, ширина выходного импульса будет ограничена до 50% от его максимальной ширины (или

25% рабочего цикла для двухтактного режима ШИМ-контроллера). Если напряжение на нем высокое (>

3,5 В), нет никакого способа для запуска ИБП на TL494CN. Схема включения ее зачастую содержит № 4, подключенный напрямую к земле. Важно запомнить! Сигнал на выводах 3 и 4 должен быть ниже

3,3 В. А что будет, если он близок, например, к + 5 В? Как тогда поведет себя TL494CN? Схема преобразователя напряжения на ней не будет вырабатывать импульсы, т.е. не будет выходного напряжения от ИБП.

Служит для присоединения времязадающего конденсатора Ct, причем второй его контакт присоединяется к земле. Значения емкости обычно от 0,01 μF до 0,1 μF. Изменения величины этого компонента ведут к изменению частоты ГПН и выходных импульсов ШИМ-контроллера. Как правило здесь используются конденсаторы высокого качества с очень низким температурным коэффициентом (с очень небольшим изменением емкости с изменением температуры).

Для подключения врямязадающего резистора Rt, причем второй его контакт присоединяется к земле. Величины Rt и Ct определяют частоту ГПН. f = 1,1 : (Rt х Ct).

Он присоединяется к общему проводу схемы устройства на ШИМ-контроллере.

Он замаркирован литерами VCC. К нему присоединяется «плюс» источника питания TL494CN. Схема включения ее обычно содержит № 12, соединенный с коммутатором источника питания. Многие ИБП используют этот вывод, чтобы включать питание (и сам ИБП) и выключать его. Если на нем имеется +12 В и № 7 заземлен, ГПН и ИОН микросхемы будут работать.

Это вход режима работы. Его функционирование было описано выше.

Функции выводов выходных сигналов

Выше они же были перечислены для TL494CN. Описание на русском языке их функционального назначения будет ниже приведено с подробными пояснениями.

На этой микросхеме есть 2 npn-транзистора, которые являются ее выходными ключами. Этот вывод – коллектор транзистора 1, как правило, подключенный к источнику постоянного напряжения (12 В). Тем не менее в схемах некоторых устройств он используется в качестве выхода, и можно увидеть на нем меандр (как и на № 11).

Это эмиттер транзистора 1. Он управляет мощным транзистором ИБП (полевым в большинстве случаев) в двухтактной схеме либо напрямую, либо через промежуточный транзистор.

Это эмиттер транзистора 2. В однотактном режиме работы сигнал на нем такой же, как и на № 9. В двухтактном режиме сигналы на №№ 9 и 10 противофазны, т. е. когда на одном высокий уровень сигнала, то на другом он низкий, и наоборот. В большинстве устройств сигналы с эмиттеров выходных транзисторных ключей рассматриваемой микросхемы управляют мощными полевыми транзисторами, приводимыми в состояние ВКЛЮЧЕНО, когда напряжение на выводах 9 и 10 высокое (выше

3,5 В, но он никак не относится к уровню 3,3 В на №№ 3 и 4).

Это коллектор транзистора 2, как правило, подключенный к источнику постоянного напряжения (+12 В).

Примечание: В устройствах на TL494CN схема включения ее может содержать в качестве выходов ШИМ-контроллера как коллекторы, таки эмиттеры транзисторов 1 и 2, хотя второй вариант встречается чаще. Есть, однако, варианты, когда именно контакты 8 и 11 являются выходами. Если вы найдете небольшой трансформатор в цепи между микросхемой и полевыми транзисторами, выходной сигнал, скорее всего, берется именно с них (с коллекторов).

Читайте также:  Цифровой генератор шума для акустических измерений

Это выход ИОН, также описанный выше.

Принцип работы

Как же работает микросхема TL494CN? Описание порядка ее работы дадим по материалам Motorola, Inc. Выход импульсов с широтной модуляцией достигается путем сравнения положительного пилообразного сигнала с конденсатора Ct с любым из двух управляющих сигналов. Логические схемы ИЛИ-НЕ управления выходными транзисторами Q1 и Q2, открывают их только тогда, когда сигнал на тактовом входе (С1) триггера (см. функциональную схему TL494CN) переходит в низкий уровень.

Таким образом, если на входе С1 триггера уровень логической единицы, то выходные транзисторы закрыты в обоих режимах работы: однотактном и двухтактном. Если на этом входе присутствует сигнал тактовой частоты, то в двухтактном режиме транзисторные ключи открываются поочердно по приходу среза тактового импульса на триггер. В однотактном режиме триггер не используется, и оба выходных ключа открываются синхронно.

Это открытое состояние (в обоих режимах) возможно только в той части периода ГПН, когда пилообразное напряжение больше, чем управляющие сигналы. Таким образом, увеличение или уменьшение величины управляющего сигнала вызывает соответственно линейное увеличение или уменьшение ширины импульсов напряжения на выходах микросхемы. В качестве управляющих сигналов может быть использовано напряжение с вывода 4 (управление «мертвым временем»), входы усилителей ошибки или вход сигнала обратной связи с вывода 3.

Использование ис семейства tl494 в преобразователях питания

Этот стабилизатор обладает неплохими характеристиками, имеет плавную регулировку тока и напряжения, хорошую стабилизацию, без проблем терпит короткие замыкания, относительно простой и не требует больших финансовых затрат. Он обладает высоким кпд за счет импульсного принципа работы, выходной ток может доходить до 15 ампер, что позволит построить мощное зарядное устройство и блок питания с регулировкой тока и напряжения. При желании можно увеличить выходной ток до 20-и и более ампер.

В интернете подобных устройств, каждое имеет свои достоинства и недостатки, но принцип работы у них одинаковый. Предлагаемый вариант – это попытка создания простого и достаточно мощного стабилизатора.

За счет применения полевых ключей удалось значительно увеличить нагрузочную способность источника и снизить нагрев на силовых ключах. При выходном токе до 4-х ампер транзисторы и силовой диод можно не устанавливать на радиаторы.

Номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от номиналов на плате, т.к. плату разрабатывал для своих нужд.

Диапазон регулировки выходного напряжения от 2-х до 28 вольт, в моем случае максимальное напряжение 22 вольта, т.к. я использовал низковольтные ключи и поднять напряжение выше этого значения было рискованно, а так при входном напряжении около 30 Вольт, на выходе спокойно можно получить до 28-и Вольт. Диапазон регулировки выходного тока от 60mA до 15A Ампер, зависит от сопротивления датчика тока и силовых элементов схемы.

Устройство не боится коротких замыканий, просто сработает ограничение тока.

Собран источник на базе ШИМ контроллера TL494, выход микросхемы дополнен драйвером для управления силовыми ключами.

Хочу обратить ваше внимание на батарею конденсаторов установленных на выходе. Следует использовать конденсаторы с низким внутренним сопротивлением на 40-50 вольт, с суммарной емкостью от 3000 до 5000мкФ.

Нагрузочный резистор на выходе применен для быстрого разряда выходных конденсаторов, без него измерительный вольтметр на выходе будет работать с запаздыванием, т.к. при уменьшении выходного напряжения конденсаторам нужно время, для разрядки, а этот резистор быстро их разрядит. Сопротивление этого резистора нужно пересчитать, если на вход схемы подается напряжение больше 24-х вольт. Резистор двух ваттный, рассчитан с запасом по мощности, в ходе работы может греться, это нормально.

Как это работает:

ШИМ контроллер формирует управляющие импульсы для силовых ключей. При наличии управляющего импульса транзистор, и питание по открытому каналу транзистора через дроссель поступает на накопительный конденсатор. Не забываем, что дроссель является индуктивной нагрузкой, которым свойственно накапливание энергии и отдача за счет самоиндукции. Когда транзистор закрывается накопленный в дросселе заряд через диод шоттки продолжит подпитывать нагрузку. Диод в данном случае откроется, т.к. напряжение с дросселя имеет обратную полярность. Этот процесс будет повторяться десятки тысяч раз в секунду, в зависимости от рабочей частоты микросхемы ШИМ. По факту ШИМ контроллер всегда отслеживает напряжение на выходном конденсаторе.

Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. На неинвертирующий вход первого усилителя ошибки микросхемы (вывод 1) поступает выходное напряжение стабилизатора, где оно сравнивается с опорным напряжением, которое присутствует на инверсном входе усилителя ошибки. При снижении выходного напряжения будет снижаться и напряжение на выводе 1, и если оно будет меньше опорного напряжения, ШИМ контроллер будет увеличивать длительности импульсов, следовательно транзисторы больше времени будут находиться в открытом состоянии и больше тока будет накачиваться в дроссель, если же выходное напряжение больше опорного, произойдет обратное – микросхема уменьшит длительность управляющих импульсов. Указанным делителем можно принудительно менять напряжение на неинвертирующщем входе усилителя ошибки, этим увеличивая или уменьшая выходное напряжение стабилизатора в целом. Для наиболее точной регулировки напряжения применён подстроечный многооборотный резистор, хотя можно использовать обычный.

Минимальное выходное напряжение составляет порядка 2 вольт, задается указанным делителем, при желании можно поиграться с сопротивлением резисторов для получения приемлемых для вас значений, не советуется снижать минимальное напряжение ниже 1 вольта.

Для отслеживания потребляемого нагрузкой тока установлен шунт. Для организации функции ограничения тока задействован второй усилитель ошибки в составе ШИМ контроллера тл494. Падение напряжения на шунте поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки, опять сравнивается с опорным, а дальше происходит точно тоже самое, что и в случае стабилизации напряжения. Указанным резистором можно регулировать выходной ток.

Токовый шунт изготовлен из двух параллельно соединённых низкоомных резисторов с сопротивлением 0,05Ом.

Накопительный дроссель намотан на желто белом кольце от фильтра групповой стабилизации компьютерного блока питания.

Так как схема планировалась на довольно большой входной ток, целесообразно использовать два сложенных вместе кольца. Обмотка дросселя содержит 20 витков намотанных двумя жилами провода диаметром 1,25мм в лаковой изоляции, индуктивность около 80-90 микрогенри.

Диод желательно использовать с барьером Шоттки и обратным напряжением 100-200 вольт, в моем случае применена мощная диодная сборка MBR4060 на 60 вольт 40 Ампер.

Силовые ключи вместе с диодом устанавливают на общий радиатор, притом изолировать подложки компонентов от радиатора не нужно, т.к. они общие.

Подробное описание и испытания блока можно посмотреть в видео

Использование ис семейства tl494 в преобразователях питания

Микросхема TL494 представляет собой ШИМ – контроллер, отлично подходящий для построения импульсных блоков питания различной топологии и мощности. Может работать как в однотактном, так и в двухтактном режиме.

Отечественным ее аналогом является микросхема КР1114ЕУ4. Texas Instruments, International Rectifier, ON Semiconductor, Fairchild Semiconductor – многие производители выпускают данный ШИМ-контроллер. У Fairchild Semiconductor он называется, например, KA7500B.

Если просто посмотреть на обозначения выводов, становится ясно, что данная микросхема имеет довольно широкие возможности для регулировки.

Рассмотрим обозначения всех выводов:

  • неинвертирующий вход первого компаратора ошибки
  • инвертирующий вход первого компаратора ошибки
  • вход обратной связи
  • вход регулировки мертвого времени
  • вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора
  • вывод для подключения времязадающего резистора
  • общий вывод микросхемы, минус питания
  • вывод коллектора первого выходного транзистора
  • вывод эмиттера первого выходного транзистора
  • вывод эмиттера второго выходного транзистора
  • вывод коллектора второго выходного транзистора
  • вход подачи питающего напряжения
  • вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы
    микросхемы
  • вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт
  • инвертирующий вход второго компаратора ошибки
  • неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

На функциональной диаграмме можно видеть внутреннюю структуру микросхемы.
Два верхних вывода слева предназначены для настройки параметров внутреннего генератора пилообразного напряжения, который здесь обозначен как «Oscillator». Для нормальной работы микросхемы, производитель рекомендует применять времязадающий конденсатор емкостью из диапазона от 470пф до 10мкф, а времязадающий резистор из диапазона от 1,8кОм до 500кОм. Рекомендуемый диапазон рабочих частот – от 1кГц до 300кГц. Частоту можно вычислить по формуле f = 1.1/RC. Так, в рабочем режиме на выводе 5 будет присутствовать пилообразное напряжение амплитудой около 3 вольт. У разных производителей она может отличаться в зависимости от параметров внутренних цепей микросхемы.

Для примера, если применить конденсатор емкостью 1нФ, а резистор на 10кОм, то частота пилообразного напряжения на выходе 5 составит примерно f = 1.1/(10000*0.000000001) = 110000Гц. Частота может отличаться, по данным производителя, на +-3% в зависимости от температурного режима компонентов.

Вход регулировки мертвого времени 4 предназначен для определения паузы между импульсами. Компаратор мертвого времени, обозначенный на схеме «Dead-time Control Comparator», даст разрешение выходным импульсам, если напряжение пилы выше напряжения, подаваемого на вход 4. Так, подавая на вход 4 напряжение от 0 до 3 вольт, можно регулировать скважность выходных импульсов, при этом максимальная длительность рабочего цикла может составлять 96% в однотактном режиме и 48%, соответственно, в двухтактном режиме работы микросхемы. Минимальная пауза здесь ограничена значением 3%, которое обеспечивается встроенным источником с напряжением 0.1 вольта. Вывод 3 также имеет значение, и напряжение на нем так же играет роль для разрешения импульсов на выходе.

Выводы 1 и 2, а так же выводы 15 и 16 компараторов ошибки могут быть использованы для защиты проектируемого устройства от перегрузок по току и по напряжению. Если напряжение, подаваемое на вывод 1, станет выше, чем подаваемое на вывод 2, или напряжение, подаваемое на вывод 16, станет выше, чем напряжение, подаваемое на вывод 15, то вход ШИМ-компаратора «PWM Comparator» (вывод 3) получит сигнал для запрета импульсов на выходе. Если данные компараторы использовать не планируется, то их можно заблокировать, замкнув на землю неинвертирущие входы, а инвертирующие подключив к источнику опорного напряжения (вывод 14).
Вывод 14 является выходом встроенного в микросхему стабилизированного источника опорного напряжения 5 вольт. К этому выводу можно подключать цепи, потребляющие ток до 10 мА, которыми могут быть делители напряжения для настройки цепей защиты, мягкого пуска, или установки фиксированной или регулируемой длительности импульсов.
К выводу 12 подается напряжение питания микросхемы от 7 до 40 вольт. Как правило, применяют 12 вольт стабилизированного напряжения. Важно исключить любые помехи в цепи питания.
Вывод 13 отвечает за режим работы микросхемы. Если на него подать опорное напряжение 5 вольт, (с вывода 14) то микросхема будет работать в двухтактном режиме, и выходные транзисторы будут открываться в противофазе, по очереди, причем частота включения каждого из выходных транзисторов будет равна половине частоты пилообразного напряжения на выводе 5. Но если замкнуть вывод 13 на минус питания, то выходные транзисторы станут работать параллельно, а частота будет равна частоте пилы на выводе 5, то есть частоте генератора.

Максимальный ток для каждого из выходных транзисторов микросхемы (выводы 8,9,10,11) составляет 250мА, однако производитель не рекомендует превышать 200мА. Соответственно, при параллельной работе выходных транзисторов (вывод 9 соединен с выводом 10, а вывод 8 соединен с выводом 11) максимально допустимый для ток составит 500мА, но лучше не превышать 400мА.

Выходные транзисторы могут быть включены по-разному, в соответствии с целью разработчика, по схеме с общим эмиттером, либо по схеме эмиттерного повторителя.

Лучшее сочетание вакуумных и полупроводниковых характеристик – однотактный гибридный усилитель звука.

Мы не создаём иллюзий,
Мы делаем звук живым!

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector