Spínané zdroje napájení (UPS) jsou velmi běžné. Počítač, který nyní používáte, má vícenapěťovou UPS (alespoň +12, -12, +5, -5 a +3,3 V). Téměř všechny takové bloky mají speciální čip řadiče PWM, obvykle typu TL494CN. Jeho analogem je domácí mikroobvod M1114EU4 (KR1114EU4).
Producenti
Uvažovaný mikroobvod patří do seznamu nejběžnějších a nejrozšířenějších integrovaných elektronických obvodů. Jeho předchůdcem byla řada PWM regulátorů Unitrode UC38xx. V roce 1999 byla tato společnost koupena společností Texas Instruments a od té doby začal vývoj řady těchto ovladačů, který vedl k vytvoření na počátku 2000s. Čipy řady TL494. Kromě již zmíněných UPS je lze nalézt v regulátorech stejnosměrného napětí, v řízených pohonech, v softstartérech, jedním slovem všude tam, kde se používá PWM řízení.
Mezi firmami, které naklonovaly tento čip, jsou takové světoznámé značky jako Motorola, Inc, International Rectifier,Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor. Všechny poskytují podrobný popis svých produktů, takzvaný datasheet TL494CN.
Dokumentace
Analýza popisů uvažovaného typu mikroobvodu od různých výrobců ukazuje praktickou identitu jeho charakteristik. Množství informací poskytovaných různými firmami je téměř stejné. Datasheet TL494CN od značek jako Motorola, Inc a ON Semiconductor se navíc ve své struktuře, obrázcích, tabulkách a grafech navzájem opakují. Prezentace materiálu společností Texas Instruments se od nich poněkud liší, avšak po pečlivém prostudování je jasné, že jde o identický produkt.
Přiřazení čipu TL494CN
Začněme jej tradičně popisovat účelem a seznamem interních zařízení. Jedná se o řadič PWM s pevnou frekvencí primárně určený pro aplikace UPS, který obsahuje následující zařízení:
- generátor pilového napětí (SPG);
- chybové zesilovače;
- zdroj referenčního (referenčního) napětí +5 V;
- obvod nastavení mrtvého času;
- výstupní tranzistorové spínače pro proud až 500 mA;
- schéma pro výběr jednotaktu nebo dvoutaktu.
Limity
Jako každý jiný mikroobvod musí popis TL494CN obsahovat seznam maximálních přípustných výkonových charakteristik. Dejme je na základě údajů od společnosti Motorola, Inc:
- Napájení: 42 V.
- Napětí kolektoruvýstupní tranzistor: 42 V.
- Výstupní tranzistorový kolektorový proud: 500 mA.
- Rozsah vstupního napětí zesilovače: -0,3V až +42V.
- Ztrátový výkon (při t< 45°C): 1000 mW.
- Rozsah skladovací teploty: -55 až +125°C.
- Rozsah okolních provozních teplot: od 0 do +70 °С.
Je třeba poznamenat, že parametr 7 pro čip TL494IN je poněkud širší: od -25 do +85 °С.
Design čipu TL494CN
Popis závěrů případu v ruštině je uveden na obrázku níže.
Mikroobvod je umístěn v plastovém (to je označeno písmenem N na konci jeho označení) 16pinovém obalu s vývody typu pdp.
Jeho vzhled je znázorněn na fotografii níže.
TL494CN: funkční schéma
Úkolem tohoto mikroobvodu je tedy pulzně šířková modulace (PWM nebo anglicky Pulse Width Modulated (PWM)) napěťových pulzů generovaných uvnitř regulovaných i neregulovaných UPS. U napájecích zdrojů prvního typu dosahuje rozsah trvání pulsu zpravidla maximální možné hodnoty (~ 48 % pro každý výstup v obvodech push-pull, široce používaných pro napájení zesilovačů autoaudia).
Čip TL494CN má celkem 6 výstupních pinů, z nichž 4 (1, 2, 15, 16) jsou vstupy zesilovačů interních chyb používaných k ochraně UPS před proudovým a potenciálním přetížením. Pin 4 je vstupsignál od 0 do 3 V pro nastavení pracovního cyklu výstupních obdélníkových impulsů a3 je výstup komparátoru a lze jej použít několika způsoby. Další 4 (čísla 8, 9, 10, 11) jsou volné kolektory a emitory tranzistorů s maximálním povoleným zatěžovacím proudem 250 mA (v trvalém režimu ne více než 200 mA). Mohou být zapojeny v párech (9 až 10 a 8 až 11) pro řízení vysoce výkonných MOSFETů s proudovým limitem 500 mA (max. 400 mA spojitě).
Jaké je vnitřní vybavení TL494CN? Jeho schéma je znázorněno na obrázku níže.
Mikroobvod má vestavěný zdroj referenčního napětí (ION) +5 V (č. 14). Obvykle se používá jako referenční napětí (s přesností ± 1 %) přiváděné na vstupy obvodů, které nespotřebovávají více než 10 mA, například na pin 13 volby jedno- nebo dvoudobého provozu. mikroobvod: pokud je na něm +5 V, je vybrán druhý režim, pokud je na něm mínus napájecího napětí - první.
K nastavení frekvence generátoru pilového napětí (GPN) se používá kondenzátor a rezistor, připojené ke kolíkům 5 a 6. A samozřejmě, mikroobvod má svorky pro připojení plus a mínus zdroje energie (čísla 12 a 7) v rozsahu od 7 do 42 V.
Schéma ukazuje, že v TL494CN je několik interních zařízení. Popis jejich funkčního účelu v ruštině bude uveden níže v průběhu prezentace materiálu.
Funkce vstupního terminálu
Jako každýjiné elektronické zařízení. Dotyčný mikroobvod má své vlastní vstupy a výstupy. Začneme tím prvním. Seznam těchto pinů TL494CN již byl uveden výše. Popis jejich funkčního účelu v ruštině bude uveden níže s podrobným vysvětlením.
Výstup 1
Toto je kladný (neinvertující) vstup chybového zesilovače 1. Pokud je napětí na něm nižší než napětí na kolíku 2, výstup chybového zesilovače 1 bude nízký. Pokud je vyšší než na kolíku 2, signál chybového zesilovače 1 bude vysoký. Výstup zesilovače v podstatě replikuje kladný vstup pomocí pinu 2 jako reference. Funkce chybových zesilovačů budou podrobněji popsány níže.
Závěr 2
Toto je záporný (invertující) vstup chybového zesilovače 1. Pokud je tento kolík vyšší než kolík 1, výstup chybového zesilovače 1 bude nízký. Pokud je napětí na tomto kolíku nižší než napětí na kolíku 1, výstup zesilovače bude vysoký.
Závěr 15
Funguje úplně stejně jako2. Druhý chybový zesilovač se v TL494CN často nepoužívá. Jeho spínací obvod v tomto případě obsahuje pin 15 jednoduše připojený ke 14. (referenční napětí +5 V).
Závěr 16
Funguje stejně jako č. 1. Obvykle se připojuje ke společnému č. 7, když se nepoužívá druhý chybový zesilovač. S pinem 15 připojeným k +5V a 16 připojeným ke společnému je výstup druhého zesilovače nízký, a proto nemá žádný vliv na činnost čipu.
Závěr 3
Tento pin a každý interní zesilovač TL494CNvzájemně propojeny pomocí diod. Pokud se signál na výstupu některého z nich změní z nízkého na vysoký, pak na čísle 3 jde také vysoko. Když signál na tomto pinu překročí 3,3V, výstupní impulsy se vypnou (nulový pracovní cyklus). Když se na něm napětí blíží 0 V, doba trvání pulsu je maximální. Mezi 0 a 3,3 V je šířka pulzu 50 % až 0 % (pro každý z výstupů regulátoru PWM – na kolících 9 a 10 na většině zařízení).
Je-li to požadováno, může být pin 3 použit jako vstupní signál nebo může být použit pro tlumení rychlosti změny šířky pulzu. Pokud je na něm vysoké napětí (> ~ 3,5V), není možné UPS na PWM ovladači spustit (nebudou z něj vycházet žádné impulsy).
Závěr 4
Ovládá pracovní cyklus výstupních impulsů (eng. Dead-Time Control). Pokud je na něm napětí blízké 0 V, bude mikroobvod schopen vydávat minimální možnou i maximální šířku impulsu (která je nastavena jinými vstupními signály). Pokud je na tento kolík přivedeno napětí asi 1,5 V, bude šířka výstupního pulzu omezena na 50 % jeho maximální šířky (nebo ~25 % pracovního cyklu pro push-pull PWM regulátor). Pokud je na něm vysoké napětí (> ~ 3,5 V), nelze UPS na TL494CN žádným způsobem spustit. Jeho spínací obvod často obsahuje č. 4, připojený přímo k zemi.
Důležité na zapamatování! Signál na pinech 3 a 4 by měl být pod ~ 3,3 V. Co když je blízko, řekněme, +5 V? Jakpak se bude TL494CN chovat? Obvod měniče napětí na něm nebude generovat impulsy, tzn. z UPS nebude vycházet žádné výstupní napětí
Závěr 5
Slouží k připojení časovacího kondenzátoru Ct a jeho druhý kontakt je spojen se zemí. Hodnoty kapacity jsou typicky 0,01 µF až 0,1 µF. Změny hodnoty této složky vedou ke změně frekvence GPN a výstupních impulsů PWM regulátoru. Zpravidla se zde používají vysoce kvalitní kondenzátory s velmi nízkým teplotním koeficientem (s velmi malou změnou kapacity se změnou teploty).
Závěr 6
Pro připojení časově nastavovacího odporu Rt a jeho druhý kontakt je spojen se zemí. Hodnoty Rt a Ct určují frekvenci FPG.
f=1, 1: (Rt x Ct)
Závěr 7
Připojuje se ke společnému vodiči obvodu zařízení na ovladači PWM.
Závěr 12
Je označen písmeny VCC. K němu je připojeno „plus“zdroje TL494CN. Jeho spínací obvod obvykle obsahuje č. 12 připojený k vypínači napájení. Mnoho UPS používá tento kolík k zapínání a vypínání napájení (a samotného UPS). Pokud má +12 V a č. 7 je uzemněno, FPV a ION čipy budou fungovat.
Závěr 13
Toto je vstup provozního režimu. Jeho činnost byla popsána výše.
Funkce výstupních svorek
Výše byly uvedeny pro TL494CN. Popis jejich funkčního účelu v ruštině bude uveden níže s podrobným vysvětlením.
Závěr 8
Na tohleČip má 2 npn tranzistory, které jsou jeho výstupními klíči. Tento pin je kolektor tranzistoru 1, obvykle připojený ke zdroji stejnosměrného napětí (12 V). V obvodech některých zařízení se však používá jako výstup a je na něm vidět meandr (stejně jako na č. 11).
Závěr 9
Toto je emitor tranzistoru 1. Budí vysokovýkonný tranzistor UPS (ve většině případů efekt pole) v obvodu push-pull, buď přímo, nebo přes mezilehlý tranzistor.
Výstup 10
Toto je emitor tranzistoru 2. V jednocyklovém režimu je signál na něm stejný jako na 9. Na druhém je nízký a naopak. Ve většině zařízení pohání signály z emitorů výstupních tranzistorových spínačů příslušného mikroobvodu výkonné tranzistory s efektem pole, které jsou buzeny do stavu ON, když je napětí na kolících 9 a 10 vysoké (nad ~ 3,5 V, ale nevztahuje se na úroveň 3,3 V na č. 3 a 4).
Závěr 11
Toto je kolektor tranzistoru 2, obvykle připojený ke zdroji stejnosměrného napětí (+12V).
Poznámka: U zařízení na TL494CN může spínací obvod obsahovat jak kolektory, tak emitory tranzistorů 1 a 2 jako výstupy PWM regulátoru, i když druhá možnost je běžnější. Existují však možnosti, kdy přesně kolíky 8 a 11 jsou výstupy. Pokud v obvodu mezi IC a FETy najdete malý transformátor, výstupní signál je s největší pravděpodobností odebírán z nich.(od sběratelů)
Závěr 14
Toto je ION výstup, také popsaný výše.
Funkční princip
Jak funguje čip TL494CN? Uvedeme popis pořadí jeho práce na základě materiálů od společnosti Motorola, Inc. Výstup pulzně šířkové modulace je dosažen porovnáním kladného pilového signálu z kondenzátoru Ct s jedním ze dvou řídicích signálů. Výstupní tranzistory Q1 a Q2 nejsou NOR hradlovány, aby je otevřely pouze tehdy, když spouštěcí hodinový vstup (C1) (viz funkční schéma TL494CN) klesne na nízkou úroveň.
Pokud tedy na vstupu C1 spouští úroveň logické jednotky, pak jsou výstupní tranzistory uzavřeny v obou režimech provozu: jednocyklový a push-pull. Pokud je na tomto vstupu přítomen hodinový signál, pak v režimu push-pull tranzistor jeden po druhém rozepne po příchodu přerušení hodinového impulsu ke spouštěči. V režimu jednoho cyklu se spoušť nepoužívá a obě výstupní tlačítka se otevírají synchronně.
Tento otevřený stav (v obou režimech) je možný pouze v té části periody FPV, kdy je pilové napětí větší než řídicí signály. Zvýšení nebo snížení velikosti řídicího signálu tedy způsobí lineární zvýšení nebo snížení šířky napěťových impulsů na výstupech mikroobvodu.
Napětí z kolíku 4 (kontrola mrtvého času), vstupy chybového zesilovače nebo vstup signálu zpětné vazby z kolíku 3 lze použít jako řídicí signály.
První kroky při práci s mikroobvodem
Předtímjakékoli užitečné zařízení, doporučujeme se naučit, jak TL494CN funguje. Jak zkontrolovat, zda to funguje?
Vezměte prkénko, umístěte na něj IC a připojte vodiče podle níže uvedeného schématu.
Pokud je vše správně zapojeno, obvod bude fungovat. Kolíky 3 a 4 ponechte volné. Použijte svůj osciloskop ke kontrole činnosti FPV - na kolíku 6 byste měli vidět pilovité napětí. Výstupy budou nulové. Jak zjistit jejich výkon v TL494CN. Kontrolu lze provést takto:
- Připojte výstup zpětné vazby (3) a výstup řízení mrtvého času (4) k zemi (7).
- Nyní byste měli detekovat obdélníkovou vlnu na výstupech integrovaného obvodu.
Jak zesílit výstupní signál?
Výstup TL494CN má poměrně nízký proud a vy určitě chcete více energie. Musíme tedy přidat nějaké výkonné tranzistory. Nejjednodušší na použití (a velmi snadné získat - ze staré základní desky počítače) jsou n-kanálové výkonové MOSFETy. Zároveň musíme invertovat výstup TL494CN, protože pokud k němu připojíme n-kanálový MOSFET, pak při absenci pulsu na výstupu mikroobvodu bude otevřen pro stejnosměrný tok. V tomto případě může MOSFET jednoduše shořet … Vyjmeme tedy univerzální npn tranzistor a zapojíme jej podle schématu níže.
V tomhle výkonný MOSFETobvod je řízen pasivně. To není moc dobré, ale pro testovací účely a nízkou spotřebu se to docela hodí. R1 v obvodu je zátěž tranzistoru npn. Vybírejte jej podle maximálního povoleného proudu jeho kolektoru. R2 představuje zatížení našeho výkonového stupně. V následujících experimentech bude nahrazen transformátorem.
Pokud se nyní podíváme na signál na kolíku 6 mikroobvodu osciloskopem, uvidíme „pilu“. Na 8 (K1) můžete stále vidět pulsy čtvercových vln a na odtoku pulsů MOSFET stejného tvaru, ale větší.
Jak zvýšit výstupní napětí?
Nyní pojďme zvýšit napětí pomocí TL494CN. Schéma spínání a zapojení je stejné - na prkénku. Samozřejmě na něj nemůžete dostat dostatečně vysoké napětí, zejména proto, že na výkonových MOSFETech není žádný chladič. K výstupnímu stupni však připojte malý transformátor podle tohoto schématu.
Primární vinutí transformátoru obsahuje 10 závitů. Sekundární vinutí obsahuje asi 100 závitů. Transformační poměr je tedy 10. Pokud na primár použijete 10V, na výstupu byste měli dostat asi 100V. Jádro je vyrobeno z feritu. Můžete použít nějaké středně velké jádro z PC napájecího transformátoru.
Buďte opatrní, na výstupu transformátoru je vysoké napětí. Proud je velmi nízký a nezabije vás. Ale můžete dostat dobrou ránu. Dalším nebezpečím je, pokud nainstalujete velkýkondenzátor na výstupu, bude akumulovat velký náboj. Proto by měl být po vypnutí obvodu vybit.
Na výstupu obvodu můžete zapnout jakýkoli indikátor, jako je žárovka, jako na obrázku níže.
Běží na stejnosměrné napětí a k rozsvícení potřebuje asi 160V. (Napájení celého zařízení je cca 15 V – řádově nižší.)
Výstupní obvod transformátoru je široce používán u všech UPS, včetně napájecích zdrojů PC. V těchto zařízeních první transformátor, připojený přes tranzistorové spínače na výstupy PWM regulátoru, slouží ke galvanickému oddělení nízkonapěťové části obvodu, která zahrnuje TL494CN, od jeho vysokonapěťové části, která obsahuje síťové napětí. transformátor.
Regulátor napětí
U podomácku vyrobených malých elektronických zařízení je napájení zpravidla zajišťováno typickým PC UPS vyrobeným na TL494CN. Napájecí obvod PC je dobře známý a samotné bloky jsou snadno dostupné, protože miliony starých PC se ročně likvidují nebo prodávají na náhradní díly. Tyto UPS však zpravidla nevytvářejí napětí vyšší než 12 V. To je pro frekvenční měnič příliš málo. Samozřejmě by se dalo zkusit použít 25V přepěťovou PC UPS, ale to by bylo těžké najít a příliš mnoho energie by se rozptýlilo při 5V v logických hradlech.
Na TL494 (nebo analogech) však můžete postavit libovolné obvody s přístupem ke zvýšenému výkonu a napětí. Použití typických dílů z PC UPS a vysoce výkonných MOStranzistory ze základní desky, můžete na TL494CN postavit PWM regulátor napětí. Obvod převodníku je znázorněn na obrázku níže.
Na něm můžete vidět spínací obvod mikroobvodu a koncový stupeň na dvou tranzistorech: univerzálním npn- a výkonném MOS.
Hlavní části: T1, Q1, L1, D1. Bipolární T1 slouží k pohonu výkonového MOSFETu zapojeného zjednodušeným způsobem, tzv. "pasivní". L1 je induktor ze staré tiskárny HP (asi 50 závitů, výška 1 cm, šířka 0,5 cm s vinutím, otevřená tlumivka). D1 je Schottkyho dioda z jiného zařízení. TL494 je zapojen alternativním způsobem k výše uvedenému, i když lze použít kterýkoli z nich.
C8 je malá kapacita, aby se zabránilo vlivu šumu vstupujícího na vstup chybového zesilovače, hodnota 0,01uF bude víceméně normální. Větší hodnoty zpomalí nastavení požadovaného napětí.
C6 je ještě menší kondenzátor, používá se k filtrování vysokofrekvenčního šumu. Jeho kapacita je až několik stovek pikofaradů.
