Аббревиатура «ШИМ» расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция – это один из методов модуляции сигнала не за счёт величины выходного напряжения, а именно за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый сигнал за счёт интегрирования импульсов с помощью C- или LC-цепей, другими словами – за счёт сглаживания.

Вывод: ШИМ-контроллер – устройство, которое управляет ШИМ-сигналом.

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Основные характеристики

Для ШИМ-сигнала можно выделить две основных характеристики:

1. Частота импульсов – от этого зависит рабочая частота преобразователя. Типовыми являются частоты выше 20 кГц, фактически 40-100 кГц.

2. Коэффициент заполнения и скважность. Это две смежных величины характеризующие одно и то же. Коэффициент заполнения может обозначаться буквой S, а скважность D.

где T – это период сигнала,

Коэффициент заполнения – часть времени от периода, когда на выходе контроллера формируется управляющий сигнал, всегда меньше 1. Скважность всегда больше 1. При частоте 100 кГц период сигнала равен 10 мкс, а ключ открыт в течении 2.5 мкс, то коэффициент заполнения – 0.25, в процентах – 25%, а скважность равна 4.

Также важно учитывать внутреннюю конструкцию и предназначение по количеству управляемых ключей.

Отличия от линейных схем потери

Как уже было сказано, преимуществом перед линейными схемами у импульсных источников питания является высокий КПД (больше 80, а в настоящее время и 90%). Это обусловлено следующим:

Допустим сглаженное напряжение после диодного моста равно 15В, ток нагрузки 1А. Вам нужно получить стабилизированное питание напряжением 12В. Фактически линейный стабилизатор представляет собой сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости от величины входного напряжения для получения номинального выходного – с небольшими отклонениями (доли вольт) при изменениях входного (единицы и десятки вольт).

На резисторах, как известно, при протекании через них электрического тока выделяется тепловая энергия. На линейных стабилизаторах происходит такой же процесс. Выделенная мощность будет равна:

Так как в рассмотренном примере ток нагрузки 1А, входное напряжение 15В, а выходное – 12В, то рассчитаем потери и КПД линейного стабилизатора (КРЕНка или типа L7812):

Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт

Если же входное напряжение вырастит до 20В, например, то КПД снизится:

Основной особенностью ШИМ является то, что силовой элемент, пусть это будет MOSFET, либо открыт полностью, либо полностью закрыт и ток через него не протекает. Поэтому потери КПД обусловлены только потерями проводимости

И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают в выпрямительных диодах (входных и выходных, если блок питания сетевой), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.

Общая структура

Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-контроллер. Я употребил слово «абстрактного» потому что, в общем, все они похожи, но их функционал все же может отличаться в определенных пределах, соответственно будет отличаться структура и выводы.

Внутри ШИМ-контроллера, как и в любой другой ИМС находится полупроводниковый кристалл, на котором расположена сложная схема. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:

1. Генератор импульсов.

2. Источник опорного напряжения. (ИОН)

3. Цепи для обработки сигнала обратной связи (ОС): усилитель ошибки, компаратор.

4. Генератор импульсов управляет встроенными транзисторами, которые предназначены для управления силовым ключом или ключами.

От типа ключа также зависит выбор ШИМ-контроллера. Для управления биполярным транзистором основным требованием является, чтобы выходной ток управления ШИМ-контроллера не был ниже, чем ток транзистора деленный на H21э, чтобы его включать и отключать достаточно просто подавать импульсы на базу. В этом случае подойдет большинство контроллеров.

Если говорить обобщенно, то ШИМ-контроллер можно представить в виде компаратора, на один вход которого подан сигнал с цепи обратной связи (ОС), а на второй вход пилообразный изменяющийся сигнал. Когда пилообразный сигнал достигает и превышает по величине сигнал ОС, то на выходе компаратора возникает импульс.

При изменениях сигналов на входах ширина импульсов меняется. Допустим, что вы подключили мощный потребитель к блоку питания, и на его выходе напряжение просело, тогда напряжение ОС также упадет. Тогда в большей части периода будет наблюдаться превышение пилообразного сигнала над сигналом ОС, и ширина импульсов увеличится. Всё вышесказанное в определенной мере отражено на графиках.

Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи.

Функциональная схема ШИМ-контроллера на примере TL494, мы рассмотрим его позже подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.

Назначение выводов

Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:

GND – общий вывод соединяется с минусом схемы или с землей.

Uc (Vc) – питание микросхемы.

Ucc (Vss, Vcc) – Вывод для контроля питания. Если питание проседает, то возникает вероятность того, что силовые ключи не будут полностью открываться, а из-за этого начнут греться и сгорят. Вывод нужен чтобы отключить контроллер в подобной ситуации.

Vref – опорное напряжения, обычно соединяется с землей через небольшой конденсатор (единицы микрофарад).

ILIM – сигнал с датчика тока. Нужен для ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной связи.

ILIMREF – на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM

SS – формируется сигнал для мягкого старта контроллера. Предназначен для плавного выхода на номинальный режим. Между ней и общим проводом для обеспечения плавного пуска устанавливают конденсатор.

RtCt – выводы для подключения времязадающей RC-цепи, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.

CLOCK – тактовые импульсы для синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров между собой тогда RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.

EAOUT или Error Amplifier Output рус. Выход усилителя ошибки. Не смотря на то, что есть входы усилителя ошибки и с их помощью, в принципе можно регулировать выходные параметры, но контроллер довольно медленно на это реагирует. В результате медленной реакции может возникнуть возбуждение схемы, и она выйдет из строя. Поэтому с этого вывода через частотозависимые цепи подают сигналы на INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.

Примеры реальных устройств

Для закрепления информации давайте рассмотрим несколько примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Мы будем делать это на примере двух микросхем:

TL494 (её аналоги: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

Они активно используются в блоках питания для компьютеров. Кстати, эти блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и больше по 12В шине). Часто используются в качестве донора для переделки под лабораторный блок питания или универсальное мощное зарядное устройство, например для автомобильных аккумуляторов.

TL494 – обзор

Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:

В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:

1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки

2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки

3. Вход обратной связи

4. Вход регулировки мертвого времени

5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора

6. Вывод для подключения времязадающего резистора

7. Общий вывод микросхемы, минус питания

8. Вывод коллектора первого выходного транзистора

9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора

10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора

11. Вывод коллектора второго выходного транзистора

12. Вход подачи питающего напряжения

13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы

14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт

15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки

16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

На рисунке ниже изображен пример компьютерного блока питания на этой микросхеме.

Другой популярной ШИМ является микросхема 3843 – на ней также строятся компьютерные и не только блоки питания. Её цоколевка расположена ниже, как вы можете наблюдать, у неё всего 8 выводов, но функции она выполняет те же, что и предыдущая ИМС.

Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, но встречаются гораздо реже. Обратите внимание на маркировку – дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).

Расшифруем назначением выводов:

1. Вход компаратора (усилителя ошибки).

2. Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.

3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.

4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.

6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.

7. Напряжение питания микросхемы.

8. Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА).

Её внутренняя структура.

Можно убедится, что во многом похожа и на другие ШИМ-контроллеры.

Простая схема сетевого источника питания на UC3842

Явно полезное:

ШИМ со встроенным силовым ключем

ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключем используются как в трансформаторных импульсных блоках питания, так и в бестрансформаторных DC-DC преобразователях понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.

Пожалуй, одним из наиболее удачных примеров будет распространенная микросхема LM2596, на базе которого на рынке можно найти массу таких преобразователей, как изображен ниже.

Такая микросхема содержит в себе все вышеописанные технические решения, а также вместо выходного каскада на маломощных ключах в ней встроен силовой ключ, способный выдержать ток до 3А. Ниже изображена внутренняя структура такого преобразователя.

Можно убедиться, что в сущности особых отличий от рассмотренных в ней нет.

А вот пример трансформаторного блока питания для светодиодной ленты на подобном контроллере, как видите силового ключа нет, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отсюда следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и гибкость TL494 просто не нужна. Это справедливо для маломощных блоков питания, где нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации можно погасить LC-фильтром. Это блок питания для светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.

Заключение

В начале статьи было сказано о том, что ШИМ-контроллер это устройство которое моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширина импульсов на основании сигнала с цепи обратной связи. Отмечу, что названия и классификация у каждого автора часто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют простой ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей семейство электронных микросхем называют «Интегральная подсистема для импульсных стабилизированных преобразователей». От названия суть не меняется, но возникают споры и недопонимания.

Источник

Электроника для всех

Блог о электронике

Основы на пальцах. Часть 4

Но диоды, резисторы, транзисторы и конденсаторы это так, лишь обвязка. Особо на них не развернешься (нет, маньяки, конечно могут, но габариты устройств там будут феерические). Самое вкусное нас поджидает в микросхемах 🙂
Делятся они на цифровые и аналоговые. Для начала кратко пробегусь по цифровым микросхемам.

Миром правит цифра!

Во избежания путаницы смыслов, в терминологии ключей и транзисторов принято следующее соглашение. Ключ считается открытым или закрытым для протекания тока, как кран на трубе. С точки зрения же механического исполнения он может быть замкнут или разомкнут. Так что открыт = замкнут, закрыт = разомкнут. И не следует путать с англоязычной нотацией, где Open = открыт если речь идет о транзисторе или электронном ключе и Open = разомкнут если речь идет о механическом рубильнике. Там Open-Close следует рассматривать в общем контексте текущего случая. Велик и могуч русский язык! =)

О микросхемах дискретной логики И, ИЛИ, НЕ я рассказывать не буду, каждую описать, так это справочник не на одну сотню страниц будет. Да и постепенно они уходят в прошлое, вытесняемые контроллерами и программируемыми матрицами. Скажу лишь главное – работают они по жесткой таблице истинности, которую можно найти в соответствующем datasheet.

Испльзование операционных усилителей

Если от операционного усилителя надо получить усиление, то нужно как то обуздать его бешеный коэффициент. Для этого ему добавляют отрицательную обратную связь. Т.е. берут и с выхода подают сигнал на отрицательный вход, подмешивая его к основному входному сигналу. В итоге, выходной сигнал вычитается из входного. А коэффициент усиления становится равным отношению резисторов на входе и выходе (смотри схему).

Но это далеко не все фишки которые умеет делать операционный усилитель. Если в обратную связь сунуть конденсатор, то получим интегратор, выдающий на выходе интеграл от функции входного сигнала. А если скомбинировать конденсатор с резистором, да индуктивность на вход… В общем, тут можно книгу писать, а занимается этими занятными процессами отдельная наука – автоматическое управление. Кстати, именно на операционных усилителях сделаны аналоговые компьютеры, считающие дифференциальные уравнения с такой скоростью, что все цифровые компы нервно курят в уголке.

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

Источник

Подробнее о ШИМ контроллерах

Микросхем ШИМ очень большое разнообразие. Но принцип действия у всех одинаков. На схемах он часто называется PWM.

Наиболее популярные корпуса это DIP-8 и TO-220

Основные отличия ШИМ контроллеров:
1. Тип корпуса
2. Распиновка
3. Мощность
4. Частота работы

Схемы включения:
1. На примере Viper22

2. На примере DM311:

Второй вывод первичной идет на DRAIN 6,7,8
Минусовой общий провод на первый вывод
Второй вывод на VDD
Третий вывод это FB
Четвертый вывод это через обвязочный резистор на корпус.
Пятый вывод стартового питания бывает идет с плюса после входного кондера через резисторы. А бывает он запитывается с переменочки перед диодным мостом, через дополнительный диод и резисторы.
Часто бывает, что резистор или диод на стартовом питании вылетают и ШИМ не запускается.

3.Пример ШИМ на микросхеме STR A6252

4. Микросхема FSDM0565R

При подборе аналога, надо ставить микросхему не слабее по мощности и с такой же частотой.

Если у Вас есть, что-то дополнить или исправить, пишите комментарий 🙂

Часто встречающиеся микросхемы:
1. Viper22
2. FSDM311
3. FSDH321
4. STR A6252

Подбор микросхемы ШИМ:
Если при ремонте, микросхему до Вас кто-то выпаял или она расколота и затруднительно её опознать, то можно воспользоваться специальным сервисом по опознанию микросхем. В этом сервисе необходимо ввести данные о том какие дорожки к каким выводам микросхемы на плате подходят.

Таблица есть на сайте. http://remont-aud.net/ic_power/ Там же есть каталог аналогов и схемы включения.

Если мы подобрали по частоте, мощности и распиновке аналогичную микросхему, но у новой есть стартовое питание, а у старой нет, то надо посмотреть схему включения и возможно подать плюс через резистор на стартовое питание новой микросхемы.

Источник

GPIO выход в режиме OpenDrain

Читая даташит при подготовке схемы я напоролся на интересный момент. Есть выводы которые можно использовать в режиме OpenDrain (т.е. открытый сток). Для тех кто не врубился — СТМ32 питается максимум 3.3В (3.6В вообще-то, но интегральный стабилизатор проще найти на 3.3). Большинство логики работает на 5В (так и у меня — плата с МК отдельно, а основная плата уже есть). Как бы тут сильно экономится кол-во элементов для согласования уровней (будь это специализированная микросхема или транзистор). Я довольный, с расчетом на это поставил резисторы подтяжки к +5В.
При заводке выяснилось что OpenDrain не такой уж хороший…

Даташит обещает нереальное счастье, и предлагает вот такую картинку:

В даташите написано что P-MOS транзистор в режиме OpenDrain отключается напрочь. Соответственно навешиваем резистор 10К на +5В и вроде профит…
Немного тонкости задачи: у меня кучка входов (реально кучка) которые надо периодически опрашивать, я не стал «городить городки» на матричных считывателях а поставил регистры 74HC165 и периодически их опрашивая имею на входе некую последовательность бит, которую кастанув к структуре можно крутить и вертеть как удобно. Соответственно мне для управления надо 5В для гарантии (при 3.3 В тоже работает, но об этом позже).
Пробуем настроить:

Дальше битбанг в виде цикла с клоками и считываем данные. Отладчик показал что считываем мы постоянно единички. Ясно, что-то не так — лезем осциллом. И ничего не видим. Вернее видим, но явно не то что хотели.
Смотрим осциллом по выходам (в частности клок):

Если честно у меня сперва был ступор. Потом я посмотрел крупнее — стало видно затянутый передний фронт — понятно. Скорость нарастания выходного сигнала плохая. Ставим задержки в ПО (надо же выяснить насколько все плохо). Получаем следующую картинку:

Как бы сдвиговые регистры нормально реагируют на клоки длительностью 10-50 нСек, и задержка в виде 2 мкСек на каждый клок, как-то не очень…
Крутил настройки по-разному — толку нет. Передний фронт плохой. Кроме того, если посмотреть на вторую осциллограмму — видно в верхней части сигнала горизонтальную ступеньку — это сработал защитный диод на VFT (около 4 Вольт). С этого момента МК начинает греться (несильно, но греется).
Попытка уменьшить подтяжку с 10К до 5К каких-либо положительных результатов не принесла. Уменьшать дальше — не вижу смысла — растет потребление тока.

В финальной версии буду городить городки на транзисторах или на микросхемах — для согласования уровней.

Для входа такой проблемы нет — все нормально работает.

Резюмирую — на больших частотах использование OpenDrain не представляется возможным (если кто выяснит обратное — прошу комментить — ибо удобно, но не в таком виде как оно есть сейчас). Толерантность входов к 5 вольтам подтверждается.

Источник

ШИМ контроллер

ШИМ контроллер, он же PWM служит для генерации нужного импульса. Сама же аббревиатура ШИМ означает ни что иное, как широтно-импульсная модуляция. От сюда мы с вами делаем заключение, о том, что контроллер, называемый «ШИМом» служит для создания импульса.

Иными словами, шим — это модулятор, который управляет длиной импульса, который подается на первичную обмотку трансформатора.

ШИМ контроллер собственно и управляет шириной (длительностью импульса).

Работает такой контроллер на частоте от 50 до 150 кГц.

Выводы ШИМ контроллера

GND — общий ( ground ) — Земля

FB — Обратная связь ( Feedback )

GATE —

VDD — Питание ШИМ. Браться оно может как с первичной, так и со второй обмотки. ( Vdd — Voltage drain drain )

SENSE

V_FB — FB — Обратная связь ( Feedback )

GATE —

I_SENSE — SENSE

OUT — Выход HO и LO название для полумостовых схем (Используется только в микросхемах, без встроенного транзистора).

V_cc — Напряжение питания

V_s — Стартовое питание (не у всех микросхем имеется. Питание идет либо со вторичной либо с первичной цепи, через диод и резистор).

U₁ — VDD — Питание ШИМ. Браться оно может как с первичной, так и со второй обмотки. ( Vdd — Voltage drain drain )

Шим-контроллер может управлять обычным транзистором, так же существуют ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключом.

ШИМ-контроллер со встроенным силовым ключом