Tl494 с одним усилителем ошибки

1 Характеристики

• Готовый ШИМ — контроллер
• Незадействованные выводы для 200 мА приемника или источника тока
• Выбор однотактного или двухтактного режима работы
• Внутренняя схема запрещает двойной импульс на выходе
• Изменяемое время задержки обеспечивает контроль всего спектра
• Встроенный  стабилизатор выдает 5 В опорного напряжения с допуском 5%
• Архитектура микросхемы позволяет легко синхронизироваться

2 Применение

• Настольные ПК
• Микроволновые печи
• Источники питания: AC/DC; изолированный; с коррекцией коэффициента мощности; >90 Вт
• Серверы БП
• Солнечные микро-преобразователи
• Стиральные машины классов : Low-End и High-End
• Электровелосипеды
• Источники питания: AC/DC; изолированный; без коррекции коэффициента мощности; <90 Вт
• Датчики дыма
• Преобразователи в солнечной энергетике

3 Описание

TL 494 включает в себя все функции необходимые для построения  схемы управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на одном кристалле. Предназначенная в основном для управления питанием, она  позволяет адаптировать схему к конкретному применению. TL 494 содержит два усилителя ошибки, внутренний регулируемый генератор, компаратор управления длительностью мертвого времени (DTC),  импульсно управляемый переключатель, источник опорного напряжения 5В ± 5%, контроль выходной цепи.

Усилители ошибки выдают синфазное напряжение в диапазоне -0.3 В до Vcc — 2 В. Компаратор мертвого времени имеет фиксированное смещение, что дает 5% временную задержку. Внутренний генератор можно обойти путем отключения вывода RT и подключения пилообразного напряжения к CT, что применяется для общих цепей в синхронизации источников питания.

Независимые выходные формирователи на транзисторах дают возможность подключать нагрузку по схеме с общим эмиттером либо по схеме эмиттерного повторителя. Выходной каскад микросхем TL493/4/5 работает в однотактном или двухтактном режиме с возможностью выбора режима с помощью специального входа. TL494 может работать в однотактном и двухтактном режиме. Архитектура устройства не дает возможности подачи двойного импульса в двухтактном режиме.

TL494C  может работать в диапазоне температур от 0°C до 70°C. TL494I работает в диапазоне температур от –40°C до 85°C.

Серийный номер	Корпус(кол-во выводов)	Размеры
TL 494	SOIC (16)	9.90 мм × 3.91 мм
PDIP (16)	19.30 мм × 6.35 мм
SOP (16)	10.30 мм × 5.30 мм
TSSOP (16)	5.00 мм × 4.40 мм

4 Расположение и назначение выводов

Вывод	Тип	Описание
Название	Номер
1IN+	1	I	Неинвертирующий вход усилителя ошибки 1
1IN-	2	I	Инвертирующий вход усилителя ошибки 1
2IN+	16	I	Неинвертирующий вход усилителя ошибки 2
2IN-	15	I	Инвертирующий вход усилителя ошибки 2
C1	8	O	Коллектор Биполярного Плоскостного Транзистора (БПТ) 1
C2	11	O	Коллектор БПТ 2
CT	5	—	Вывод для подключения конденсатора для установки частоты генератора
DTC	4	I	Вход компаратора мертвого времени
E1	9	O	Эмиттер БПТ 1
E2	10	O	Эмиттер БПТ 2
FEEDBACK	3	I	Вывод для обратной связи
GND	7	—	Общий
OUTPUT CTRL	13	I	Выбор режима работы
REF	14	O	Опорное напряжение 5В
RT	6	—	Вывод для подключения резистора для установки частоты генератора
VCC	12	—	Напряжение питания (+)

5 Спецификация

5.1 Абсолютные максимальные значения

	Мин.	Макс.	Ед. Изм.
VCC  Напряжение питания		41	В
VI       Напряжение на входе усилителя		VCC + 0.3	В
VO     Напряжение на коллекторе		41	В
IO       Ток коллектора		250	мА
Температура припоя 1,6 мм в течении 10 сек.		260	°C
Tstg   Температура хранения	–65	150	°C

5.2 Значения электростатического заряда

	Макс.	Ед. изм.
V(ESD) Электростатический заряд	Модель человеческого тела (HBM), посредством ANSI/ESDA/JEDEC JS-001, все выводы	500	В
Модель заряда на устройстве (CDM), посредством JEDEC спецификации JESD22-C101, все выводы	200	В

5.3 Рекомендуемые рабочие значения

	Мин.	Макс.	Ед. Изм.
VCC  Напряжение питания	7	40	В
VI       Напряжение на входе усилителя	-0,3	VCC – 2	В
VO     Напряжение на коллекторе		40	В
Ток коллектора (каждого транзистора)		200	мА
Ток обратной связи		0,3	мА
fOSC Частота генератора	1	300	кГц
CT       Емкость конденсатора генератора	0,47	10000	нФ
RT     Сопротивление резистора генератора	1,8	500	кОм
TA       Рабочая температура на открытом воздухе	0	70	°C
-40	85	°C

5.4 Тепловые характеристики

В рабочем диапазоне температур на открытом воздухе

Параметр	TL494	Ед. изм.
D	DB	N	NS	PW
RθJA Полное тепловое сопротивление для корпуса	73	82	67	64	108	°C/Вт

5.5 Электрические характеристики

В рабочем диапазоне температур на открытом воздухе, V_CC = 15 В, f = 10 кГц

Параметр	Условия испытаний(1)	TL494C, TL494I	Ед. изм
Мин.	Тип.(2)	Макс.
Выходное напряжение (REF)	IO = 1 мА	4.75	5	5.25	В
Стабилизация на входе	VCC от 7 В до 40 V		2	25	мВ
Стабилизация на выходе	IO от 1 мА до 10 мА		1	15	мВ
Изменение выходного напряжения при температуре	ΔTA от MIN до MAX		2	10	мВ/В
Выходной ток короткого замыкания(3)	REF = 0 V		25		мА

(1) Для условий указанных как MIN или MAX используются соответствующие значения, указанные в рекомендуемых условиях эксплуатации.

(2) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

(3) Продолжительность короткого замыкания не должна превышать одну секунду.

5.6 Электрические характеристики генератора

C_T = 0,01 мкФ, R_T = 12 кОм

Параметр	Условия испытаний(1)	TL494C, TL494I	Ед. изм.
Мин.	Тип.(2)	Макс.
Частота			10		кГц
Стандартное отклонение частоты(3)	Все значения VCC, CT, RT, и TA постоянны		100		Гц/кГц
Изменение частоты от напряжения	VCC от 7 В до 40 В, TA = 25°C		1		Гц/кГц
Изменение частоты от температуры(4)	ΔTA  —  от MIN до MAX			10	Гц/кГц

(1) Для условий указанных как MIN или MAX используются соответствующие значения, указанные в рекомендуемых условиях эксплуатации.

(2) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

(3) Стандартное отклонение является мерой статистического распределения относительно среднего рассчитанного по формуле:

(4) Температурный коэффициент конденсатора и резистора не учитываются.

5.7 Электрические характеристики усилителя ошибки

Параметр	Условия испытаний	TL494C, TL494I	Ед. изм.
Мин.	Тип.(1)	Макс.
Входное напряжение смещения	VO (FEEDBACK) = 2.5 В		2	10	мВ
Входной ток смещения	VO (FEEDBACK) = 2.5 В		25	250	нА
Входной ток смещения	VO (FEEDBACK) = 2.5 В		0.2	1	мкА
Диапазон входного напряжения	VCC от 7 В до 40 В	-0.3 до VCC – 2			В
Коэффициент усиления разомкнутой цепи	ΔVO = 3 В, VO = 0.5 В — 3.5 В, RL = 2 кОм	70	95		dB
Полоса пропускания	ΔVO = 3 В, VO = 0.5 В — 3.5 В, RL = 2 кОм		800		кГц
Коэффициент подавления синфазных сигналов	ΔVO = 40 В, TA = 25°C	65	80		dB
Выходной ток приемника(FEEDBACK)	VID = –15 мВ до –5 В, V (FEEDBACK) = 0.7 В	0.3	0.7		мА
Выходной ток источника(FEEDBACK)	VID = 15 мВ до  5 В, V (FEEDBACK) = 3.5 В	-2			мА

(1) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

5.8 Выходные электрические характеристики

Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.(1)	Макс.	Ед. изм.
Ток коллектора в закрытом состоянии	VCE = 40 В, VCC = 40 В		2	100	мкА
Ток эмиттера в закрытом состоянии	VCC = VC = 40 В, VE = 0			-100	мкА
Напряжение насыщения коллектор — эмиттер	Общий эмиттер	VE = 0,  IC = 200 мА		1.1	1.3	В
Эмиттерный повторитель	VO(C1 или C2) = 15 В, IE = –200 мА		1.5	2.5
Выходной контроль входного тока	VI = Vref			3.5	мА

(1) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

5.9 Электрические характеристики управления длительностью мертвого времени

См. Рисунок 5

Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.(1)	Макс.	Ед. изм.
Входной ток смещения (DEAD-TIME CTRL)	VI от 0 до 5.25 В		-2	-10	мкА
Максимальная скважность импульсов на каждом выходе	VI (DEAD-TIME CTRL) = 0, CT = 0.01 мкФ, RT = 12 кОм		45%		—
Входное пороговое напряжение (DEAD-TIME CTRL)	Нулевой коэффициент заполнения		3	3.3	В
Максимальный коэффициент заполнения	0

(1) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

5.10 Электрические характеристики ШИМ — компаратора

См. Рисунок 5

Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.(1)	Макс.	Ед. изм.
Входное пороговое напряжение (FEEDBACK)	Нулевой коэффициент заполнения		4	4.5	В
Входной ток приемника (FEEDBACK)	V (FEEDBACK) = 0.7 В	0.3	0.7		мА

(1) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

5.11 Общие электрические характеристики устройства

Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.(1)	Макс.	Ед. изм.
Ток потребляемый в режиме ожидания	RT = Vref, Все остальные входы и выходы отключены	VCC = 15 В		6	9	мА
VCC = 40 В		10	15
Средний потребляемый ток	VI (DEAD-TIME CTRL) = 2 В,		7.5		мА

(1) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

5.12 Коммутационные характеристики

T_A = 25°C

Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.(1)	Макс.	Ед. изм.
Время нарастания	Схема с общим эмиттером		100	200	нс
Время спада		25	100	нс
Время нарастания	Схема эмиттерного повторителя		100	200	нс
Время спада		40	100	нс

(1) Все типичные значения, за исключением изменения параметров температуры, установлены при T_A = 25°C.

5.13 Типовые характеристики

Рис. 1 Частота колебаний генератора и ее отклонение от сопротивления резистора генератора	Рис. 2 Усиление напряжения от частоты
Рис. 3 Усилитель ошибки — передаточные характеристики	Рис. 4 Усилитель ошибки — график Боде

6 Измеряемые параметры

Рис. 5 Проверка работы цепи и осциллограммы

Рис. 6 Характеристики усилителя

Прим. А: C_L включает датчик и управляющую емкость

Рис. 7 Схема включения с общим эмиттером

Прим. А: C_L включает датчик и управляющую емкость

Рис. 8 Схема включения эмиттерного повторителя

Описание работы

Обзор

TL494 не только включает в себя основные блоки, необходимые для управления импульсным источником питания, но также решает многие основные проблемы и уменьшает количество дополнительных схем, требуемых при проектировании устройства. TL494 — это схема управления с фиксированной частотой и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Модуляция выходных импульсов осуществляется путем сравнения пилообразного сигнала, создаваемого внутренним генератором на синхронизирующем конденсаторе (CT), с любым из двух управляющих сигналов. Выходной каскад включается в то время, когда пилообразное напряжение больше сигналов управления напряжением. По мере увеличения управляющего сигнала время, в течение которого пилообразный вход больше, уменьшается; следовательно, длительность выходного импульса уменьшается. D-триггер управления импульсом поочередно направляет модулированный импульс на каждый из двух выходных транзисторов. Для получения дополнительной информации о работе TL494 см. Примечания по применению, расположенные на ti.com.

Функциональная блок-схема

Источник опорного напряжения

TL494 имеет внутренний источник опорного напряжения 5 В на выводе REF. Помимо получения опорного напряжения он дает питание логике управления, D-триггеру, генератору, компаратору мертвого времени, компаратору ШИМ. В стабилизаторе используется схема с плавно изменяющейся запрещенной зоной в качестве основного эталона для поддержания тепловой стабильности на уровне менее 100 мВ в рабочем диапазоне температур воздуха от 0 ° C до 70 ° C. Защита от короткого замыкания нужна, чтобы защитить источник опорного напряжения; для дополнительных цепей смещения доступен ток нагрузки 10 мА. Значение внутренне запрограммировано на начальную точность ± 5% и поддерживает стабильность изменения менее 25 мВ в диапазоне входного напряжения от 7 В до 40 В. Для входных напряжений менее 7 В стабилизатор насыщается в пределах 1 В на входе и отслеживает его.

Генератор

Генератор обеспечивает положительную пилообразную форму волны компараторам мертвого времени и ШИМ для сравнения с различными управляющими сигналами.

Частота сигнала выдаваемого генератором задается значениями сопротивления и емкости компонентов R_T и С_Т. Генератор заряжает конденсатор С_Т постоянным током, величина которого задается сопротивлением резистора R_T. Когда напряжение на конденсаторе С_Т достигнет 3 В, схема генератора разряжает его, и цикл зарядки возобновляется. Зарядный ток определяется по формуле:

I_charge = 3 В/ R_T                                                  (1)

Период пилообразного сигнала можно рассчитать по формуле :

Т = (3 В×С_Т)/I_charge                                     (2)

Частота сигнала от генератора:

f_OSC = 1/(R_T×C_T)                                            (3)

В двухтактном режиме частота на выходе будет равняться половине частоты генератора.

Однотактный режим:

f = 1/(R_T×C_T)

Двухтактный режим:

f = 1/(2R_T×C_T)

Управление временем задержки (мертвым временем)

Вход управления мертвым временем задает минимальное мертвое время (время отключения). Выход компаратора запрещает переключение транзисторов Q1 и Q2, когда напряжение на входе больше, чем линейное напряжение генератора. Внутреннее смещение 110 мВ обеспечивает минимальное мертвое время ~ 3%, когда вывод DTC подключен к земле. При подаче напряжения на вывод DTC длительность мертвого времени увеличивается. Это дает возможность линейно изменять длительность мертвого времени от минимума 3% до 100% при изменении входного напряжения от 0 В до 3,3 В соответственно. Благодаря полнодиапазонному управлению выходом можно управлять от внешних источников без нарушения работы усилителей ошибок. Вход управления мертвым временем DTC является входом с относительно высоким импедансом (I_I < 10 мкА) и должен использоваться там, где требуется дополнительное управление коэффициентом заполнения. Для правильного управления этот вывод должен быть подключен для управления либо подтянут к плюсу питания либо к земле. Обрыв цепи в таком случае даст неопределенное состояние.

Компаратор

Компаратор имеет смещение относительно источника опорного напряжения. Это обеспечивает изоляцию от входного источника питания для повышения стабильности. Вход компаратора не имеет гистерезиса, поэтому должна быть предусмотрена защита от ложного срабатывания вблизи порога переключения. Компаратор имеет время отклика 400 нс от любого из входов управляющего сигнала к выходным транзисторам с перегрузкой всего 100 мВ. Это обеспечивает положительный контроль выхода в пределах половины цикла для работы в рекомендованном диапазоне 300 кГц.

Широтно-импульсная модуляция ШИМ

Компаратор также управляет шириной выходного импульса. Для этого линейно нарастающее напряжения на синхронизирующем конденсаторе CT сравнивается с управляющим сигналом, присутствующим на выходе усилителей ошибки. Вход CT подключается через последовательный диод, который отсутствует на входе управляющего сигнала. Для этого требуется, чтобы управляющий сигнал (выход усилителя ошибки) был на ~ 0,7 В больше, чем напряжение на выводе CT, чтобы подавить выходную логику, и обеспечить работу с максимальным коэффициентом заполнения, не требуя понижения управляющего напряжения до истинного потенциала земли. Ширина выходного импульса изменяется от 97% периода до 0, так как напряжение на выходе усилителя ошибки изменяется от 0,5 В до 3,5 В соответственно.

Усилители ошибки

Оба усилителя ошибки с высоким коэффициентом усиления получают напряжение смещения от шины питания V_I. Это позволяет использовать синфазное входное напряжение в диапазоне от –0,3 В до 2 В ниже V_I. Оба усилителя ведут себя как несимметричные усилители с однополярным питанием, поскольку каждый выход активен только на высоком уровне. Это позволяет каждому усилителю работать независимо при уменьшении требуемой ширины выходного импульса. Когда оба выхода соединены по логике ИЛИ на инвертирующем входе компаратора ШИМ, доминирует усилитель, требующий минимального выходного импульса. Выходы усилителя подтянуты к низкому уровню генератором тока, чтобы обеспечить максимальную ширину импульса, когда оба усилителя отключены.

Управление выходом (OUTPUT CTRL)

Вывод OUTPUT CTRL определяет, работают ли выходные транзисторы параллельно или в в двухтактном режиме. Этот вход является источником питания для D-триггера. Вывод OUTPUT CTRL является асинхронным и управляет напрямую выходом, независимо от генератора или D-триггера. Входные условия должны быть четко зафиксированы, определяемым применением. Для параллельной работы выходных транзисторов OUTPUT CTRL должен быть заземлен. При этом отключается D-триггер и его выходы. В этом режиме импульсы, наблюдаемые на выходе компаратора мертвого времени / ШИМ, передаются обоими выходными транзисторами параллельно. Для двухтактного режима вывод OUTPUT CTRL должен быть соединен с источником опорного напряжения 5 В. В этом состоянии каждый из выходных транзисторов поочередно активируется D-триггером.

Выходные транзисторы

В TL494 имеются два выходных транзистора. Оба транзистора сконфигурированы как открытый коллектор / открытый эмиттер, и каждый может потреблять или потреблять до 200 мА. Транзисторы имеют напряжение насыщения менее 1,3 В в конфигурации с общим эмиттером и менее 2,5 В в конфигурации эмиттерного повторителя. Выходы защищены от перегрузки, чтобы предотвратить выход из строя, но не имеют достаточного ограничения тока, чтобы позволить им работать как выходы источника тока.

Функциональные режимы устройства

Когда вывод OUTPUT CTRL подключен к земле, TL494 работает в однотактном или параллельном режиме. Когда вывод OUTPUT CTRL подтянут к V_REF, TL494 работает в обычном двухтактном режиме.

Применение

В следующем примере TL494 используется для создания источника питания 5 В / 10 А. Эта схема была взята из примечания к приложению SLVA001.

• V_I = 32 В
• V_O = 5 В
• I_O = 10 A
• f_OSC = 20 кГц частота генератора
• V_R = 20 мВ размах напряжения (V_RIPPLE)
• ΔI_L = 1.5 A изменение тока индуктивности

Этапы проектирования подробно

Источник питания

В источнике постоянного тока 32 В для этого блока питания используется трансформатор с входным напряжением на 120 В и выходным на 24 В номинальной мощностью 75 ВА. Вторичная обмотка 24 В питает двухполупериодный мостовой выпрямитель, за которым следует токоограничивающий резистор (0,3 Ом) и два фильтрующих конденсатора (см. Рисунок 10).

Выходной ток определяется по формулам 6 и 7:

V_RECTIFIER = V_SECONDARY × √2 = 24 В × √2 = 34 В      (6)

I_{RECTIFIER(AVG)} ≈ (V_O × I_O)/ V_I ≈ (5 В × 10 А)/ 32 В = 1.6 А              (7)

Двухполупериодный мостовой выпрямитель 3 A / 50 В удовлетворяет этим расчетным условиям. На Рисунке 9 показаны секции переключения и управления.

Цепи управления

Генератор

Подключение внешнего конденсатора и резистора к выводам 5 и 6 задает частоту генератора TL494. Генератор настроен на работу на частоте 20 кГц с использованием значений компонентов, рассчитанных по формулам 8 и 9:

f_OSC = 1/(R_T×C_T)                                                  (8)

Выберем C_T = 0,001 мкФ и рассчитаем RT:

R_T = 1/(f_OSC×C_T)   = 1/((20 × 10³)×(0,001 × 10^-6)) = 50 кОм               (9)

Усилитель ошибки

Усилитель ошибки сравнивает сигнала с эталоном от источника опорного напряжения 5В и регулирует ШИМ для поддержания постоянного выходного тока (см. Рисунок 11).

Напряжение в 2,5 В формируется делителем на резисторах R3 и R4 от источника опорного напряжения V_REF = 5 В. Сигнал ошибки  выходного напряжения в 2,5 В также формируется делителем на резисторах R8 и R9. Если выходной сигнал должен быть установлен точно на уровне 5,0 В, для регулировки можно использовать потенциометр 10 кОм вместо резистора R8.

Чтобы повысить стабильность схемы усилителя ошибки, выходной сигнал усилителя ошибки подается обратно на инвертирующий вход через через резистор R7, уменьшая коэффициент усиления до 101.

Токоограничивающий усилитель

Источник питания был рассчитан на ток нагрузки 10 А и реактивный ток I_L 1,5 А, поэтому ток короткого замыкания должен быть:

I_SC = I_O + I_L/2 = 10,75 А                                                        (10)

Схема ограничения тока показана на Рисунке 12.

Резисторы R1 и R2 задают опорное напряжение приблизительно 1 В на инвертирующем входе усилителя ограничения тока. Резистор R13, включенный последовательно с нагрузкой, подает 1 В на неинвертирующий вход токоограничивающего усилителя, когда ток нагрузки достигает 10 А. Ширина выходного импульса соответственно уменьшается. Значение R13 рассчитывается по формуле 11.

R13 = 1В / 10А = 0,1 Ом                             (11)

Плавный пуск и мертвое время

Чтобы снизить нагрузку на переключающие транзисторы во время запуска, необходимо уменьшить пусковой выброс, возникающий при заряде конденсатора выходного фильтра. Наличие управления мертвым временем делает реализацию схемы плавного пуска относительно простой (см. Рисунок 13).

Схема плавного пуска позволяет медленно увеличивать ширину импульса на выходе (см. Рисунок 13), подавая сигнал с отрицательной крутизной на вход DTC (вывод 4).

В момент включения конденсатор C2 имеет минимальное сопротивление поэтому подтягивает вход DTC к источнику опорного напряжения 5 В, который отключает выходы (100% мертвое время). По мере того как конденсатор заряжается через R6, ширина выходного импульса медленно увеличивается, пока контур управления не примет команду. При соотношении резисторов 1:10 для R6 и R7 напряжение на выводе 4 после запуска составляет 0,1 × 5 В,
или 0,5 В.

Время плавного пуска обычно находится в диапазоне от 25 до 100 тактов. Если выбрано 50 тактов при частоте переключения 20 кГц, время плавного пуска будет:

t = 1/f = 1 / 20 кГц = 50 мкс на такт                            (12)

С2 = (время плавного пуска) / R6 = (50 мкс × 50 тактов) / 1 кОм = 2,5 мкФ (13)

Это помогает устранить любые ложные сигналы, которые могут создаваться схемой управления при подаче питания.

Расчет индуктивности

Используемая схема подключения показана на рисунке 14.

Необходимое значение индуктивности L рассчитывается по формулам:

d = коэффициент заполнения = V_O/V_I = 5 В/32 В = 0.156 

f = 20 кГц (цель проектирования)

t_on = время включения (S1 замкнут) = (1/f) × d = 7.8 мкс

t_off = время выключения (S1 разомкнут) = (1/f) – t_on = 42.2 мкс

L ≈ (V_I – V_O ) × t_on/ΔI_L ≈ [(32 В – 5 В) × 7.8 мкс ]/1.5 A ≈ 140.4 мкГн

Расчет выходной емкости

После расчета индуктивности фильтра рассчитывается емкость конденсатора выходного фильтра для удовлетворения требований к пульсациям на выходе. Электролитический конденсатор можно смоделировать как последовательно соединенные индуктивность, сопротивление и емкость. Чтобы обеспечить хорошую фильтрацию, частота пульсаций должна быть намного ниже частот, при которых последовательно подключенная индуктивность становится значимой. Итак, два интересующих компонента — это емкость и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Максимальное значение ESR рассчитывается в соответствии с соотношением между заданным размахом пульсаций напряжения и размахом пульсаций тока.

ESR(max) = ΔV_O(ripple) / ΔI_L = 0.1 В / 1.5 A ≈ 0.067 Ом     (14)

Минимальная емкость C3, необходимая для поддержания пульсаций напряжения V_O на уровне менее 100 мВ, рассчитывается в соответствии с уравнением 15:

C3 = ΔI_L / 8fΔV_O = 1.5 А / (8 × 20 × 103 × 0.1 В) = 94 мкФ    (15)

Выбран конденсатор на 220 мФ, 60 В, потому что он имеет максимальное значение ESR 0,074 Ом и максимальный ток пульсаций 2,8 А.

Расчет мощности для транзисторного ключа

Мощный транзисторный ключ был построен с применением в качестве управляющего транзистора NTE153 pnp и выходного транзистора npn NTE331. Они образуют собой составной транзистор Дарлингтона (см. Рисунок 15).

h_FE (Q1) при I от 3 A = 15                    (16)

h_FE (Q2) при I от 10 A = 5                    (16)

(18)

Значение R10 рассчитывается по формуле:

(19)

R10 ≤  207 Ом 

На основании этих расчетов для R10 было выбрано ближайшее стандартное сопротивление резистора 220 Ом. Резисторы R11 и R12 позволяют разрядить носители зарядов в ключах транзисторах, когда они выключены.

Описанный источник питания демонстрирует гибкость схемы управления ШИМ на TL494. Эта конструкция блока питания демонстрирует многие методы управления блоком питания, обеспечиваемые TL494, а также универсальность схемы управления.

График выходных характеристик

Рекомендации по источнику питания

TL494 спроектирован для работы от питающего напряжения в диапазоне от 7 В до 40 В. Это напряжение должно хорошо стабилизироваться. Если источник питания расположен на расстоянии более нескольких дюймов от устройства, может потребоваться дополнительный конденсатор большой емкости в дополнение к керамическим байпасным конденсаторам. Танталовый конденсатор емкостью 47 мкФ будет в этом случае типовым решением, однако он может варьироваться в зависимости от выдаваемой выходной мощности.

Печатная плата

Рекомендации по проектированию печатной платы

Всегда старайтесь использовать индуктивность с низким уровнем электромагнитных помех с ферритовым сердечником закрытого типа. Такими примерами могут быть индуктивности с тороидальным сердечником и сердечником типа E. Открытые сердечники могут использоваться, если они имеют низкие характеристики электромагнитных помех и расположены немного дальше от трасс и компонентов с низким энергопотреблением. Также старайтесь расположить полюса перпендикулярно печатной плате, если используете открытый сердечник. Цилиндрические сердечники обычно издают самый нежелательный шум.

Обратная связь

Постарайтесь проложить трассу обратной связи как можно дальше от катушки индуктивности и зашумленных цепей питания. Старайтесь, чтобы трасса обратной связи была как можно более прямой и широкой. Эти два требования иногда требуют компромисса, но требование держаться подальше от электромагнитных помех катушки индуктивности и других источников шума является более важным из них. Прокладывайте трассу обратной связи на стороне печатной платы, противоположной катушке индуктивности, с земляным полигоном разделяющим их.

Входные / выходные конденсаторы

При использовании небольшого керамического конденсатора для входного фильтра его следует располагать как можно ближе к выводу V_CC микросхемы. Это устранит как можно больше эффектов индуктивности дорожек и обеспечит более чистое напряжение питания внутренней шины микросхемы. Некоторые проекты требуют использования проходного конденсатора, подключенного от выхода к выводу «feedback», как правило, из-за требований к стабильности. В этом случае его также следует расположить как можно ближе к микросхеме. Использование конденсаторов для поверхностного монтажа также уменьшает длину проводов и снижает вероятность попадания шума в действующую антенну, создаваемую выводными компонентами.

Компоненты сглаживающего фильтра

Компоненты сглаживающего фильтра для стабильности также следует размещать рядом с микросхемой. Компоненты для поверхностного монтажа здесь также предпочтительнее по тем же причинам, что и конденсаторы фильтра. Они также не должны располагаться очень близко к катушке индуктивности.

Трассы и земляные полигоны

Сделайте все силовые (сильноточные) трассы как можно более короткими, прямыми и толстыми. На стандартной печатной плате хорошей практикой является создание дорожек с абсолютным минимумом 15 мил (0,381 мм) на ампер. Катушка индуктивности, выходные конденсаторы и выходной диод должны располагаться как можно ближе друг к другу. Это помогает уменьшить электромагнитные помехи, излучаемые цепями питания из-за высоких коммутируемых токов через них. Это также снизит индуктивность и сопротивление выводов, что, в свою очередь, уменьшит всплески шума, звон и резистивные потери, которые вызывают ошибки напряжения. Заземление микросхемы, входные конденсаторы, выходные конденсаторы и выходной диод (если он есть) должны быть подключены как можно ближе друг к другу и непосредственно к шине земли. Также было бы неплохо иметь слой земли с обеих сторон печатной платы. Это также снизит шум за счет уменьшения ошибок контура заземления, а также за счет поглощения большего количества электромагнитных помех, излучаемых катушкой индуктивности. Для многослойных плат с более чем двумя слоями земляной слой может использоваться для разделения слоя питания (где находятся трассы питания и компоненты) и сигнального слоя (где располагаются обратная связь, фильтр и компоненты) для повышения производительности. На многослойных платах потребуется использование переходных отверстий для соединения дорожек и различных слоев. Хорошей практикой является использование одного стандартного перехода на 200 мА тока, если трассе потребуется провести значительный ток от одного слоя к другому. Расположите компоненты так, чтобы петли тока переключения изгибались в одном направлении. В зависимости от способа работы импульсных регуляторов существует два состояния питания. Одно состояние, когда переключатель включен, и одно состояние, когда переключатель выключен. Во время каждого состояния будет токовая петля, созданная силовыми компонентами, которые в это время проводят ток. Расположите силовые компоненты так, чтобы во время каждого из двух состояний токовая петля имелась в одном направлении. Это предотвращает инверсию магнитного поля, полученную от трасс между двумя полупериодами и
снижает излучаемые электромагнитные помехи.

Пример трассировки печатной платы

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Производители

Рассматриваемая микросхема относится к перечню наиболее распространенных и широко применяемых интегральных электронных схем. Предшественником ее была серия UC38хх ШИМ-контроллеров компании Unitrode. В 1999 г. эта фирма была куплена компанией Texas Instruments, и с тех пор началось развитие линейки этих контроллеров, приведшее к созданию в начале 2000-х гг. микросхем серии TL494. Кроме уже отмеченных выше ИБП, их можно встретить в регуляторах постоянного напряжения, в управляемых приводах, в устройствах плавного пуска, – словом везде, где используется ШИМ-регулирование.

Среди фирм, клонировавших данную микросхему, значатся такие всемирно известные бренды, как Motorola, Inc, International Rectifier, Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor. Все они дают подробное описание своей продукции, так называемый TL494CN datasheet.

Документация

Анализ описаний рассматриваемого типа микросхемы от разных производителей показывает практическую идентичность ее характеристик. Объем сведений, приводимых разными фирмами, практически одинаков. Более того, TL494CN datasheet от таких брендов, как Motorola, Inc и ON Semiconductor повторяют друг друга в своей структуре, приводимых рисунках, таблицах и графиках. Несколько отличается от них изложение материала у фирмы Texas Instruments, однако при внимательном его изучении становится ясно, что имеется в виду идентичное изделие.

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.

Состав.

В её составе имеется:

— генератор пилообразного напряжения (ГПН); — компаратор регулировки мертвого времени (DA1); — компаратор регулировки ШИМ (DA2); — усилитель ошибки 1 (DA3), используется в основном по напряжению; — усилитель ошибки 2 (DA4), используется в основном по сигналу ограничения тока; — стабильный источник опорного напряжения (ИОН) на 5В с внешним выводом 14; — схема управления работой выходного каскада.

Потом все её составные части мы конечно рассмотрим и постараемся разобраться, для чего всё это нужно и как всё это работает, но для начала необходимо будет привести её рабочие параметры (характеристики).

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:

1. Напряжение питания: 42 В.
2. Напряжение на коллекторе выходного транзистора: 42 В.
3. Ток коллектора выходного транзистора: 500 мА.
4. Диапазон входного напряжения усилителя: от — 0,3 В до +42 В.
5. Рассеиваемая мощность (при t< 45 °C): 1000 мВт.
6. Диапазон температур хранения: от -55 до +125 °С.
7. 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.

Рекомендуемые рабочие параметры.

Параметры	Мин.	Макс.	Ед. Изм.
VCC Напряжение питания	7	40	В
VI Напряжение на входе усилителя	-0,3	VCC – 2	В
VO Напряжение на коллекторе	40	В
Ток коллектора (каждого транзистора)	200	мА
Ток обратной связи	0,3	мА
fOSC Частота генератора	1	300	кГц
CT Емкость конденсатора генератора	0,47	10000	нФ
RT Сопротивление резистора генератора	1,8	500	кОм
TA Рабочая температура TL494C TL494I	0	70	°C
-40	85	°C

Предельные её характеристики следующие;

Напряжение питания……………………………………………..41В

Входное напряжение усилителя………………………………(Vcc+0.3)В

Выходное напряжение коллектора…………………………..41В

Выходной ток коллектора………………………………………250мА

Общая мощность рассеивания в непрерывном режиме….1Вт

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.

Контроллер ШИМ импульсного блока питания TL494

Микросхема типа TL494CN, выпускае­мая фирмой TEXAS INSTRUMENT (США), выпускается так же фирмой SHARP (Япония) под названием IR3M02, фирмой SAMSUNG (Корея) — КА7500, фирмой FUJITSU (Япония) — МВ3759, так же есть и отечественный аналог — КР1114ЕУ4.

Микросхема широко применяется в импульсных блоках питания, в частности, в блоках питания персональных компью­теров, а так же в DC/DC преобразова­телях.

На рисунке 1 показана цоколевка микросхемы.

Рис. 1

Микросхема специально разработана для управления силовой частью ИБП и содержит в своем составе (рис.2):

Рис. 2

• генератор пилообразного напряжения Oscillator; частота которого определяется номиналами резистора и конденсатора, подключенных к 5-му и 6-му выводам, и рассчитывается по формуле: F=1,1/RtCt
• источник опорного стабилизированного напряжения Reference Regulator (Uref=+5B) с внешним выходом на выводе 14;
• компаратор «мертвой зоны» Deadtime Comparator;
• компаратор ШИМ PWM Comparator;
• усилитель ошибки по напряжению 1;
• усилитель ошибки по сигналу ограни­чения тока 2;
• два выходных транзистора Q1 и Q2 с открытыми коллекторами и эмиттерами;
• динамический двухтактный D-триггер в режиме деления частоты на 2 — Flip-Flop;
• вспомогательные логические элементы;
• источник постоянного напряжения с номиналом 12V;
• источник постоянного тока с номиналом 0,7mA.

ИМС запускается в том случае если на 12-вывод поступает питающее напряже­ние в пределах от +7 до 40V. Выводы 1 и 2 — соответственно прямой и инвертиру­ющий входы усилителя ошибки по сигналу обратной связи. Вывод 4 — вход регули­ровки «мертвой зоны» (это время, когда оба выходных транзистора микросхемы закрыты даже при максимальной потребляемой мощности). Выводы 5 и 6 служат для подключения внешних элемен­тов внутреннего генератора пилообраз­ного напряжения. Вывод 7 — общий, выводы 8 и 9 — коллектор и эмиттер первого транзистора, выводы 11 и 10 — коллектор и эмиттер второго транзистора. Вывод 13 — выбор режима работы (однотактный или двухтактный). Если на этом выводе положительное напряжение 2,4…5V двухтактный режим работы, тран­зисторы Q1 и Q2 открываются поочеред­но, выходные импульсы следуют друг относительно друга со сдвигом по фазе. Если на этом выводе напряжение состав­ляет 0…0,4 V — однотактный режим, при этом транзисторы можно включать парал­лельно для увеличения выходного тока. Вывод 14 — выход опорного напряжения (+5 V) от встроенного стабилизированного источника опорного напряжения, выводы 16 и 15 — соответственно, прямой и инвер­тирующий входы усилителя ошибки по сигналу ограничения тока.

По функциональным узлам, входящим в состав микросхемы, ее можно разделить на аналоговую и цифровую составляю­щие.

К аналоговой составляющей относятся усилители ошибок, компараторы, генера­тор пилообразного напряжения и вспомо­гательные источники.

Все остальные элементы, в том числе и выходные транзисторы следует отнести к цифровой части.

Из временных диаграмм приведенных на рис. 3 видно, что моменты появления выходных управляющих импульсов, а также их длительность определяется состоянием выхода логического элемента D1. Остальная логика выполняет лишь вспомогательную функцию, разделения выходных импульсов на два канала. Оба транзистора имеют открытые коллекторы и эмиттеры, поэтому их можно подключать двояко, как с общим эмиттером, так и с общим коллектором. Триггер Flip-Flop является двухтактным динамическим D-триггером. Принцип его работы в следую­щем. Каждый из выходных импульсов элемента D1 своим отрицательным фронтом переключает триггер и этим меняет канал прохождения следующего импульса, т. е . исключает появление двух отпирающих импульсов за один период работы.

Рис. 3

Типовая схема импульсного DC/DC преобразователя на основе TL494 показа­на на рисунке 4.

Рис. 4

Основные технические характеристики:

1. Диапазон напряжения питания……… ..42V;
2. Максимальное напряжение коллекторов выходных транзисторов………. 42V;
3. Максимальный ток коллектора выходных транзисторов…….. 0,2А;
4. Опорное напряжение…… 4,5…5,5V;
5. Мощность рассевания в непрерывном режиме в корпусе DIP-16 при температуре окружающей среды ниже 45°С…….. 1W;
6. Ток потребления не более…….. 10mA;
7. Частота генератора может быть задана в пределах……… 1…200 kHz;
8. Длительность фронта импульса выходного тока не более….. 200nS;
9. Длительность спада импульса выходного тока не более……. 100nS;
10. Сопротивление резистора RT может быть в пределах……. 1,8… 500 kOm;
11. Емкость конденсатора СТ может быть в пределах…… 0,0047…10 мкФ;
12. Рабочий диапазон температуры:

• TL494B…….. -40…+125°С;
• TL494C…….. 0…+70°С;
• TL494I ……… -40…+85°С.

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.

Вывод 1

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.

Вывод 2

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.

Вывод 15

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).

Вывод 16

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.

Вывод 3

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).

Вывод 4

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.

Вывод 5

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).

Вывод 6

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).

Вывод 7

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

Вывод 12

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.

Вывод 13

Это вход режима работы. Его функционирование было описано выше.

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

Печатная плата тут

Функции выводов выходных сигналов

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

Вывод 8

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).

Вывод 9

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

Вывод 10

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).

Вывод 11

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).

Вывод 14

Это выход ИОН, также описанный выше.

Зарядка из блока АТХ на TL494 и TPS3510 – ISO-450PP

При переделке в зарядное устройство АТХ блока на основе ШИМ TL494, можно столкнуться со схемами, у которых для контроля выходных напряжений используется отдельный супервизор TPS3510; WT7510 или др. Сегодня мы покажем пример того, как отключать подобный супервизор, что бы он никак не влиял на работу ШИМ. И так, зарядка из блока АТХ CWT ATX-300 (ISO-450PP), поехали!

Зарядка из блока АТХ на TL494 и TPS3510

Микросхемы на подобии TPS3510; WT7510 отслеживают напряжение сразу на нескольких шинах блока, в случае отклонения напряжения хоть на одной из них этот супервизор останавливает работу блока.

При изготовлении самодельного зарядного устройства на основе такого компьютерного блока питания основная переделка заключается в поднятии напряжения по шине +12 до 14В.

Если не отключать супервизор – блок будет работать крайне нестабильно, будут наблюдаться сбои в работе при нагрузке или проблемы со стартом.

Типовые схемы блоков на основе TL494 и TPS3510; WT7510. На схемах уже обозначены некоторые важные элементы, о них речь пойдет ниже.

Отключение супервизора и организация автостарта блока

В зарядное устройство будем переделывать блок CWT ATX-300.

На плате находятся TL494 и TPS3510.

Удаляем диод D15, он выделенный на схеме красной рамкой. Если в блоке используется другая нумерация деталей или другая схема, ищем диод, который соединяет 4-ю ножку Tl494 (DTC) и 3-ю ножку TPS3510 (FPO).

После удаления диода, блок будет запускаться автоматически при включении в сеть, а TPS3510 уже не будет влиять на работу БП.

Как поднять напряжение в блоке питания компьютера?

Оптимальным для зарядки автомобильного АКБ считается напряжение 14-14,5В. Для поднятия напряжения нужно установить подстроечный резистор вместо резистора, соединяющего 1-ю ножку TL494 с шиной +12В.

На схеме он выделенный зеленой рамкой. Подстроечный резистор можно брать на 100-200кОм (желательно многооборотный).

Перед установкой его на плату его нужно настроить на такое же сопротивление, какое было у резистора, вместо которого его ставим.

После удачного старта корректируем выходное напряжение с помощью подстроечника.

При желании можно дополнительно изготовить защиту от переполюсовки и зарядка из блока АТХ готова!

Источник: https://diodnik.com/en/zaryadka-iz-bloka-atx-na-tl494-i-tps3510/

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.

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.

Обратите внимание

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.

Схема (1)

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.

Схема (2)

Схема (3)

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.

Схема (4)

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.

Важно

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… 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.

Схема (5)

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…

Схема (6)

Двухтактный задающий генератор.

Различные варианты исполнения и регулировок. На первый взгляд огромное разнообразие схем включения сводится к намного более скромному количеству действительно работающих… Первое, что я обычно делаю, когда вижу “хитрую” схему – перерисовываю в привычном для себя стандарте. Раньше это называлось – ГОСТ. Сейчас рисуют не понятно как, что крайне затрудняет восприятие. И скрывает ошибки. Думаю, что часто это делается специально. Задающий генератор для полумоста или моста. Это простейший генератор, Длительность импульсов и частота регулируется в ручную. Оптроном по (3) ноге тоже можно регулировать длительность, однако регулировка очень острая. Я использовал для прерывания работы микросхемы. Некоторые “корифеи” говорят, что управлять по (3) выводу нельзя, микросхема сгорит, но мой опыт подтверждает работоспособность данного решения. Кстати оно удачно использовалось в сварочном инверторе.

Схема (7)

А это полный мост на комплементарных транзисторах. На выход можно подключать самую разнообразную нагрузку. Правда с осторожностью, защит от перегрузок нет. Включать нужно при минимальной длительности импульса. Ограничение по напряжению питания накладывают низковольтные выходные транзисторы
Схема (8)
Тоже самое но с ограничением потребляемого тока и кое-какой стабилизацией выходного напряжения.

Схема (9)

Повышающий, на небольшой ток, со стабилизацией напряжения и ограничением тока по выходу. Сам не делал, но вроде должен работать.

Схема (10)

Примеры реализации регулировок (стабилизации) тока и напряжения. То, что на рисунке №12 делал сам, – понравилось. Синие конденсаторы наверное можно не устанавливать, но лучше пусть будут.

Схема (11)

Схема (12)

Источник: https://96kw.blogspot.com/2015/07/tl494.html

Первые шаги по работе с микросхемой

Прежде чем делать какое-либо полезное устройство, рекомендуется изучить, как работает TL494CN. Как проверить ее работоспособность?

Возьмите свою макетную плату, установите на нее микросхему и подключите провода согласно нижеприведенной схеме.

Если все подключено правильно, то схема будет работать. Оставьте выводы 3 и 4 не свободными. Используйте свой осциллограф, чтобы проверить работу ГПН – на выводе 6 вы должны увидеть пилообразное напряжение. Выходы будут нулевыми. Как же определить их работоспособность в TL494CN. Проверка ее может быть выполнена следующим образом:

1. Подключите выход обратной связи ( № 3) и выход управления «мертвым временем» (№ 4) к общему выводу (№ 7).
2. Теперь вы должны обнаружить прямоугольные импульсы на выходах микросхемы.

Микросхема TL494, она же KA7500B и КР1114ЕУ4

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.

• Начинаем работать со звуковой микросхемой аР89хх
• Принцип работы МДП-структур
• MOSFET транзисторы для усилителя
• Биполярные NPN транзисторы для усилителя
• Каскодные транзисторные усилители и их схемы
• Режимы работы усилителя на транзисторах класс: A, B, A/B, C, D
• Режим работы транзистора и усилителя класс A
• Режим работы транзистора и усилителя класс В, A/B
• Режим работы транзистора и усилителя класс С, D — ШИМ

Как усилить выходной сигнал?

Выход TL494CN является довольно слаботочным, а вы, конечно же, хотите большей мощности. Таким образом, мы должны добавить несколько мощных транзисторов. Наиболее просто использовать (и очень легко получить — из старой материнской платы компьютера) n-канальные силовые МОП-транзисторы. Мы должны при этом проинвертировать выход TL494CN, т. к. если мы подключим n-канальный МОП-транзистор к нему, то при отсутствии импульса на выходе микросхемы он будет открытым для протекания постоянного тока. При этом МОП-транзистор может попросту сгореть… Так что достаем универсальный npn-транзистор и подключаем согласно нижеприведенной схеме.

Мощный МОП-транзистор в этой схеме управляется в пассивном режиме. Это не очень хорошо, но для целей тестирования и малой мощности вполне подходит. R1 в схеме является нагрузкой npn-транзистора. Выберите его в соответствии с максимально допустимым током его коллектора. R2 представляет собой нагрузку нашего силового каскада. В следующих экспериментах он будет заменен трансформатором.

Если мы теперь посмотрим осциллографом сигнал на выводе 6 микросхемы, то увидите «пилу». На № 8 (К1) можно по-прежнему видеть прямоугольные импульсы, а на стоке МОП-транзистора такие же по форме импульсы, но большей величины.

Мощный инвертор 12-220 500 ватт

Очень часто возникает необходимость получения сетевого напряжения в автомобиле. Для таких случаев в продаже имеются готовые преобразователи напряжения 12-220. Штатные (более дешевые) инверторы с ценой 20-30$ развивают мощность до 300 ватт и то в пиках, иногда такой мощности недостаточно. Данный инвертор я собрал для питания мощного усилителя, но замена вторичной обмотки позволяет получить любое выходное напряжение. В моем случае мощность инвертора 400 ватт, но его можно поднять до 600 ватт и это реальная мощность! Повысить мощность можно несколькими способами.

1) Заменой мощных биполярных ключей на IRF3205, в этом случае мощность возрастет до 600 ватт и это не предел. Схематические особенности данного инвертора позволяют параллельно подключить сразу 4 пары выходных транзисторов, что дает возможность получить выходную мощность до 1200-1300 ватт, промышленные китайские инверторы такой мощности стоят в районе 100-130$

Схема инвертора лишена защит от перегрева, КЗ, перегрузки на выходе, голый инвертор по традиционной двухтактной схеме.

Генератор построен на микросхеме ТЛ494 с дополнительным драйвером на маломощных биполярных транзисторах. Транзисторы можно заменить на отечественные – КТ3107. В инверторе реализована схема ремоут контроля, чтобы не пришлось использовать мощные переключатели для подачи питания на схему.

Диоды в задающей части использованы ШОТТКИ типа 4148 или наш КД522, особой разницы нету. В схеме ремоут контроля транзистор может быть заменен на отечественный КТ3102. Трансформатор – самая ответственная часть нашего проекта, именно от него зависит вся работа конструкции. Трансформатор в моем случае намотан на двух склеенных кольцах марки 3000НМ, размеры каждого кольца 45*28*8. Кольца ничем не склеивал, просто для плотной фиксации обмотал скотчем.

После обклейки скотчем кольца были обмотаны стекловолокно, сам рулон стекловолокна был куплен в строй магазине за 1$.

Заранее нужно нарезать полоски из стекловолокна длиной 50см, ширина 1,5-2см. Вместо стекловолокна можно использовать тканевую изоленту, волокно удобно тем, что материал термостойкий и довольно тонкий, изоляция получается более аккуратной.

Первичная обмотка – 2х5 витков, т.е. 10 витков с отводом от середины. Каждое плечо намотано 12- жилами провода 0,7-0,8мм. Фотографии намотки скажут все зам меня.

Оба плеча мотают жгутом – 5 витков растянутых по всему кольцу максимально равномерно. В итоге получаем две полностью одинаковые обмотки.

В итоге имеем 4 конца (вывода), начало первой обмотки припаиваем к концу второй обмотки именно место припоя является отводам, на который подается силовое питания +12 Вольт. После намотки первичной обмотки кольцо вновь изолируем изолируют стекловолокном и мотают вторичную обмотку.

Эта обмотка является повышающей, выходное напряжение опасное, поэтому соблюдайте все меры предосторожности, монтажные роботы делать только с выключенным питанием.

Обмотка мотается двумя параллельными жилами провода 0,7-0,8мм. Количество витков во вторичной обмотке 80. Витки опять же растянуты по всему кольцу равномерно. После намотки и эту обмотку желательно изолировать тем же способом, что и первичную.

Перед во время работы лампа НЕ ДОЛЖНА светится. Затем проверяем тепловыделение на полевых ключах – оно практически нулевое, если транзисторы БЕЗ ВЫХОДНОЙ НАГРУЗКИ перегреваются, значит есть косяк или нерабочий компонент. Позже все транзисторы можно установить на общий теплоотвод, разумеется через изоляционные прокладки.

Данное устройство можно заказать [email protected]

СКАЧАТЬ плату в формате lay МОЖНО ЗДЕСЬ…

Автор; АКА КАСЬЯН

А как поднять напряжение на выходе?

Теперь давайте получим некоторое напряжение повыше при помощи TL494CN. Схема включения и разводки используется та же самая – на макетной плате. Конечно, достаточно высокого напряжения на ней не получить, тем более что нет какого-либо радиатора на силовых МОП-транзисторах. И все же, подключите небольшой трансформатор к выходному каскаду, согласно этой схеме.

Первичная обмотка трансформатора содержит 10 витков. Вторичная обмотка содержит около 100 витков. Таким образом, коэффициент трансформации равен 10. Если подать 10В в первичную обмотку, вы должны получить около 100 В на выходе. Сердечник выполнен из феррита. Можно использовать некоторый среднего размера сердечник от трансформатора блока питания ПК.

Будьте осторожны, выход трансформатора под высоким напряжением. Ток очень низкий и не убьет вас. Но можно получить хороший удар. Еще одна опасность — если вы установите большой конденсатор на выходе, он будет накапливать большой заряд. Поэтому после выключения схемы, его следует разрядить.

На выходе схемы можно включить любой индикатор вроде лампочки, как на фото ниже.

Схема с трансформаторным выходом широко применяется в любых ИБП, включая и блоки питания ПК. В этих устройствах, первый трансформатор, подключенный через транзисторные ключи к выходам ШИМ-контроллера, служит для гальванической развязки низковольтной части схемы, включающей TL494CN, от ее высоковольтной части, содержащей трансформатор сетевого напряжения.

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).

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.

Регулятор напряжения

Как правило, в самодельных небольших электронных устройствах питание обеспечивает типовой ИБП ПК, выполненный на TL494CN. Схема включения БП ПК общеизвестна, а сами блоки легкодоступны, поскольку миллионы старых ПК ежегодно утилизируются или продаются на запчасти. Но как правило, эти ИБП вырабатывают напряжения не выше 12 В. Этого слишком мало для частотно-регулируемого привода. Конечно, можно было бы постараться и использовать ИБП ПК повышенного напряжения для 25 В, но его будет трудно найти, и слишком много мощности будет рассеиваться на напряжении 5 В в логических элементах.

Однако на TL494 (или аналогах) можно построить любые схемы с выходом на повышенную мощность и напряжение. Используя типичные детали из ИБП ПК и мощные МОП-транзисторы от материнской платы, можно построить ШИМ-регулятор напряжения на TL494CN. Схема преобразователя представлена на рисунке ниже.

На ней можно увидеть схему включения микросхемы и выходной каскад на двух транзисторах: универсальном npn- и мощном МОП.

Основные части: T1, Q1, L1, D1. Биполярный T1 используется для управления мощным МОП-транзистором, подключенным упрощенным способом, так наз. «пассивным». L1 является дросселем индуктивности от старого принтера HP (около 50 витков, 1 см высота, ширина 0,5 см с обмотками, открытый дроссель). D1 — это диод Шоттки от другого устройства. TL494 подключена альтернативным способом по отношению к вышеописанному, хотя можно использовать любой из них.

С8 – конденсатор малой емкости, чтобы предотвратить воздействие шумов, поступающих на вход усилителя ошибки, величина 0,01uF будет более или менее нормальной. Большие значения будут замедлять установку требуемого напряжения.

С6 — еще меньший конденсатор, он используется для фильтрации высокочастотных помех. Его емкость — до нескольких сотен пикофарад.