Генератор импульсов на TL494

Генератор импульсов на TL494

Задача : Собрать удобный в эксплуатации, максимально универсальный генератор прямоугольных импульсов. Обязательное условие – обеспечить максимально возможные крутые передний и задний фронт сигнала. Также желательно охватить максимально широкий диапазон частот и скважности. Согласно поставленной задаче, общими усилиями участников проекта “MATRI-X.RU” была рождена схема, с которой вам предлагается ознакомиться далее.

Собранным генератором я остался доволен

Принципиальная схема и графики :

Электрическая схема генератора на TL494
График частотного диапазона в зависимости от номиналов времязадающих цепочек

Фотографии готового генератора : в процессе работы с данным генератором, он периодически совершенствовался, номиналы схемы уточнялись. В связи с чем генератор претерпел два апгрейда. Представим все версии генератора по порядку. Первая версия, собранная сразу, отличалась тем, что не имела “на борту” источника питания.

Первоначальная версия генератора

В процессе эксплуатации выяснилось, что такой большой конденсатор не нужен. Конденсаторы были установлены непосредственно на плату генератора вместе со стабилизатором напряжения. На общее основание интегрированы трансформатор и тумблер по питанию.

Версия 2.0. – все элементы скомпанованы на одной небольшой плате

Совсем недавно, с целью расширить доступный диапазон охватываемых частот, был произведён очередной апгрейд, и интегрирован в схему дополнительный переключатель для оперативной смены конденсатора во времязадающей цепочке, о чём будет подробнее рассказано ниже.

Версия 3.0. (2009 год) расширен доступный частотный диапазон

Описание схемы : микросхема TL494 может работать как в однотактном режиме (именно так она изображена на схеме выше), так и в двухтактном, работая на две нагрузки попеременно. Как преобразовать схему в двухтактник я расскажу ниже, а сейчас рассмотрим однотактную схему.

Однотактная схема характеризуется прежде всего тем, что скважность сигнала мы можем изменять от нуля до 100% (канал всегда открыт). Задающая цепочка скважности находится на 2 ноге микросхемы. Старайтесь выдержать указанные номиналы: 20К – подстроечный резистор и 12К ограничивающий. Конденсатор между 2 и 4 ногами микросхемы номиналом 0,1мкФ.

Частотный диапазон регулируется двумя элементами: во первых цепочкой резисторов на 6 ноге микросхемы, во вторых ёмкостью конденсатора на 5 ноге. Резисторы устанавливаем: 330К – подстроечный и 2,2К постоянный. Далее смотрим на график, который я привёл в начале. Номиналами резисторов мы ограничили графики по горизонтали. Слева и справа. Для конденсатора на 5 ноге ёмкостью 1000пФ = 1нФ = 0,001мкФ (верхняя прямая на графике) получаемый частотный диапазон от 4КГц до предела микросхемы (реально это 150..200КГц, но потенциально до 470КГц, правда такие частоты достаются не такими методами). В последнем апгрейде генератора в схему был введён переключатель, подменяющий времязадающий конденсатор на 5 ноге микросхемы с номинала 1000пФ на другой, номиналом 100нФ = 0,1мкФ, что даёт возможность перекрывать нижний диапазон частот (вторая снизу прямая на графике). Второй диапазон получается такой: от 40Гц до 5КГц. В итоге мы получили генератор, который перекрывает диапазон от 40Гц до 200КГц.

Теперь пару слов о выходном каскаде, которым мы управляем. В качестве ключа вы можете использовать любой из трёх ключей (полевых транзисторов), в зависимости от необходимых параметров на нагрузке. Вот они: IRF540 (28А, 100В), IRF640 (18А, 200В) и IRF840 (8А, 500В). Ножки у всех трёх пронумерованы одинаково. Для более резкого заднего фронта стоит транзистор КТ6115А. Роль этого транзистора резко сажать потенциал затвора полевика на минус. Диод и резистор номиналом 1К являются обвязкой этого дополнительного транзистора (дравера). Резистор 10 Ом на затворе непосредственно устраняет возможный высокочастотный звон. Также в целях борьбы со звоном рекомендую на затворную ножку полевика надеть малюсенькое ферритовое колечко.

При необходимости схему можно переделать в двухтактную и качать две нагрузки попеременно. Основные отличия двухтактного режима – это, во первых, снижение выходной частоты на каждом канале в два раза от расчётной, и во вторых, скважность сигнала в каждом канале теперь будет регулироваться от 0 до 50%. Чтобы перевести схему в двухтактный режим необходимо подать на 8 ногу микросхемы положительное питание (как на 11 ноге). Также необходимо соединить 13 ногу с 14 и 15. Соответственно на выход 9 ноги повесить аналогичный выходной каскад, как мы видим на 10 ножке микросхемы.

Универсальный генератор на TL494 (прямоугольник и пила)

Генератор предназначен для лабораторных исследований при разработке и наладке самых различных электронных устройств и устройств автоматики.

Универсальным генератор делают его способность работы в широком диапазоне питающих напряжений (7. 41В), высокая нагрузочная способность (максимальный выходной ток 250. 500мА), стабильная работа на частотах от десятых долей герца до нескольких десятков килогерц, обусловленные свойствами микросхемы TL494, на которой, собственно, и построен генератор.

Кроме того, амплитуда выходных импульсов может быть практически равна значению питающего напряжения микросхемы, т.е., вплоть до предельного значения напряжения питания этой микросхемы +41В (не рекомендуется, однако, в практических конструкциях использование граничного значения напряжения питания, некоторые экземпляры микросхем не работают нормально с напряжением свыше 35В).
Диапазон регулировки длительности импульса / скважности: 0-50% / 0-100%.
Уход частоты в диапазоне питающих напряжений практически незаметен, т.к. задающий генератор TL494 и ее аналогов запитан от встроенного источника образцового напряжения.

Мною собрано в разное время и для различных целей несколько генераторов на TL494. Легкая сборка и наладка, универсальность генератора позволяют использовать его во многих конструкциях, а так же в виде отдельного прибора.

Представленная здесь схема генератора имеет два “грубо” регулируемых выхода для подключения не развязанного гальванически испытуемого устройства или компонента (реле, затворы мощных полевых и IGBT транзисторов, входов устройств логики с различными входными уровнями, ламп, светодиодов, трансформаторов); аттенюатор с плавной регулировкой выходных уровней для каких угодно малосигнальных устройств.

Регулировка выходных уровней по всем выходам – раздельная, что расширяет возможности генератора. Так, например, возможна одновременная проверка какого-либо устройства с различными входными уровнями (ТТЛ/КМОП и т.п.).
“Грубая” регулировка производится регуляторами напряжения на микросхемах DA1, DA2 (от 8В и выше в зависимости от напряжения питания), плавная – переменными резисторами R12, 17.

Регулировка частоты осуществляется переключателем S1 (грубо) и резистором R1 (плавно), скважности – резистором R5.
Переключатель SA1 изменяет режимы работы генератора с синфазного (однотактный) на противофазный (двухтактный).

Резистором R4 подбирается перекрываемый диапазон частот. При необходимости, если требуется более точное перекрытие ко каждому из поддиапазонов, следует применить в качестве S1 двунаправленный переключатель с набором подобранных резисторов (R4a-R4e) для каждого из поддиапазонов.
Т.к. регулировочные параметры экземпляров микросхем TL494 и их многих аналогов могут быть различными, то диапазон регулировки скважности при необходимости можно подобрать резисторами R2, R7.
То же касается и регуляторов напряжения. Они могут быть собраны на произвольной элементной базе по схеме простейшего последовательного регулируемого параметрического стабилизатора, способного обеспечить ток в нагрузке от 300мА от источника напряжения 15-35В.

Что же касается регуляторов, собранных на интегральных стабилизаторах: резисторы R3, R6, R8, R9 так же подбираются в зависимости от необходимого диапазона регулировки выходных уровней и имеющегося источника напряжения.
Конденсаторы С1-С5 времязадающей цепи выбираются под необходимый частотный диапазон и емкость их может быть от 10 микрофарад для инфранизкого поддиапазона до 1000 пикофарад – для наиболее высокочастотного.

Схема аттенюатора так же непринципиальна: выбирается и рассчитывается под конкретные нужды, а может и вовсе отсутствовать, если необходимость в аттенюаторе не испытывается.
Для упрощения можно объединить выводы 8, 11, 12 микросхемы DA3 и грубую регулировку выходных уровней производить изменением общего питающего напряжения, либо отказаться от грубой регулировки вовсе, ограничившись переменными резисторами на выходе генератора (при этом нагрузочная способность генератора снизится).
В случае отсутствия нужды в мощных выходах, повторители на транзисторах VT1, 2 можно исключить.

TL494 является ШИМ-контроллером и применяется уже в течении долгого времени в различных моделях компьютерных БП. Ее аналогами являются микросхемы KA7500 и отечественный клон КР1114ЕУ4.

ТЕСЛА ГЕНЕРАТОР

Давно хотел собрать достойную катушку Теслы и вот, наконец, дошли руки. После сборок мелких катушек решил замахнуться на новую схему, более серьезную и сложную в настройке и работе. Перейдем от слов к делу. Полная схема выглядит так:

Работает по принципу автогенератора. Прерыватель пинает драйвер UCC27425 и начинается процесс. Драйвер подает импульс на GDT (Gate Drive Transformator – дословно: трансформатор, управляющий затворами) с GDT идут 2 вторичные обмотки включенные в противофазе. Такое включение обеспечивает попеременное открытие транзисторов. Во время открытия транзистор прокачивает ток через себя и конденсатор 4,7 мкФ. В этот момент на катушке образуется разряд, и сигнал идет по ОС в драйвер. Драйвер меняет направление тока в GDT и транзисторы меняются (который был открытым – закрывается, а второй открывается). И этот процесс повторяется до тех пор, пока идет сигнал с прерывателя.

GDT лучше всего мотать на импортном кольце – Epcos N80. Обмотки мотаются в соотношении 1:1:1 или 1:2:2. В среднем порядка 7-8 витков, при желании можно рассчитать. Рассмотрим RD цепочку в затворах силовых транзисторов. Эта цепочка обеспечивает Dead Time (мертвое время). Это время когда оба транзистора закрыты. То есть один транзистор уже закрылся, а второй еще не успел открыться. Принцип такой: через резистор транзистор плавно открывается и через диод быстро разряжается. На осциллограмме выглядит примерно так:

Если не обеспечить dead time то может получиться так, что оба транзистора будут открыты и тогда обеспечен взрыв силовой.

Идем дальше. ОС (обратная связь) выполнена в данном случае в виде ТТ (трансформатора тока). ТТ наматывается на ферритовом кольце марки Epcos N80 не менее 50 витков. Через кольцо продергивается нижний конец вторичной обмотки, который заземляется. Таким образом высокий ток со вторичной обмотки превращается в достаточный потенциал на ТТ. Далее ток с ТТ идет на конденсатор (сглаживает помехи), диоды шоттки (пропускают только один полупериод) и светодиод (выполняет роль стабилитрона и визуализирует генерацию). Чтобы была генерация необходимо также соблюдать фразировку трансформатора. Если нет генерации или очень слабая – нужно просто перевернуть ТТ.

Читайте также:  Однополюсный драйвер шагового двигателя: схема, печатные платы

Рассмотрим отдельно прерыватель. С прерывателем конечно я попотел. Собрал штук 5 разных. Одни пучит от ВЧ тока, другие не работают как надо. Далее расскажу про все прерыватели, которые делал. Начну пожалуй с самого первого – на TL494. Схема стандартная. Возможна независимая регулировка частоты и скважности. Схема ниже может генерировать от 0 до 800-900 Гц, если поставить вместо 1 мкФ конденсатор 4,7 мкФ. Скважность от 0 и до 50. То что нужно! Однако есть одно НО. Этот ШИМ контроллер очень чувствителен к ВЧ току и различным полям от катушки. В общем при подключении к катушке, прерыватель просто не работал, либо все по 0 либо CW режим. Экранирование частично помогло, но не решило проблему полностью.

Генератор прямоугольных импульсов – схема

Следущий прерыватель был собран на UC3843 очень часто встречается в ИИП, особенно АТХ, оттуда, собственно, его и взял. Схема тоже неплохая и не уступает TL494 по параметрам. Здесь возможна регулировка частоты от 0 до 1кГц и скважность от 0 до 100%. Меня это тоже устраивало. Но опять эти наводки с катушки все испортили. Здесь даже экранирование нисколько не помогло. Пришлось отказаться, хотя собрал добротно на плате.

Схема прерывателя на UC3843

Надумал вернуться к дубовым и надежным, но малофункциональным 555. Решил начать с burst interrupter. Суть прерывателя заключается в том, что он прерывает сам себя. Одна микросхема (U1) задает частоту, другая (2) длительность, а третья (U3) время работы первых двух. Все бы ничего, если бы не маленькая длительность импульса с U2. Этот прерыватель заточен под DRSSTC и может работать с SSTC но мне это не понравилось- разряды тоненькие, но пушистые. Далее было несколько попыток увеличить длительность, но они не увенчались успехом.

Схемы генераторов на 555

Тогда решил изменить принципиально схему и сделать независимую длительность на конденсаторе, диоде и резисторе. Возможно многие посчитают эту схему абсурдной и глупой, но это работает. Принцип такой: сигнал на драйвер идет до тех пор пока конденсатор не зарядится (с этим думаю никто не поспорит). NE555 генерирует сигнал, он идет через резистор и конденсатор, при этом если сопротивление резистора 0 Ом, то идет только через конденсатор и длительность максимальна (на сколько хватает емкости) не зависимо от скважности генератора. Резистор ограничивает время заряда, т.е. чем больше сопротивление, тем меньшей времени будет идти импульс. На драйвер идет сигнал меньшей длительностью, но тоже частоты. Разряжается конденсатор быстро через резистор (который на массу идет 1к) и диод.

Плюсы и минусы

Плюсы : независимая от частоты регулировка скважности, SSTC никогда не уйдет в CW режим, если подгорит прерыватель.

Минусы : скважность нельзя увеличивать “бесконечно много”, как например на UC3843, она ограничена емкостью конденсатора и скважностью самого генератора (не может быть больше скважности генератора). Ток через конденсатор идет плавно.

На последнее не знаю как драйвер реагирует (плавную зарядку). С одной стороны драйвер также плавно может открывать транзисторы и они будут сильнее греться. С другой стороны UCC27425 – цифровая микросхема. Для нее существует только лог. 0 и лог. 1. Значит пока напряжение выше порогового – UCC работает, как только опустилось ниже минимального – не работает. В этом случае все работает в штатном режиме, и транзисторы открываются полностью.

Перейдем от теории к практике

Собирал генератор Тесла в корпус от АТХ. Конденсатор по питанию 1000 мкф 400в. Диодный мост из того же АТХ на 8А 600В. Перед мостом поставил резистор 10 Вт 4,7 Ом. Это обеспечивает плавный заряд конденсатора. Для питания драйвера поставил трансформатор 220-12В и еще стабилизатор с конденсатором 1800 мкФ.

Диодные мосты прикрутил на радиатор для удобства и для отвода тепла, хотя они почти не греются.

Прерыватель собрал почти навесом, взял кусок текстолита и канцелярским ножом вырезал дорожки.

Силовая была собрана на небольшом радиаторе с вентилятором, позже выяснилось, что этого радиатора вполне достаточно для охлаждения. Драйвер смонтировал над силовой через толстый кусок картона. Ниже фото почти собранной конструкции генератора Тесла, но находящейся на проверке, измерял температуру силовой при различных режимах (видно обычный комнатный термометр, прилепленный к силовой на термопласту).

Тороид катушки собран из гофрированной пластиковой трубы диаметром 50 мм и обклеенным алюминиевым скотчем. Сама вторичная обмотка намотана на 110 мм трубе высотой 20 см проводом 0,22 мм около 1000 витков. Первичная обмотка содержит аж 12 витков, сделал с запасом, дабы уменьшить ток через силовую часть. Делал с 6 витками в начале, результат почти одинаков, но думаю не стОит рисковать транзисторами ради пары лишних сантиметров разряда. Каркасом первички служит обычный цветочный горшок. С начала думал что не будет пробивать если вторичку обмотать скотчем, а первичку поверх скотча. Но увы, пробивало. В горшке конечно тоже пробивало, но здесь скотч помог решить проблему. В общем готовая конструкция выглядит так:

Ну и несколько фоток с разрядом

Теперь вроде бы все.

Ещё несколько советов: не пытайтесь сразу воткнуть в сеть катушку, не факт что она сразу заработает. Постоянно следите за температурой силовой, при перегреве может бабахнуть. Не мотайте слишком высокочастотные вторички, транзисторы 50b60 могут работать максимум на 150 кГц по даташиту, на самом деле немного больше. Проверяйте прерыватели, от них зависит жизнь катушки. Найдите максимальную частоту и скважность, при которой температура силовой стабильная длительное время. Слишком большой тороид может тоже вывести из строя силовую.

Видео работы SSTC

P.S. Транзисторы силовые использовал IRGP50B60PD1PBF. Файлы проекта тут. Удачи, с вами был [)еНиС!

Обсудить статью ТЕСЛА ГЕНЕРАТОР

Что такое биполярный транзистор и как он работает – простая теория для начинающих.

АЭРОСЪЁМКА С МУЛЬТИКОПТЕРА

Продолжаем знакомство с интереснейшим летающим устройством – мультикоптер.

ПОДСТАВКА ДЛЯ МУЛЬТИМЕТРА

Изготовление удобной подставки для мультиметров серии DT-830B (M-830B).

VIP СИГНАЛ

Самодельный автомобильный VIP – сигнал крякалка.

Генератор импульсов на TL494

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

воскресенье, 19 июля 2015 г.

TL494

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

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

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

Рабочая частота 1…300кГц.

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

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

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

Есть возможность синхронизации, запуск входными импульсами.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Микросхема серии TL494

Общее описание и использование

TL 494 и ее последующие версии – наиболее часто применяемая микросхема для построения двухтакных 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 , публикаций International Rectifier (“Силовые полупроводниковые приборы International Rectifier”, Воронеж, 1999) и Motorola.

Достоинства и недостатки данной микросхемы:

  • 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 (некритично в автомобильных ПН)
  • Минус: Cинронное включение двух и более ИС не так удобно, как в UC3825

1. Особенности микросхем TL494

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, чтоб 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.

Генератор импульсов на TL494

РОЛЬ МИКРОСХЕМ СЕРИИ TL494 В ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Черкасский Павел Андреевич

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
студент 3 курса кафедры «Внутризаводского электрооборудования и автоматики» Армавирского механико-технологического института, г. Армавир

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Паврозин Александр Васильевич

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
научный руководитель, доцент кафедра «Общенаучных дисциплин» Армавирского механико-технологического института, г. Армавир

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Для того, чтобы понять назначение микросхемы TL494 в импульсных генераторах, необходимо ознакомиться с понятием широтно-импульсной модуляции и смежными ей понятиями.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
1. Широтно-импульсная модуляция.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Широтно-импульсной модуляцией называют процесс изменения скважности импульсного сигнала постоянной частоты под действием внешнего сигнала.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Скважность – это отношение периода следования импульсов к их длительности. Чаще используют обратную скважности величину –

justify;line-height:150%”>
коэффициент заполнения, измеряемый в процентах.

text-align:center;line-height:150%”>

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Рисунок 1. «Широтно-импульсное модулирование
синусоидальным сигналом»

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Широтно-импульсную модуляцию применяют в импульсных источниках питания, в схемах управления скоростью вращения электромоторов, мощностью источников света, тепла и других потребителей электроэнергии. Силовые транзисторы, управляемые ШИМ-сигналом, работают в ключевом режиме. Такой режим благоприятен для транзистора, т. к. он большую часть времени находится либо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки. В обоих режимах на транзисторе выделяется небольшая тепловая мощность. В первом режиме на транзистор падает небольшое напряжение, а в режиме отсечки через транзистор протекает малый ток. Именно поэтому, импульсные преобразователи напряжения и генераторы по сравнению с аналоговыми обладают малыми потерями мощности на элементах управления.

1.0cm;line-height:150%”>
2. Алгоритм формирования ШИМ импульсов.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Микросхема TL494 позволяет управлять раздельно частотой и скважностью генерируемого ею сигнала в достаточно широких пределах.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Основой устройства формирования импульсов различной длительности, но одинаковой частоты является генератор пилообразных импульсов DA6 (рис. 2) [1].

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Рисунок 2. «Функциональная схема TL494»

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Пилообразное напряжение поступает с генератора на компараторы DA1 и DA2. Частота генератора пилообразного напряжения DA6 определяется номиналами резистора и конденсатора, подключённых к 5-му и 6-му выводам. Ширина импульсов на выходе компаратора DA2 прямопропорциональна напряжению на его неинвертирующем входе (см. диаграмму 1 на рис. 3). В обычном режиме выходной сигнал компаратора DA1 не влияет на состояние выхода элемента ИЛИ DD1, т.к. оно определяется более широкими импульсами выхода компаратора DA2. D-триггер DD2 делит частоту импульсов поступающих с выхода DD1 пополам (см. диаграммы 3, 4 на рис. 3).

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Рисунок 3. «Временные диаграммы работы модулятора»

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Логика его работы заключается в следующем: по фронту импульса на входе С1 состояние входа 1D передаётся на прямой выход триггера Q. Пока на вход С1 не поступит новый импульс, состояние входа D1 не влияет на выходы триггера.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Вывод 13 позволяет выбирать режим работы выходных транзисторов VT1 и VT2: двухтактный при логической 1 (см. диаграммы 5, 6) и однотактный при логическом 0 (см. диаграмму 7). В двухтактном режиме частота импульсов на выходе равна половине частоты генератора. В однотактном режиме триггер DD2 не задействован, и на базы транзисторов поступают инвертированные элементами ИЛИ-НЕ DD5 и DD6 импульсы с выхода DD1. Компаратор DA1 со смещением на неинвертирующим входе 0,12 В ограничивает максимальную длительность импульсов в выходном каскаде на уровне 96 % в однотактом режиме и 58 % в двухтактном. Таким образом компаратор DA1 предотвращает появление на выходе сдвоенного импульса в двухтактном режиме работы микросхемы (см. диаграммы 2, 5, 6). При необходимости управления скважностью выходных импульсов используется неинвертирующий вход компаратора DA2: если напряжение на указанном входе компаратора станет меньше, чем напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA2, то компаратор DA1 перехватит управление элементом ИЛИ DD1.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Таким образом, TL494 содержит регулируемый генератор, усилитель ошибки, компаратор регулировки мёртвого времени, триггер управления, прецизионный источник опорного напряжения 5 В и схему управления выходным каскадом. Компаратор регулировки мёртвого времени имеет постоянное смещение, которое ограничивает минимальную длительность мёртвого времени величиной порядка 4 %. Микросхема допускает внешнюю синхронизацию встроенного генератора подключением вывода R к выходу источника опорного напряжения и подачей входного пилообразного напряжения на вывод С. Такой режим используется при синхронном включении нескольких микросхем.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
3. Использование ШИМ-контроллера TL494 в генераторе прямоугольных импульсов с возможностью независимой плавной регулировки частоты и скважности.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Напряжение питания микросхем TL494 может быть в пределах от 7 до 40 В. Размах импульсов равен . Рабочие частоты микросхем данной серии лежат в диапазоне от 1 до 300 кГц. Для задания частоты работы генератора используются резисторы и конденсаторы, номиналы которых лежат в следующих пределах: R = 1…500 кОм, C = 470 пФ…10 мкФ. Расчёт частоты для разных производителей микросхемы отличается: для Texas Instruments, – для Motorola (рис. 4) [2].

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Рисунок 4. «Зависимость диапазона генерируемых частот от номиналов навесных элементов»

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
В генераторе [3] для осуществления регулировки скважности импульсов на 4-й вывод микросхемы подаётся напряжение с делителя напряжения, при этом его суммарное сопротивление не должно превышать 100 кОм. Данный генератор (рис. 4) работает в однотактном режиме. Каждый транзистор выходного каскада микросхемы может обеспечить ток до 250 мА. Т. к. данный генератор работает в однотактном режиме, то при необходимости выходной ток можно увеличить до 500 мА, соединив транзисторы параллельно.

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Рисунок 5 «Схема генератора»

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Выходной каскад микросхемы представляет собой эмиттерный повторитель, который управляет МДП транзистором. Высокие входные значения ёмкости и сопротивления МДП транзистора обуславливают накопление заряда в его затворе. Если этот заряд не рассасывать, то транзистор будет постоянно открыт. Чтобы получить крутые спады импульсов на нагрузке, необходимо в момент спада импульсов на выходе микросхемы быстро разряжать затвор МДП транзистора. В данном генераторе функцию рассасывания заряда выполняет устройство, схема которого представлена на рис. 6.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Когда на выходе микросхемы появляется фронт импульса, затвор МДП транзистора заряжается, ток через диод запирает нижний по схеме pnp транзистор. При снижении потенциала на выходе микросхемы диод запирается, позволяя открыться pnp транзистору и разрядиться затвору.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Рассчитаем средний ток рассасывания заряда, неучи тывая нелинейность зависимости ёмкости затвора от напряжения на нём. Заряженный до 7 В затвор IRFZ46N содержит заряд 30 нКл (см. Fig 6 из datasheet IRFZ46N). Чтобы закрыть транзистор, нужно разрядить ёмкость его затвора до 2 В, т.е. нужно рассосать заряд, равный 25 нКл.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
При частоте 300 кГц, скважности, равной 2 и длительности спада импульсов, равной 3% от полупериода следования импульсов, время рассасывания

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Средний ток при этом равен

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Таким образом, комплексная нагрузка L1 управляется прямоугольными импульсами, частоту и скважность которых можно изменять в широких пределах. Применяемый в данном генераторе тип выходного транзистора IRFZ46N позволяет создавать в нагрузке токи до 50 А при напряжениях до 50 В.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Приложение 1. Рисунок печатной платы генератора, рассчитанный частично на деталях SMD, устанавливаемых методом поверхностного монтажа. Среда разработки – программа Sprint Layout. Размер платы – 40х30 мм.

text-align:center;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>

Читайте также:  Самодельные автоматические ворота
Ссылка на основную публикацию