Черкасский Павел Андреевич

студент 3 курса кафедры «Внутризаводского электрооборудования и автоматики» Армавирского механико-технологического института, г. Армавир

Е-mail: Cherkass@list.ru

Паврозин Александр Васильевич

научный руководитель, доцент  кафедра «Общенаучных дисциплин» Армавирского механико-технологического института, г. Армавир

Для того, чтобы понять назначение микросхемы TL494 в импульсных генераторах, необходимо ознакомиться с понятием широтно-импульсной модуляции и смежными ей понятиями.

1. Широтно-импульсная модуляция.

Широтно-импульсной модуляцией называют процесс изменения скважности импульсного сигнала постоянной частоты под действием внешнего сигнала.

Скважность – это отношение периода следования импульсов к их длительности. Чаще используют обратную скважности величину –

коэффициент заполнения, измеряемый в процентах.

Рисунок 1. «Широтно-импульсное модулирование
синусоидальным сигналом»

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.

2. Алгоритм формирования ШИМ импульсов.

Микросхема TL494 позволяет управлять раздельно частотой и скважностью генерируемого ею сигнала в достаточно широких пределах.

Основой устройства формирования импульсов различной длительности, но одинаковой частоты является генератор пилообразных импульсов DA6 (рис. 2) [1].

Рисунок 2. «Функциональная схема TL494»

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).

Рисунок 3. «Временные диаграммы работы модулятора»

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.

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.

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.

3. Использование ШИМ-контроллера TL494 в генераторе прямоугольных импульсов с возможностью независимой плавной регулировки частоты и скважности.

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].

Рисунок 4. «Зависимость диапазона генерируемых частот от номиналов навесных элементов»

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.

Рисунок 5 «Схема генератора»

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.

 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.              

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.

При частоте 300 кГц, скважности, равной 2 и длительности спада импульсов, равной 3% от полупериода следования импульсов, время рассасывания

.

Средний ток при этом равен

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.

Приложение 1. Рисунок печатной платы генератора, рассчитанный частично на деталях SMD, устанавливаемых методом поверхностного монтажа. Среда разработки – программа Sprint Layout. Размер платы – 40х30 мм.

Список литературы:

1.     http//www.ti.com

2.     http//www.cxem.net/pitanie/5-180.php

3.     http//www.matri-x.ru/energy/generator_tl_494.shtml