Spis treści:
Zasilacze impulsowe stają coraz bardziej powszechne zarówno w elektronice konsumenckiej jak i profesjonalnej. Konstrukcja zasilaczy impulsowych jest bardziej rozbudowana niż w przypadku klasycznych zasilaczy liniowych, co przekłada się na nieco bardziej złożony proces przekształcania i regulowania napięcia na wyjściu. Jednym z najbardziej popularnych układów scalonych stosowanych w zasilaczach impulsowych, jest sterownik TL494, któremu przyjrzymy się w niniejszym artykule.
TL494 - ogólna charakterystyka układu
Układ scalony TL494 jest sterownikiem PWM dedykowanym do zasilaczy impulsowych. Głównym zadaniem tego układu scalonego, jest regulacja napięcia na wyjściu zasilacza metodą modulacji szerokości impulsów (PWM). W tym artykule przyjrzymy się budowie i funkcjom tego układu scalonego oraz poznamy jego zasadę działania.
Regulacja PWM a ciągła regulacja napięcia
W zasilaczach opartych na stabilizatorach liniowych (np. L7812CV firmy ST Microelectronics), proces regulacji napięcia zachodzi w sposób ciągły. Jest to prosta technika wymagająca niewielkiej ilości elementów dodatkowych i pozwala na uzyskanie stabilnego napięcia wyjściowego pozbawionego zakłóceń. Natomiast wadą takiego rozwiązania, są bardzo duże straty energetyczne. Natomiast zastosowanie regulacji poprzez technikę modulacji PWM, pozwala na znaczne zwiększenie sprawności układu. W istocie, taka technika regulacji polega na szybkim włączaniu i wyłączaniu napięcia na wyjściu zasilacza poprzez wysterowanie tranzystorów w stopniu mocy w taki sposób, aby napięcie uzyskane na wyjściu zasilacza było po uśrednieniu równe wartości takiego samego docelowego napięcia stałego. Sposób działania regulacji PWM opisuje rysunek nr 1:
Zgodnie z przedstawionymi przebiegami czasowymi, możemy zwrócić uwagę, że wartość średnia napięcia sygnału PWM jest liniowo proporcjonalna do wartości współczynnika wypełnienia PW. Współczynnik wypełnienia jest czasem trwania stanu wysokiego (czasu włączenia napięcia sterującego) w pojedynczym cyklu sygnału PWM. Oznacza to, że niezależnie od częstotliwości modulacji tego sygnału, jego wartość średnią wyznacza współczynnik wypełnienia. Przykładowo, chcąc uzyskać na wyjściu układu zasilacza napięcie stałe o wartości 6V, mając do dyspozycji maksymalne napięcie źródłowe 12V, musimy ustawić współczynnik wypełnienia na 50%, ale gdybyśmy potrzebowali idealnie ,,TTL-owskich pięciu woltów”, wówczas wymagany współczynnik wypełnienia powinien mieć wartość 5V/12V = ~41,67%
TL494 - ogólna charakterystyka układu
Układ scalony TL494 jest sterownikiem PWM specjalnie zaprojektowanym do układów zasilaczy działających na zasadzie modulacji szerokości impulsów. Układ scalony TL494 zawiera wbudowane wszystkie niezbędne bloki funkcjonalne do realizacji układu zasilacza impulsowego. W skład jego podzespołów wchodzi wbudowany generator sygnału sterującego o częstotliwości regulowanej poprzez zmianę wartości zewnętrznie dołączanych elementów R i C tworzących obwód czasowy, stopień regulatora czasu martwego (DTC), dwa komparatory napięcia z dwoma wzmacniaczami błędu, przerzutnik wyzwalany impulsowo, który steruje tranzystorami na wyjściu, a także precyzyjne źródło napięcia stabilizowanego o wartości 5V.
TL494 - opis wyprowadzeń układu
Poniżej przedstawiono opis poszczególnych wyprowadzeń układu scalonego TLT494 umieszczonego w obudowie DIP16, przeznaczonej do montażu przewlekanego (THT):
1 – 1 IN+ – wejście nieodwracające wzmacniacza błędu nr 1
2 – 1 IN- -wejście odwracające wzmacniacza błędu nr 1
3 – FEEDBACK – sygnał sprzężenia zwrotnego z wyjścia na wejście układu
4 – DTC – wejście wewnętrznego wzmacniacza sterującego czasem martwym układu
5 – CT – kondensator zewnętrznego obwodu czasowego
6 – RT – rezystor zewnętrznego obwodu czasowego
7 – GND – masa układu
8 – kolektor tranzystora wyjściowego Q1
9 – emiter tranzystora wyjściowego Q1
10 – emiter tranzystora wyjściowego Q2
11 – kolektor tranzystora wyjściowego Q2
12 – VCC – szyna napięcia zasilania dodatniego
13 – O/P CNTRL – pin konfiguracji sposobu pracy wyjścia układu (push-pull lub single-ended)
14 – REF – wyjście wbudowanego źródła napięcia referencyjnego +5V
15 – 2 IN- -wejście odwracające wzmacniacza błędu nr 2
16 – 2 IN+ – wejście nieodwracające wzmacniacza błędu nr 2
TL494 - dopuszczalne maksymalne wartości parametrów roboczych układu
Układ TL494 może być zasilany napięciem o maksymalnej wartości 41VDC. Dopuszczalne napięcia podawane na wejścia pomiarowe komparatorów muszą zawierać się w przedziale od -0,3V do napięcia zasilania pomniejszonego o 2V. Maksymalne napięcie wyjściowe na kolektorze wewnętrznego tranzystora wynosi 41V, a maksymalny prąd kolektora do 250mA na kanał. Czas lutowania pojedynczego pinu nie może być dłuższy niż 10s przy temperaturze 260*C.
TL494 - zalecane warunki robocze
Aby układ scalony TL494 pracował prawidłowo, należy trzymać się określonych warunków. Zakres napięcia zasilania układu zawiera się między 7V a 40V, a zakres napięć wejściowych wzmacniacza błędu pomiędzy -0,3V a wartością napięcia VCC pomniejszoną o 2V (np. 13V dla zasilania napięciem VCC 15V). Dla tranzystorów w stopniu wyjściowym, napięcie kolektor-emiter może być nie większe niż 40V, a prąd kolektora 200mA. Prąd dostarczany do wejścia FEEDBACK może maksymalnie wynosić 0,3mA. Zakres częstotliwości wbudowanego generatora sygnału sterującego mieści się w przedziale od 1kHz do 300kHz. Zalecane wartości elementów R i C zewnętrznego obwodu czasowego wynoszą odpowiednio od 1,8k do 500k dla rezystora i 470pF do 10uF dla kondensatora.
Komparator układu kontroli czasu martwego jest ustawiony na stałą wartość offsetu, aby zapewnić stały czas martwy wynoszący w przybliżeniu 5%. Funkcję wbudowanego generatora taktującego można pominąć, łącząc pin RT nr 14 układu scalonego z pinem odniesienia REF i dostarczając zewnętrznie sygnał piłokształtny do pinu CT nr 5. Funkcja ta pozwala również na synchroniczne sterowanie wieloma układami TL494 posiadającymi różne szyny zasilające. Tranzystory wyjściowe wewnątrz chipa posiadające wyjścia pływające są rozmieszczone tak, aby zapewniać wyjście ze wspólnym emiterem lub wyjście z wtórnikiem emiterowym. Układ umożliwia użytkownikowi uzyskanie stopnia wyjściowego typu push-pull lub single-ended na pinach wyjściowych poprzez odpowiednią konfigurację pinu nr 13, który jest pinem funkcji sterowania wyjściem. Wewnętrzne obwody uniemożliwiają wygenerowanie podwójnego impulsu przez którekolwiek z wyjść, gdy układ scalony ma konfigurację wyjścia jako push-pull.
