Что такое шим-контроллер pwm и для чего он нужен

Введение

Сетевой источник питания — один из самых ответственных узлов в структуре электронной аппаратуры. Наиболее важные параметры сетевого преобразователя: рабочий диапазон входного напряжения, потребляемая мощность в дежурном режиме, габаритные размеры, надежность, электромагнитная совместимость и себестоимость. Подавляющее большинство современной аппаратуры с питанием от сети использует импульсные источники питания. Сетевой импульсный источник питания обеспечивает гальваническую развязку выходных цепей от сетевого напряжения. Развязка обеспечивается за счет использования импульсного трансформатора в силовой цепи и оптрона в цепи обратной связи. Ключевым элементом импульсного сетевого источника питания является микросхема ШИМ-контроллера. Основная функция ШИМ-контроллера — управление силовым транзистором (транзисторами), стоящим в первичной цепи импульсного трансформатора, и поддержание выходного напряжения на заданном уровне, используя сигнал обратной связи. Структура современных ШИМ-контроллеров обеспечивает и дополнительные функции, повышающие эффективность и надежность источника питания:

ограничение тока и скважности импульсов в цепи управления силовыми транзисторами;
плавный запуск преобразователя после подачи питания (Soft Start);
встроенный динамический источник питания от высоковольтного входного напряжения;
контроль уровня входного напряжения с устранением «провалов» и «выбросов»;
защита от КЗ в цепи силового трансформатора и выходных цепей выходного выпрямителя;
температурная защита контроллера, а также ключевого элемента;
блокировка работы преобразователя при пониженном и повышенном входном напряжении;
оптимизация управления для дежурного режима и режима с пониженным током в нагрузке (пропуск циклов или переход на пониженную частоту преобразования);
оптимизация уровня ЭМИ.

Рассматриваемые в статье ШИМ-контроллеры не имеют встроенного силового транзистора, управляющего током в первичной цепи силового трансформатора.

Ещё о функциях контроллеров ШИМ

Задумав спроектировать контроллер ШИМ своими руками, необходимо как следует продумать все детали его реализации. Только так можно создать работающее устройство. Кроме вышеуказанных выходов, работа ШИМ-контроллера подразумевает наличие следующих функций:

Опорное напряжение (VREF). Фабричные изделия для удобства обычно дополняются функцией выработки стабильного опорного напряжения. Специалисты заводов-изготовителей рекомендуют соединять данный вывод с общим проводом через емкость не менее 1 мкФ для повышения качества и возможности стабилизации опорного напряжения.

• Ограничение тока (ILIM). Если показатели напряжения на данном выводе существенно превышают установленное (как правило, около 1 В), то контроллер автоматически закрывает силовые ключи. В случаях, когда показатель напряжения превышает второе пороговое значение (в пределах 1,5-2 В), устройство тут же обнуляет напряжение на подключении к мягкому старту.
• Мягкий старт (SS). Показатель напряжения на данном выходе определяет максимально допустимую ширину будущих модулируемых импульсов. На данный вывод подает ток установленной величины. Если между ним и всеобщим кабелем вмонтировать дополнительную емкость, то она будет медленно, но уверенно заряжаться, что приведет к постепенному расширению каждого импульса от минимума вплоть до окончательного расчетного значения. Благодаря этому можно обеспечить плавное, а не стремительное нарастание величин тока и напряжения в общей схеме устройства, благодаря чему такая система и заслужила свое название «мягкий старт». При этом, если специально ввести ограничение по напряжению на данном выводе, допустим, подключив делитель напряжения и систему диодов, можно и вовсе ограничить превышение импульсами некоего задаваемого значения ширины.

Причины неисправности

Варисторы устанавливают параллельно защищаемой цепи, а последовательно с ним ставят предохранитель. Это нужно для того, чтобы, когда варистор сгорит, при слишком сильном импульсе перенапряжения сгорел предохранитель, а не дорожки печатной платы.

Единственной причиной выхода из строя варистора является резкий и сильный скачок напряжения в сети. Если энергия этого скачка большая, чем может рассеять варистор — он выйдет из строя. Максимальная рассеиваемая энергия зависит от габаритов компонента. Они отличаются диаметром и толщиной, то есть, чем они больше — тем больше энергии способен рассеять варистор.

Скачки напряжения могут возникать при авариях на ЛЭП, во время грозы, при коммутации мощных приборов, особенно индуктивной нагрузки.

Область применения

С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.

Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .

Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.

Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.

Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.

ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным

Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:

обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
контролирует уровень входного напряжения;
защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
при необходимости переводит устройство в дежурный режим.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Читать также: Фото кованых вешалок на стену

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей «затвор – исток» и «затвор – сток». Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

Для контроля над биполярным транзистором двухтактный каскад не используется, так как управление осуществляется с помощью тока, а не напряжения. Для закрытия биполярного транзистора достаточно всего лишь прекратить протекание тока через базу. При этом замыкание базы на общий провод необязательно.

Проверка на материнской плате

Итак, при включении питания платы, срабатывает защита. В первую очередь, необходимо проверить мультиметром сопротивление плеч стабилизатора.

Для этих целей также может быть использован тестер радиодеталей. Если одно из них показывает короткое замыкание, то есть, измеренное сопротивление составляет меньше 1 Ома, значит, пробит один из ключевых полевых транзисторов.

Выявление пробитого транзистора в случае, если стабилизатор однофазный, не составляет труда – неисправный прибор при проверке мультиметром показывает короткое замыкание. Если схема стабилизатора многофазная, а именно так питается процессор, имеет место параллельное включение транзисторов. В этом случае, определить поврежденный прибор можно двумя путями:

1. произвести демонтаж транзистора и проверить мультиметром сопротивление между его выводами на предмет пробоя;
2. не выпаивая транзисторы, замерить и сравнить сопротивление между затвором и истоком в каждой из фаз преобразователя. Поврежденный участок определяется по более низкому значению сопротивления.

Второй способ работает не во всех случаях. Если пробитый элемент определить не удалось, придется все же выпаять транзистор.

Далее производится замена поврежденного транзистора, а также, установка на место всех выпаянных в процессе диагностики радиоэлементов. После этого можно попытаться запустить плату.

Первое включение после ремонта лучше выполнить, сняв процессор и выставив соответствующие перемычки. Если первый запуск был успешным, можно проводить тест с нагрузкой, контролируя температуру мосфетов.

Неисправности ШИМ контроллера могут проявляться так же, как и пробой мосфетов, то есть уходом блока питания в защиту. При этом проверка самих транзисторов на пробой результата не дает.

Кроме этого, следствием нарушения функций ШИМ контроллера может быть отсутствие выходного напряжения или его несоответствие номинальной величине. Для проверки ШИМ контроллера следует вначале изучить его даташит. Наличие высокочастотного напряжения в импульсном режиме, при отсутствии осциллографа, можно определить, используя тестер кварцев на микроконтроллере.

Проверка на материнской плате

Итак, при включении питания платы, срабатывает защита. В первую очередь, необходимо проверить мультиметром сопротивление плеч стабилизатора.

Для этих целей также может быть использован тестер радиодеталей. Если одно из них показывает короткое замыкание, то есть, измеренное сопротивление составляет меньше 1 Ома, значит, пробит один из ключевых полевых транзисторов.

Выявление пробитого транзистора в случае, если стабилизатор однофазный, не составляет труда – неисправный прибор при проверке мультиметром показывает короткое замыкание. Если схема стабилизатора многофазная, а именно так питается процессор, имеет место параллельное включение транзисторов. В этом случае, определить поврежденный прибор можно двумя путями:

1. произвести демонтаж транзистора и проверить мультиметром сопротивление между его выводами на предмет пробоя;

2. не выпаивая транзисторы, замерить и сравнить сопротивление между затвором и истоком в каждой из фаз преобразователя. Поврежденный участок определяется по более низкому значению сопротивления.

Второй способ работает не во всех случаях. Если пробитый элемент определить не удалось, придется все же выпаять транзистор.

Далее производится замена поврежденного транзистора, а также, установка на место всех выпаянных в процессе диагностики радиоэлементов. После этого можно попытаться запустить плату.

Первое включение после ремонта лучше выполнить, сняв процессор и выставив соответствующие перемычки. Если первый запуск был успешным, можно проводить тест с нагрузкой, контролируя температуру мосфетов.

Неисправности ШИМ контроллера могут проявляться так же, как и пробой мосфетов, то есть уходом блока питания в защиту. При этом проверка самих транзисторов на пробой результата не дает.

Кроме этого, следствием нарушения функций ШИМ контроллера может быть отсутствие выходного напряжения или его несоответствие номинальной величине. Для проверки ШИМ контроллера следует вначале изучить его даташит. Наличие высокочастотного напряжения в импульсном режиме, при отсутствии осциллографа, можно определить, используя тестер кварцев на микроконтроллере.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

1. выпрямителя сетевого напряжения;
2. генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
3. преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Проверка работы ШИМ-контроллера

При проверке работы микросхемы ШИМ в первую очередь нужно проверить ее выходное сопротивление (между контактами GND и OUT) — как правило, оно должно быть очень большим, близким к бесконечности (при этом на измерения не должны оказывать влияние окружающие элементы). Если при исправном ключевом полевом транзисторе на выходе ШИМ-контроллера (не выпаянного из платы) малое сопротивление (ниже одного килоОма) — то микросхема пробита.

При выходе из строя силовых транзисторов, нужно проверять исправность не только микросхемы ШИМ-контроллера, но и ее обвязку, так как элементы выходных цепей часто оказываются неисправными при пробоях MOSFET-ов.

Правильно работающий ШИМ-контроллер при импульсном преобразовании напряжения должен формировать сигнал управления, имеющий одинаковую периодически изменяющуюся форму. Этот сигнал через драйверы попеременно открывает и закрывает ключевые полевые транзисторы верхнего и нижнего плеча каждой фазы питания. Обычный мультиметр не может корректно отображать сигнал на ШИМ-контроллере, так как он имеет слишком высокую частоту. Поэтому для изучения сигнала, формируемого ШИМ-контроллером нужно использовать осциллограф, который фактически является вольтметром с продвинутыми функциями.

При проверке ШИМ-контроллера можно использовать следующую последовательность действий:

• подать на ШИМ-микросхему проверяемого устройства от внешнего источника питания (лабораторного блока питания) необходимое ей питающее напряжение с ограничением тока;
• проверить референсное напряжение на выводе VREF, оно должно соответствовать номиналу (согласно даташиту);
• проверить стабильность референсного напряжения при изменениях питающего напряжения от лабораторного источника питания в пределах, соответствующих Datasheet;
• осциллографом проверить сигнал на выходе частотозадающей цепи ШИМ-контроллера, которое должно оставаться в пределах нормы даже при изменениях питающего напряжения в заданных пределах;
• проверить на осциллографе импульсы, идущие на ключевой транзистор фаз питания с выхода PWM-контроллера.

Применение

При широтно-импульсной модуляции в качестве несущего колебания используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанным с дискретным модулирующим сигналом, является длительность этих импульсов

Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов, то есть прямо пропорциональную их длительности. Пропустив импульсы через ФНЧ с частотой среза , значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив постоянное напряжение

Если длительность импульсов будет различной, ФНЧ выделит медленно меняющееся напряжение, отслеживающее закон изменения длительности импульсов. Таким образом, с помощью ШИМ можно создать несложный ЦАП : значения отсчётов сигнала кодируются длительностью импульсов, а ФНЧ преобразует импульсную последовательность в плавно меняющийся сигнал.

Начало любого ремонта – визуальный осмотр

Чтобы понять, что не так с блоком питания и почему он не работает, нужно провести визуальный осмотр устройства. Бывают ситуации, когда БП просто запылился и для решения проблемы достаточно его почистить. В визуальном осмотре прибора нужно проверить следующие моменты:

• работу системы охлаждения. Вентилятор должен быть очищен от пыли и хорошо крутиться. Если он не крутится, то причина поломки кроется в нем;
• электросхему на предмет наличия в ней сгоревших элементов. Некоторые детали при сгорании чернеют. Поэтому их можно определить визуально. Для некоторых элементов придется применять мультиметр. Также нужно проверить дорожки и провода на предмет обрывов.

Наиболее часто причинами поломки преобразователя являются:

• устройство не включается. У него отсутствует напряжения дежурного питания;
• преобразователь не включается при имеющемся дежурном напряжение. При этом у него отсутствует сигнал PG;
• у БП включается защита;
• устройство работает, но от него исходит неприятный запах;
• диагностируется слишком высокие или низкие выходные напряжения.

Привести к поломке блока питания могут самые разнообразные ситуации. Причем БП может, как сразу перестать работать, так и продолжать функционировать, но с периодическими сбоями. После выявления причины неполадки, можно приступать к ремонту блока питания своими руками. При этом нужно помнить, что несмотря на схожий принцип работы преобразователи имеют разнообразные схемы.

Вариант схемы блока питания

Обычно схемы различаются как по видам БП, так и по его предназначению (для компьютера, телевизора, планшета, мобильного телефона и т.д.). Поэтому, чтобы ремонт блока питания, проведённый своими руками, удался, первым делом необходимо раздобыть его схему. Не лишним будет сервисное руководства от конкретной аппаратуры.

Способы проверки

Существует несколько способов, позволяющих проверить микросхему на работоспособность.

Внешний осмотр

Если микросхема установлена на плате и выпаивать ее нежелательно, то необходимо осуществить ее визуальный осмотр. При внимательном изучении можно обнаружить очевидные дефекты. Таковыми могут быть перегоревшие контакты, обгоревшие и отпавшие провода, трещины на корпусе, обгоревшие обвесные компоненты. Если видимых повреждений не обнаружено, необходимы более сложные действия.

Проверка работоспособности с помощью мультиметра

Следующий шаг проверки – диагностика цепей питания системы. Для этой цели используется мультиметр. Для уточнения выводов питания рекомендуется заглянуть в datasheet на микросхему. Плюс в нем обозначается как VCC+, минус – VCC-, общий провод – GND. Минусовый щуп мультиметра подводится к минусу устройства, плюсовой щуп – к плюсу. Если напряжение соответствует норме для данной системы, то цепи питания устройства являются рабочими. Если обнаружены проблемы, то цепь питания отпаивают и проверяют ее исправность. Если она исправна, то проблема заключается в самой микросхеме.

Выявление нарушений в работе выходов

Если микросхема имеет несколько выходов и хотя бы один из них неработоспособен или функционирует некорректно, вся схема не сможет выполнять назначенные функции.

Проверку выходов мультиметром начинают с измерения напряжения на выводе интегрированного в микросхему источника опорного напряжения Vref. Его номинальное напряжение указывается в сопроводительных документах на устройство. На этом выводе должно присутствовать постоянное напряжение установленной величины. Если напряжение ниже или выше этого значения, то внутри устройства происходят нештатные процессы.

Если в микросхеме присутствует времязадающая RC-цепь, то на ней в рабочем режиме должны происходить колебания. В даташите указывается вывод, на котором предусмотрены такие колебания. Проверочные работы в данном случае осуществляют с помощью осциллографа. Его общий щуп устанавливается на минус питания, измерительный щуп – на RC-вывод. Если при проведении измерений обнаруживаются колебания установленной формы, то устройство исправно. Отсутствие колебаний или их неправильная форма свидетельствуют о проблемах в микросхеме или времязадающих элементах.

Если микросхема выполняет функции управляющего компонента, то на выходном управляющем выводе (или нескольких) должны присутствовать соответствующие сигналы. По datasheet определяют, какой вывод является управляющим. Вывод или выводы проверяют с помощью осциллографа таким же способом, как времязадающие RC-цепи. Если сигнал на этих выводах присутствует и соответствует заданной форме, то данная микросхема является полностью работоспособной. Если же сигнал отсутствует или его форма отличается от нормальной, необходимо проверить управляемую цепь, так как причиной неисправности может быть именно она. Если управляемая цепь исправна, то микросхема неработоспособна и ее необходимо заменить.

Правила безопасности во время выполнения прозвонки

Любые электротехнические работы, в том числе диагностика проводников требует соблюдения всех мер предосторожности и правил электробезопасности. Главные правила, соблюдения которых сохранят вам жизнь и здоровье звучат так:. Советуем изучить — Где в москве принимают опасные бытовые отходы

Советуем изучить — Где в москве принимают опасные бытовые отходы

Всегда работайте только при отключенном питании. Повесьте табличку «НЕ ВКЛЮЧАТЬ

РАБОТАЮТ ЛЮДИ!» у рубильника или автомата; Не касайтесь оголенных проводников голыми руками, используйте спецодежду и специальный инструмент; Пользуйтесь электроинструментом с острыми кромками осторожно: используйте перчатки и не допускайте повреждения кабеля; По окончании работ все неисправные системы должны быть обесточены, а оголенные провода – качественно заизолированы. Берегите себя и помните, если вы сомневаетесь, что вам по силам работа с электрическими сетями – доверьте это дело профессионалам

Берегите себя и помните, если вы сомневаетесь, что вам по силам работа с электрическими сетями – доверьте это дело профессионалам.

Популярные бренды

В бюджетных моделях проценты указываются приблизительно. Это относится к моделям бренда EPSolar. Производители от Morningstar совсем отказались от SOC и выдают информацию пользователю о напряжении АКБ в вольтах. Более достоверными считаются показания процентов у таких торговых марок:

• Steca PR1010-3030;
• Tarom;
• Power Tarom.

Китайские производители EPSolar являются наиболее востребованными на рынке данной электроники. Их продукция является оптимальной по соотношению стоимости и качеству, при этом в арсенале имеются модели, впитавшие максимальное количество функционала. Высокое качество комплектующих и сборки выгодно отличает бренд от конкурентов типа Steca Solar. Имеются модели с таймерами для выключения/включения разных ночников.

EPsolar LS2024B PWM Контроллер заряда 20А, 12/24В

Более дорогим является немецкий бренд Steca. Европейское качество привязано к стоимости валюты, поэтому не все могут выбрать такие модели.

Steca Solar PR

Похожие записи:

Обзор ксеноновых ламп d2r Нарисовать схему электропроводки онлайн Как правильно выбрать люстру в зал: размеры, мощность, форма, лампочки Пуэ 7 Лампы дрл: устройство, характеристики, правила выбора Категории надёжности электроснабжения