Вернуться в раздел электроники

ШИМ контроллер на TL494

      В последние годы наблюдается огромный интерес к электрическому транспорту. Если еще 3-4 года назад разработкой и изготовлением электромобилей, скутеров, электровелосипедов занималось, может быть, несколько десятков человек, сейчас же сотни людей имеют желание сделать собственную электрофицированную машину. На определенном этапе конструирования электромашины возникает вопрос как же этим всем управлять.

      Данная статья посвящена изготовлению ШИМ контроллера коллекторного двигателя постоянного тока (ДПТ), наиболее популярного среди самодеятельных конструкторов. Ставим целью сделать схему предельно простую, надежную и требующую минимум настроек при изготовлении. Но следует заметить, что средства защиты от перегрузок не предусмотрены и ток следует контролировать иными средствами, например по стрелочному прибору.

      Представляю принципиальную схему регулятора:

      Чтобы исключить предполагаемый вопрос сразу обьясню для чего нужна конструкция из деталей R,VD,VT. Это формирователь точки минимального значения заполнения ШИМ импульса. Как правило минимальное значение ШИМ устанавливается равное "0" - т.е. импульсы управления в нагрузку не поступают. Такая схема нужна для того, чтобы один раз настроить минимальное значение ШИМ и в дальнейшем замена потенциометра или изменение сектора работы потенциометра уже не потребует подбора нижнего резистора (R3). Все настройки будут выполняться резистором R1. В случае применения этой конструкции рекомендуется резистор R3 уменьшить до 2 кОм.

     Схема разрабатывалась и испытывалась на электротрайке с напряжением тяговой батареи 24 вольта. Поэтому некоторые элементы расчитаны на питание от 24 вольт, в частности узел питания на интегральном стабилизаторе DA1. При использовании более высокого напряжения необходимо позаботиться о понижении питания до разумной величины (30-18 вольт) или запитать от отдельной батареи аккумуляторов. Также необходимо увеличить трезистор R15 пропорционально питанию. Силовые выходные транзисторы должны иметь рабочее напряжение не менее 2-х кратно большее напряжения тяговой батареи, а суммарный ток сборки транзисторов в 2-4 раза больше номинального тока нагрузки.

      В качестве главного управляющего элемента устройства используется микросхема типа TL494CN, выпускаемая фирмой TEXAS INSTRUMENT (США). Она выпускается рядом зарубежных фирм под разными наименованиями. Например, фирма SHARP (Япония) выпускает микросхему IR3M02, фирма FAIRCHILD (США) - иА494, фирма SAMSUNG (Корея) - КА7500, фирма FUJITSU (Япония) - МВ3759, есть ещё mPC494,TL493,TL495,TL594 и т.д. Все эти микросхемы являются полными аналогами отечественной микросхемы КР1114ЕУ4 (М1114ЕУ4,K1006EУ4).
      Есть ещё отечественная микросхема M1114ЕУ3, но у неё изменена разводка выводов по ножкам микросхемы.
      TL594 - аналог TL494 c улучшенной точностью усилителей ошибки и компаратора.
      TL598 - аналог TL594 c двухтактным (pnp-npn) повторителем на выходе.

      Плюсы:
Развитые цепи управления, два дифференциальный усилителя (могут выполнять и логические функции)
      Минусы:
Однофазные выходы требуют дополнительной обвески (по сравнению с UC3825). Недоступно токовое управление, относительно медленная петля обратной связи. Синхронное включение двух и более ИС не так удобно, как в UC3825.

      Не будем подробно рассматривать устройство и работу этой управляющей микросхемы. ЗДЕСЬ можно посмотреть статью c описанием работы микросхемы. Но немного остановимся на работе цепей измерительных усилителей. (Пока эти усилители не задействованы)

      Усилители ошибки - фактически, операционные усилители с Ку=70..95дБ по постоянному напряжению (60 дБ для ранних выпусков), на частоте 350 кГц - коэффициент Ку=1.
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 частотно-зависимой 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.

      Требуют небольшого комментария выходные транзисторы - это транзисторы структуры n-p-n по схеме Дарлингтона 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.

      Управление мощностью нагрузки осуществляется по входу 4 - изменение напряжения от 0.5 до 3.5 в. Питание для напряжение смещения подается с выхода 14 - опорное напряжение 5.0 в (нагрузка до 10 мА).
Вход компаратора регулировки мертвого времени имеет смещение 120мВ, это ограничивает минимальное мертвое время на выходе первыми 4% длительности цикла пилообразного напряжения. В результате максимальная длительность рабочего цикла составляет 96% в том случае, если вывод 13 заземлен.
В нашем устройстве для удобства управления микросхемой применен каскад на транзисторе VT1 для задания ШИМ импульсов, это позволяент работать на части сектора работы потенциометра. Это актуально для применения ШИМ регулятора на электротранспорте, когда не всегда возможно изготовить педальное устройство на 100% диапазона потенциометра.

Рассмотрим работу силовых ключей.

      Выходные транзисторы TL494 спарены, включены эмитерным повторителем и нагружены на резистор R9 величиной 470 Ом. Выходной транзистор микросхемы открывает транзистор VT2, открывая ключевые силовые транзисторы VT4-VT7. Разряжаются затворы транзистором VT3, а он соответственно открывается через резистор R9.
Было бы целесообразно поставить вместо транзисторов VT2 и VT3 специализированный MOSFET драйвер, например IR4426. Подробно объяснять его структуру нет необходимости. Этот драйвер выпускается широко известной фирмой International Rectifier (IR). Естественно есть аналоги других фирм. Микросхема представляет из себя специализированный инверсный драйвер двух полевых затворов. Выходы драйвера можно запараллелить для увеличения их нагрузочной способности.
Вот её типовое включение:

      Но нами поставлена цель иметь максимально упрощенный ШИ регулятор для ДТП, поэтому ограничимся именно таким построением схемы устройства. Это позволит подобрать необходимые детали даже в дали от крупных городов. Микросхема TL494 широко применяется в блоках питания компьютеров, поэтому её найти не составит труда.
При разводке печатной платы транзисторы VT2 и VT3 следует ставить ближе к источнику питания, а между коллекторами транзисторами установить керамический конденсатор С4 в непосредственно близости к ним.
Силовой модуль, куда входят резисторы R11-R16, транзисторы VT4-VT7, диод VD3 изготавливается отдельно с тщательным соблюдением требований к силовым устройствам. А диод VD3 вообще рекомендую ставить вблизи электродвигателя или на его клеммы, снабдив небольшим радиатором с площадью пластин 30-50 кв.см.

     Обратите внимание на подвод токосьемных проводников. После запаивания транзисторов и резисторов, надо уделить особое внимание прокладке электрических проводов. Необходимо проложить медные жилы непосредственно до выводов транзисторов. И чем толще, тем лучше. Удельные сопротивления припоя и меди различаются почти в десять раз. Поэтому в силовых цепях на припой как на проводник электричества расчитывать не следует. Он создает значительное падение напряжения, что является причиной неравномерной загрузки силовых транзисторов и как следствие ведет к проблемам с качественной работой всего устройства в целом.
Чтобы не быть голословным приведу удельные сопротивления: медь - 0.0175 Ом*мм2/м, припой - 0.167 Ом*мм2/м (олово-0.115, свинец-0.221)       Управляющий сигнал к силовому блоку подвести витым проводом и в центр сборки, а еще лучше для каждого транзистора свою витую пару, но это уже как идеальный вариант.
      Демпферный диод VD3 можно установить как в силовом блоке (если есть место) так и непосредственно на электродвигатель, либо по пути прокладки силовых кабелей.

      В заключение рисунок печатной платы. В рисунке должно быть все понятно. Размер печатной платы из одностороннего фольгированного стеклотекстолита 55 х 70 мм.

      Схема имеет недостаток, который выяснился в результате опытной эксплуатации: НЕ ВОЗМОЖНО ПОЛУЧИТЬ 100% МОЩНОСТИ на электродвигателе, при полностью выведенном регуляторе мощности. Ограничение примерно на 95% мощности.

     И ещё пожелание. При разгоне и трогании транспортного средства необходимо контролировать максимальный ток через нагрузку. Устройство не имеет функции ограничения тока. Для контроля тока используйте подходящий по параметрам амперметр.

Вернуться в раздел электроники, к другим схемам ШИМ