Схема блок питания на tl494 с регулировкой напряжения и тока

Николай Петрушов

TL494 (Texas Instruments) — это наверное самый распространённый ШИМ-контроллер, на базе которого создавалась основная масса компьютерных блоков питания, и силовые части различных бытовых приборов. Да и сейчас эта микросхема довольно популярна среди радиолюбителей, занимающихся построением импульсных блоков питания. Отечественный аналог этой микросхемы — М1114ЕУ4 (КР1114ЕУ4). Кроме того ещё разные зарубежные фирмы выпускают данную микросхему с разными названиями. Например IR3M02 (Sharp), KA7500 (Samsung), MB3759 (Fujitsu). Всё это одна и та же микросхема. Возраст её гораздо моложе TL431. Выпускаться он начала фирмой Texas Instruments где то с конца 90-х — начала 2000-х годов. Давайте-ка вместе попробуем разобраться, что она из себя представляет и что это за «зверь» такой? Рассматривать мы будем микросхему TL494 (Texas Instruments).

И так, для начала посмотрим, что у неё внутри.

Состав.

В её составе имеется:

— генератор пилообразного напряжения (ГПН); — компаратор регулировки мертвого времени (DA1); — компаратор регулировки ШИМ (DA2); — усилитель ошибки 1 (DA3), используется в основном по напряжению; — усилитель ошибки 2 (DA4), используется в основном по сигналу ограничения тока; — стабильный источник опорного напряжения (ИОН) на 5В с внешним выводом 14; — схема управления работой выходного каскада.

Потом все её составные части мы конечно рассмотрим и постараемся разобраться, для чего всё это нужно и как всё это работает, но для начала необходимо будет привести её рабочие параметры (характеристики).

Что понадобится для изготовления

Более 90% комплектующих для лабораторника в компьютерном блоке питания уже есть. Оставшиеся придется подбирать под конкретную схему (элементы недорогие и их будет немного), но обязательно понадобятся:

• два потенциометра для регулировки напряжения и тока;
• несколько оксидных конденсаторов на напряжение не ниже 35 вольт (лучше 50+) емкостью, соответствующей штатной емкости элементов канала +12 вольт (или больше, если уместятся по габаритам);
• клеммы для подключения нагрузки (удобно использовать красную для плюсового вывода и черную для минусового);
• вольтметр и амперметр для измерения выходных параметров (можно использовать аналоговые приборы, можно цифровые, а удобнее применять сдвоенный блок вольтметр-амперметр).

Цифровой индикатор тока и напряжения.

Из приборов обязательно понадобится мультиметр. Не будет лишним и осциллограф – проверить наличие выходных импульсов на микросхеме ШИМ и ее реакцию на управляющее воздействие, если что-то пойдет не так. Также нужен будет паяльник с комплектом расходников и мелкий слесарный инструмент (набор отверток, кусачки и т.п.).

Рекомендуемые рабочие параметры.

Предельные её характеристики следующие;

Напряжение питания……………………………………………..41В

Входное напряжение усилителя………………………………(Vcc+0.3)В

Выходное напряжение коллектора…………………………..41В

Выходной ток коллектора………………………………………250мА

Общая мощность рассеивания в непрерывном режиме….1Вт

Составные части импульсного блок питания на tl494

Блок питания можно разделить на 3 части:

Внутренний блок питания

Это блоки питания необходим для запитки вентилятора охлаждения, шим контроллера и вольтамперметра. Сюда подойдет любой блок питания с небольшой мощностью. Лучше конечно не собирать свой а использовать готовые решения, к примеру можно взять AC-DC преобразователь.

2 Блок управления.

Блок состоит из микросхемы TL494 и драйвера на 4-х транзисторах.

Схема включения TL494 получается очень простая, такая схема подключения довольно распространена у радиолюбителей. При помощи резистора R4 осуществляется регулировка напряжения от 0 до максимального значения, а при помощи R2 задается максимальное значение силы тока. Резисторы R11 и R12 можно использовать многооборотные.

Блок управления можно собрать на отдельной плате.

Печатная плата блока управления

3 Силовая часть

Большую часть деталей можно взять из старого блока питания компьютера, входной фильтр, выпрямитель, конденсаторы тоже берем из него.

Далее нам необходимо изготовить трансформатор управления силовыми ключами. Большинство радиолюбителей пугает тот факт что придется изготавливать трансформатор. Но в нашем случае все просто.

Для изготовления трансформатора понадобится колечко R16 x 10 x 4.5 и провод МГТФ 0.07 кв. мм. Провод берем 3 отрезка по 1 метру и делаем 30 витков в 3 провода на кольце.

Дроссель L1 также наматывается на ферритовое кольцо медным проводом длинной 1.5-2 метра и сечением 2 мм. Такая намотка позволят достичь приблизительно требуемой индуктивности.

Во множестве блоков питания есть второй дроссель на ферритовом стрежне, в качестве L2 можно взять его.

Силовой трансформатор тоже берется из блока питания от компьютера, но выходное напряжение будет 20 Вольт. Для того чтобы получить 30 Вольт, силовой трансформатор нужно перемотать. Для больших токов предпочтительнее брать ферритовые кольца.

↑ Итого

Вот и все можно закрывать крышу. Данное устройство можно использовать как лабораторный блок питания, так и зарядное устройство для аккумуляторов. В последнем случае резистором R10 надо выставить конечное напряжение для заряженного аккумулятора (например 14,2 В для автомобильного кислотного аккумулятора), подключить нагрузку и выставить резистором R4 ток зарядки. В случае зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов резистор R10 можно заменить на постоянный.

В некоторых экземплярах наблюдалось журчание трансформатора, этот эффект удалось устранить подключением конденсатора на 0,1 мкФ с вывода №1 DА1 на корпус (GND) или подключением конденсатора на 10000 мкФ параллельно конденсатору С3.

↑ Особенности импульсного варианта ЭН

Аналоговые электронные нагрузки безусловно хороши и многие из тех, кто использовал ЭН при наладке силовых устройств, оценили ее преимущества. Импульсные ЭН имеют свою изюминку, давая возможность для оценки работы блока питания при импульсном характере нагрузки таком, как, например, работа цифровых устройств. Мощные усилители звуковых частот так же оказывают характерное влияние на питающие устройства, а потому, неплохо было бы знать, как поведет себя блок питания, расчитанный и изготовленный для конкретного усилителя, при определенном заданном характере нагрузки.
При диагностике ремонтируемых блоков питания эффект применения импульсной ЭН так же заметен. Так, например, с помощью импульсной ЭН была найдена неисправность современного компьютерного БП. Заявленная неисправность данного 850-ваттного БП была следующей: компьютер при работе с этим БП выключался произвольно в любое время при работе с любым приложением, независимо от потребляемой, на момент выключения, мощности. При проверке на обычную нагрузку (куча мощных резисторов по +3В, +5В и галогенных лампочек по +12В) этот БП отработал на «ура» в течении нескольких часов при том, что мощность нагрузки составила 2/3 от его заявленной мощности. Неисправность проявилась при подключении импульсной ЭН к каналу +3В и БП начал отключаться, едва стрелка амперметра доходила до деления 1А. При этом токи нагрузки по каждому из прочих каналов положительного напряжения не превышали 3А. Неисправной оказалась плата супервизора и была заменена на аналогичную (благо, был такой же БП с выгоревшей силовой частью), после чего БП заработал нормально на максимальном токе, допустимом для используемого экземпляра импульсной ЭН (10А), которая и является предметом описания в данной статье.

↑ Схема и описание переделок

Рис. 1
В качестве ШИМ-регулятора управления D1 используется микросхема типа TL494. Она выпускается рядом зарубежных фирм под разными наименованиями. Например, IR3M02 (SHARP, Япония), µА494 (FAIRCHILD, США), КА7500 (SAMSUNG, Корея), МВ3759 (FUJITSU, Япония) — и т.д. Все эти микросхемы являются аналогами микросхемы КР1114ЕУ4.

Перед модернизацией надо проверить ИБП на работоспособность, иначе ничего путного не выйдет.

Снимаем переключатель 115/230V и гнезда для подсоединения шнуров. На месте верхнего гнезда устанавливаем микроамперметр РА1 на 150 – 200 мкА от кассетных магнитофонов, родная шкала снята, вместо нее установлена самодельная шкала изготовленная с помощью программы FrontDesigner, файлы шкал прилагаются.

Место нижнего гнезда закрываем жестью и сверлим отверстия для резисторов R4 и R10. На задней панели корпуса устанавливаем клеммы Кл1 и Кл2. На плате ИБП оставляем провода идущие от шин GND и +12В, их мы припаяем к клеммам Кл1 и Кл2. Провод PS-ON (если он есть) соединяем на корпус (GND).

Металлическим резаком перерезаем дорожки на печатной плате ИБП идущие к выводам №№1, 2, 3, 4, 13, 14, 15, 16 микросхемы DA1 и подпаиваем детали согласно схеме (Рис. 1).

Все электролитические конденсаторы на шине +12В заменяем на 25-ти Вольтовые. Штатный вентилятор М1 подключаем через стабилизатор напряжения DA2. При монтаже также надо учесть, что резисторы R12 и R13 в процессе работы блока нагреваются, их надо расположить поближе к вентилятору.

Правильно собранное, без ошибок, устройство запускается сразу. Изменяя сопротивление резистора R10, проверяем пределы регулировки выходного напряжения, примерно от 3 – 6 до 18 – 25 В (в зависимости от конкретного экземпляра). Подбираем последовательно с R10 постоянный резистор, ограничив верхний предел регулировки на нужном нам уровне (ну скажем 14 В). Подключаем к клеммам нагрузку (сопротивлением 2 – 3 Ома) и изменяя сопротивление резистора R4 регулируем ток в нагрузке.

Если на наклеечке ИБП было написано +12 V 8 A, то не следует пытаться снять с него 15 Ампер.

↑ Схема 10

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

На схеме 10 — импульсно-линейный ЛБП, отличающийся от своих концептуальных прототипов из предыдущих частей статьи лишь применением ШИР
TL494
.

Из особенностей работы ШИР в данной схеме стоит отметить лишь то, что упразднены оба УО из-за отсутствия необходимости сравнивать что-либо, т. к. функция гильотины для обрезки импульса управления передана оптрону IC1, отслеживающего падение напряжения на входе/выходе линейного регулятора DA2.

Транзистор оптрона, открываясь, подает положительное напряжение около 5В на pin3 ШИР, являющийся объединенным выходом обоих УО микросхемы DA1. При этом встроенная логика ШИР, реагируя на логическую «1», запрещает прохождение управляющего импульса (в любой из стадий его существования) на выход DA1. Драйвер СК (VT2 или комплиментарная пара VT1, 4, показанная на схеме 10Б) и сам силовой ключ (VT3) — запираются в ожидании снижения напряжения на электродах DA2.

Продолжение следует!

Схема для лабораторного БП

Для переделки ненужного блока питания компьютера в лабораторный источник с регулируемым выходным напряжением хорошо подходят БП стандарта ATX (но можно и AT), выполненные по схеме с ШИМ на микросхеме TL494 или ее аналогах.

Структурная схема блока питания стандарта ATX.

Хотя они все построены по одной структурной схеме и работают по схожему принципу, физически реализованы источники питания могут быть по-разному. Потому первое, с чего надо начать – попытаться найти принципиальную схему от фактически имеющегося блока.

Процедуру переделки можно рассмотреть на примере модели LC-250ATX. Поняв принцип, можно будет работать и с другими подобными блоками.

Изначальная схема блока LC-250ATX.

В основу работы LC-250ATX положен принцип ШИМ, реализованный на стандартной для таких схем микросхеме TL494. Она формирует импульсы, которые усиливаются ключами на транзисторах Q6,Q7, далее через трансформатор T2 ключами на транзисторах Q1, Q2 создаются импульсы на первичной обмотке трансформатора T1. Эти импульсы трансформируются через вторичные обмотки и подаются на выпрямители различных напряжений, из которых для переделки интересен лишь канал +12 вольт.

Схема дежурного напряжения собрана на транзисторе Q3, трансформаторе T3 и интегральном стабилизаторе 7805. Этот участок также понадобится для будущей конструкции. На операционном усилителе LM339 собрана схема формирования сигнала PWR_OK и запуска БП сигналом от материнской платы.

↑ Идея

Идея создания импульсной нагрузки появилась достаточно давно и впервые была реализована в 2002 году, но не в теперешнем ее виде и на другой элементной базе и для несколько иных целей и не было в то время для меня лично достаточных стимулов и прочих основаий для развития этой идеи. Сейчас звезды стоят иначе и что-то сошлось для очередного воплощения этого устройства. С другой стороны, устройство изначально имело несколько иное назначение — проверка параметров импульсных трансформаторов и дросселей. Но одно другому не мешает. Кстати, если кто-то захочет заняться исследованием индуктивных компонентов с помощью этого или аналогичного устройства, пожалуйста: ниже архивы статей маститых (в области силовой электроники) инженеров, посвященных этой теме.
Итак, что же представляет собой «классическая» (аналоговая) ЭН в принципе. Токовый стабилизатор, работающий в режиме короткого замыкания. И ничего больше. И будет прав тот, кто в порыве какой угодно страсти замкнет выходные клеммы зарядного устройства или сварочного аппарата и скажет: это — электронная нагрузка! Не факт, конечно, что подобное замыкание не будет иметь пагубных последствий, как для устройств, так и для самого оператора, но и то и другое устройство действительно являются источниками тока и вполне могли бы претендовать после определенной доводки на роль электронной нагрузки, как и любой другой сколь угодно примитивный источник тока. Ток в аналоговой ЭН будет зависеть от напряжения на выходе проверяемого БП, омического сопротивления канала полевого транзистора, устанавливаемого величиной напряжения на его затворе.

Ток в импульсной ЭН будет зависеть от суммы параметров в число которых будет входить ширина импульса, минимальное сопротивление открытого канала выходного ключа и свойства проверяемого БП (емкость конденсаторов, индуктивность дросселей БП, выходное напряжение). При открытом ключе ЭН образует кратковременное короткое замыкание, при котором конденсаторы испытуемого БП разряжаются, а дроссели (если они содержатся в конструктиве БП) стремяться к насыщению. Классического КЗ, однако, не происходит, т.к. ширина импульса ограничена во времени микросекундными величинами, определяющими величину разрядного тока конденсаторов БП. В то же время проверка импульсной ЭН является более экстремальной для проверяемого БП. Зато и «подводных камней» при такой проверке выявляется больше, вплоть до качества питающих проводников, подводимых к питающему устройству. Так, при подключении импульсной ЭН к 12-тивольтовому БП соединительными медными проводами диаметром жилы 0,8мм и токе нагрузки 5А, осциллограмма на ЭН выявила пульсации, представляющие собой последовательность прямоугольных импульсов размахом до 2В и остроконечными выбросами с амплитудой, равной напряжению питания. На клеммах самого БП пульсации от ЭН практически отсутствовали. На самой ЭН пульсации были сведены к минимуму (менее 50мВ) при помощи увеличения количества жил каждого питающих ЭН проводников — до 6. В «двухжильном» варианте минимума пульсаций, сопоставимого с «шестижильным», удалось достигнуть установкой дополнительного электролитического конденсатора емкостью 4700мФ в точках соединения питающих проводов с нагрузкой. Так что, при построении БП, импульсная ЭН очень даже может пригодиться.

↑ Преимущества электронного эквивалента нагрузки

Чем же в принципе электронные нагрузочные эквиваленты предпочтительнее традиционных средств (мощные резисторы, лампы накаливания, термонагреватели и прочие приспособления), используемых зачастую конструкторами при наладке различных силовых устройств?
Граждане портала, имеющие отношение к конструированию и ремонту блоков питания, несомненно знают ответ на этот вопрос. Лично я вижу два фактора, достаточных для того, что бы иметь в своей «лаборатории» электронную нагрузку: небольшие габариты, возможность управления мощностью нагрузки в больших пределах простыми средствами (так, как мы регулируем громкость звучания или выходное напряжение блока питания — обычным переменным резистором а не мощными контактами рубильника, движком реостата и т.д.).

Кроме того, «действия» электронной нагрузки можно легко автоматизировать, облегчив таким образом и сделав более изощренными испытания силового устройства с помощью электронной нагрузки. При этом, разумеется, освобождаются глаза и руки инженера, работа становится продуктивней. Но о прелестях всех возможных наворотов и совершенств — не в этой статье, и, быть может, от другого автора. А пока, — лишь о еще одной разновидности электронной нагрузки — импульсной.

↑ Монтаж ЛБП

Монтаж ЛБП выполнен в виде отдельных узлов, смонтированных в корпусе от компьютерного БП. Силовые компоненты схемы через изолирующие прокладки установлены на охлаждающую алюминиевую пластину, закрепленную на одной из стенок металлического корпуса. Жесткие выводы силовых элементов образуют достаточно прочную конструкцию, которая удерживает на себе небольшую перфорированную макетную плату со смонтированной на ней схемой управления ЛБП.
ЭТ смонтирован на этой же стенке корпуса, увеличивая стенками своей алюминиевой коробочки общую площадь охлаждения (так, на всякий случай). Органы управления, выходные гнезда и показометры, выполненные на базе стрелочных индикаторов, смонтированы на гетинаксовой панели, благодаря которой можно понять, где и что у избушки… «Амперметр» был проградуирован заблаговременно для других целей и разрешение шкалы вдвое выше, чем на самом деле. Приходиться все показания делить на 2, что в принципе не сложно при наличии компьютера и калькулятора.

Кроме покупных ручек регулировки в дизайне ЛБП ничего выдающегося нет, как и в дизайне всех моих поделок, но и в таком виде блок питания выручает меня практически ежедневно.