Схема мощного шим регулятора на TL494
Схема
Принцип работы схемы
Схема питается от +24 В, и сразу после VD1 (1N4007) и входного конденсатора C4 (0,1 µF) запитывает линейный стабилизатор DA1 (K142EH8B). Его выход +15 В, дополнительно сглаживаемый C5 (1000 µF) и C6 (0,1 µF), поступает на VCC (пин 12) ШИМ-контроллера TL494 (DD1) и на драйверные каскады.
Внутри TL494 на выводах RT (6) и CT (5) формируется частота порядка десятков килогерц цепью R10 (20 кΩ)–C3 (47 нФ). Два внутренних усилителя ошибки регулируют скважность импульсов по двум каналам. Первый сравнивает опорные 5 В (REF, пин 14) с напряжением обратной связи, подаваемым на входы IN1+ (пин 1) и IN1– (пин 2) через цепь R1 (100 Ω), R2 (6 кΩ), R3 (1,5 кΩ), R4 (51 кΩ), R5 (24 кΩ) и конденсаторы C1 (0,1 µF) и C2 (10 µF). Второй усилитель следит за током: он измеряет падение на шунте Rш через резисторы R12 (24 кΩ) и R19 (24 кΩ) с частотной компенсацией R18 (51 кΩ)–C4 (0,1 µF) на входах 2IN+ (пин 16) и 2IN– (пин 15).
Выходные открытоколлекторные транзисторы TL494 (C1, пин 8 и E2, пин 10) через резисторы R11 (1 кΩ), R8 (1 кΩ) и R9 (5,1 кΩ) формируют ШИМ-сигнал, который сначала усиливает VT1 (кт315) и затем подаёт на push–pull каскад VT3 (PNP кт814) и VT2 (NPN кт815). VT3 подаёт с +15 В на затворы силовых ключей, а VT2 жёстко стягивает их на «землю», причём цепи R14–R17 (по 10 Ω) обеспечивают демпфирование и равномерное распределение затворных токов. Четыре MOSFET VT4–VT7 (IRFZ305) параллельно коммутируют мотор M1, включённый в серию с регулируемым резистором R20 (3 кΩ) для грубой установки скорости. При разомкнутых ключах диод VD2 (150EBU02) гасит индуктивные выбросы обмоток.
TL494 – вместе с опорными делителями, цепью частотозадающего генератора и двумя усилителями ошибки – выдаёт широтноимпульсный сигнал, который через каскад VT1…VT3 переключает MOSFET-ы VT4–VT7, обеспечивая управление током и скоростью двигателя с надёжной защитой от перегрузок.
Преимущества и недостатки схемы
Во-первых, импульсное регулирование позволяет практически полностью исключить потери на тепле, характерные для линейных стабилизаторов, — почти вся разница напряжений «утекает» в моменты переключения ключей, что обеспечивает максимальную мощность на валу двигателя при минимальном энергопотреблении. Защита по току встроена прямо в ШИМ-контроллер: второй компаратор, отслеживая падение напряжения на шунте, мгновенно снижает длительность импульсов до безопасного уровня и при необходимости глушит ключи, оберегая и полевые транзисторы, и сам мотор от перегрузок. Параллельный «push-pull» драйвер на VT3 и VT2 обеспечивает быстрый и мощный заряд/разряд затворов IRFZ305, что снижает переходные потери и тепловую нагрузку на ключи, а возможность добавлять несколько MOSFET-ов подряд позволяет легко наращивать выходной ток до десятков ампер.
С другой стороны, все эти преимущества достаются ценой сравнительно сложной конструкции: десятки дискретных резисторов и конденсаторов в делителях обратной связи, тайминга и компенсации, несколько транзисторных каскадов драйвера и крупный линейный стабилизатор 15 В (K142EH8B), сбрасывающий разницу напряжений в тепло, требуют значительного пространства на плате и хорошего теплоотвода. Питание и логики, и двигателя от одной шины +24 В без гальванической развязки усложняет вопросы безопасности и помехозащищённости. Кроме того, аналоговый TL494 ограничен в частоте ШИМ (обычно до 100 кГц) и не имеет гибких цифровых алгоритмов плавного старта, адаптивного управления частотой или сложных режимов регулирования, которыми оснащены современные микроконтроллеры и DSP-решения. Наконец, параллельное включение MOSFET-ов требует тщательного подбора и выравнивания их характеристик $R_{DS(on)}$ и температурных режимов, чтобы избежать неравномерного распределения тока и локального перегрева отдельных ключей.
