Jak již bylo uvedeno, vyhlazování napěťových impulzů pomocí LC filtru je nezbytné, aby se dosáhlo mezní frekvence filtru f 0 = 2/ byla výrazně nižší než rychlost opakování napěťových impulsů. Tato podmínka umožňuje zvolit potřebnou kapacitu a indukčnost filtru. Odbočme však od vzorců a pokusme se vysvětlit princip filtru jednodušším jazykem.

V okamžiku, kdy je vypínač rozpojený (tranzistor T 1 je rozpojen, tranzistor T 2 je sepnut), je energie ze vstupního zdroje přenesena do zátěže přes indukčnost. L ve kterém se ukládá energie. Proud procházející obvodem se nemění okamžitě, ale postupně, protože EMF, který se vyskytuje v indukčnosti, zabraňuje změně proudu. Současně se také nabíjí kondenzátor instalovaný paralelně se zátěží.

Po sepnutí výkonového spínače (tranzistor T 1 sepnut, tranzistor T 2 rozpojen) proud ze vstupního napěťového vedení neteče do indukčnosti, ale podle fyzikálních zákonů si vznikající indukční EMF udržuje směr proudu. To znamená, že během této doby je proud přiváděn do zátěže z indukčního prvku. Aby se obvod uzavřel a proud tekl do vyhlazovacího kondenzátoru a do zátěže, otevře se tranzistor T 2, čímž se zajistí uzavřený obvod a tok proudu po dráze indukčnost - kapacita a zátěž - tranzistor T 2 - indukčnost.

Jak již bylo uvedeno, pomocí takového vyhlazovacího filtru můžete získat napětí na zátěži, které je úměrné pracovnímu cyklu řídicích impulsů PWM. Je však jasné, že při tomto způsobu vyhlazování výstupní napětí bude mít zvlnění napájecího napětí vzhledem k nějaké průměrné hodnotě (výstupní napětí) - obr. 4. Velikost zvlnění napětí na výstupu závisí na spínací frekvenci tranzistorů, hodnotě kapacity a indukčnosti.

Rýže. 4. Zvlnění napětí po vyhlazení LC filtrem

Funkce stabilizace výstupního napětí a PWM regulátoru

Jak již bylo uvedeno, výstupní napětí závisí (pro danou zátěž, frekvenci, indukčnost a kapacitu) na pracovním cyklu pulzů PWM. Protože se proud zátěží dynamicky mění, vzniká problém se stabilizací výstupního napětí. To se provádí následujícím způsobem. PWM regulátor, který generuje tranzistorové spínací signály, je připojen k zátěži ve smyčce zpětná vazba a nepřetržitě monitoruje výstupní napětí na zátěži. Uvnitř PWM regulátoru je generováno referenční napájecí napětí, které by mělo být na zátěži. Regulátor PWM neustále porovnává výstupní napětí s referenčním napětím a pokud dojde k nesouladu U, pak se tento chybový signál použije ke změně (korekci) pracovního cyklu pulzů PWM, tedy změny pracovního cyklu pulzů ~ U. Tím je realizována stabilizace výstupního napětí.

Přirozeně se nabízí otázka: jak PWM regulátor ví o požadovaném napájecím napětí? Například, pokud mluvíme o procesorech, pak, jak víte, napájecí napětí různé modely procesor může být jiný. Navíc i u stejného procesoru se napájecí napětí může dynamicky měnit v závislosti na jeho aktuální zátěži.

PWM regulátor se o požadovaném jmenovitém napájecím napětí dozvídá signálem VID (Voltage Identifier). Pro moderní procesory Intel Core Procesory i7, které podporují specifikaci napájení VR 11.1, signál VID je 8bitový a u starších procesorů, které jsou kompatibilní se specifikací VR 10.0, byl signál VID 6bitový. 8bitový signál VID (kombinace 0 a 1) umožňuje nastavit 256 různých úrovní napětí procesoru.

Omezení jednofázového spínaného regulátoru napájecího napětí

Námi uvažovaný jednofázový obvod spínaného regulátoru napájecího napětí je v provedení jednoduchý, má však řadu omezení a nevýhod.

Pokud mluvíme o omezení jednofázového spínaného regulátoru napájecího napětí, pak spočívá v tom, že MOSFETy, indukčnosti (tlumivky) a kapacity mají limit na maximální proud, který jimi může procházet. Například pro většinu tranzistorů MOSFET, které se používají v regulátorech napětí základní desky, je proudový limit 30 A. Přitom samotné procesory s napájecím napětím cca 1 V a spotřebou více než 100 W spotřebovávají více než 100 A. Je zřejmé, že pokud se při takové síle proudu použije jednofázový regulátor napájecího napětí, jeho prvky jednoduše „vyhoří“.

Pokud mluvíme o nevýhodě jednofázového spínaného regulátoru napájecího napětí, pak spočívá v tom, že výstupní napájecí napětí má zvlnění, což je vysoce nežádoucí.

Aby se překonala proudová omezení spínacích regulátorů napětí a také se minimalizovalo zvlnění výstupního napětí, používají se vícefázové spínací regulátory napětí.

Vícefázové spínané regulátory napětí

U vícefázových spínacích napěťových regulátorů je každá fáze tvořena spínacím ovladačem MOSFET, dvojicí samotných MOSFETů a LC vyhlazovacím filtrem. V tomto případě je použit jeden vícekanálový PWM regulátor, ke kterému je paralelně připojeno několik výkonových fází (obr. 5).

Rýže. 5. Strukturální schéma vícefázový spínaný regulátor napájecího napětí

Použití N-fázového regulátoru napájecího napětí umožňuje rozdělit proud na všechny fáze, a proto bude proud protékající každou fází v N krát menší než zatěžovací proud (zejména procesor). Pokud například použijete 4fázový regulátor napájecího napětí procesoru s proudovým limitem 30 A v každé fázi, pak maximální proud procesorem bude 120 A, což je pro většinu moderních procesorů docela dost. Pokud jsou však použity procesory s TDP 130 W nebo se předpokládá možnost přetaktování procesoru, pak je vhodné použít nikoliv 4-fázový, ale 6-fázový spínaný regulátor napájecího napětí procesoru, případně použít tlumivky, kondenzátory a MOSFETy navržené pro vyšší proud v každé fázi dodávky.

Aby se snížilo zvlnění výstupního napětí u vícefázových regulátorů napětí, všechny fáze pracují synchronně s časem s m posun vůči sobě navzájem. Jestliže T je spínací perioda MOSFETů (perioda signálu PWM) a používá se N fáze, pak časový posun pro každou fázi bude T/N(obr. 6). Regulátor PWM je zodpovědný za synchronizaci signálů PWM pro každou fázi s časovým posunem.

Rýže. 6. Časové posuny PWM signálů v polyfázovém regulátoru napětí

V důsledku toho, že všechny fáze pracují s časem s m posunutí vůči sobě navzájem, zvlnění výstupního napětí a proudu pro každou fázi bude také posunuto podél časové osy vůči sobě navzájem. Celkový proud procházející zátěží bude součtem proudů v každé fázi a výsledné zvlnění proudu bude menší než zvlnění proudu v každé fázi (obr. 7).

Rýže. 7. Proud na fázi
a výsledný zatěžovací proud
v třífázovém regulátoru napětí

Hlavní výhodou vícefázových spínaných regulátorů napájecího napětí je tedy to, že umožňují za prvé překonat proudový limit a za druhé snížit zvlnění výstupního napětí při stejné kapacitě a indukčnosti vyhlazovacího filtru.

Diskrétní vícefázové regulátory napětí a technologie DrMOS

Jak jsme již poznamenali, každá výkonová fáze je tvořena řídicím budičem, dvěma MOSFETy, tlumivkou a kondenzátorem. Jeden PWM regulátor současně ovládá několik fází napájení. Strukturálně mohou být na základních deskách všechny fázové komponenty diskrétní, to znamená, že existuje samostatný čip ovladače, dva samostatné tranzistory MOSFET, samostatný induktor a kapacita. Tento diskrétní přístup používá většina výrobců základních desek (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock atd.). Existuje však trochu jiný přístup, kdy místo použití samostatného čipu ovladače a dvou tranzistorů MOSFET je použit jeden čip, který kombinuje oba výkonové tranzistory a ovladač. Tato technologie byla vyvinuta od společnosti Intel a dostal název DrMOS, což doslova znamená Driver + MOSFET. Samozřejmě jsou v tomto případě použity i samostatné tlumivky a kondenzátory a pro řízení všech fází je použit vícekanálový PWM regulátor.

V současné době se technologie DrMOS používá pouze na základních deskách MSI. Je poměrně obtížné hovořit o výhodách technologie DrMOS ve srovnání s tradičním diskrétním způsobem organizace silových fází. Zde spíše vše závisí na konkrétním čipu DrMOS a jeho vlastnostech. Mluvíme-li například o nových deskách MSI pro procesory rodiny Intel Core i7, pak využívají čip Renesas R2J20602 DrMOS (obr. 8). Například na deska MSI Eclipse Plus využívá 6fázový regulátor napětí procesoru (obr. 9) založený na 6kanálovém PWM řadiči Intersil ISL6336A (obr. 10) a čipech Renesas R2J20602 DrMOS.

Rýže. 8. Čip DrMOS Renesas R2J20602

Rýže. 9. Šestifázový regulátor napětí procesoru
založené na 6kanálovém PWM řadiči Intersil ISL6336A
a IO DrMOS Renesas R2J20602 na desce MSI Eclipse Plus

Rýže. 10. Šestikanálový PWM regulátor
Intersil ISL6336A

Renesas R2J20602 DrMOS IC podporuje spínací frekvence MOSFET až do 2 MHz a je velmi efektivní. Při vstupním napětí 12 V, výstupu 1,3 V a spínací frekvenci 1 MHz je jeho účinnost 89 %. Proudový limit je 40 A. Je zřejmé, že při napájení šestifázového procesoru je pro mikroobvod DrMOS zajištěna minimálně dvojnásobná proudová rezerva. Při skutečné hodnotě proudu 25 A je spotřeba (uvolňovaná jako teplo) samotného čipu DrMOS pouze 4,4 wattu. Je také zřejmé, že při použití čipů Renesas R2J20602 DrMOS není potřeba v regulátorech napětí procesoru používat více než šest fází.

Intel ve své základní desce Intel DX58S0 vychází z Čipová sada Intel X58 pro procesory Intel Core i7 také používá 6fázový, ale diskrétní regulátor napětí procesoru. K řízení výkonových fází je použit 6kanálový PWM regulátor ADP4000 od On Semiconductor a jako MOSFET drivery jsou použity mikroobvody ADP3121 (obr. 11). Ovladač ADP4000 PWM podporuje rozhraní PMBus (Power Manager Bus) a je programovatelný pro provoz v 1, 2, 3, 4, 5 a 6 fázích s možností přepínání počtu fází v reálném čase. Pomocí rozhraní PMBus navíc můžete odečítat aktuální hodnoty proudu procesoru, jeho napětí a spotřebu. Lze jen litovat, že Intel tyto vlastnosti čipu ADP4000 neimplementoval do utility pro sledování stavu procesoru.

Rýže. 11. Šestifázový regulátor napětí procesoru
založené na řadiči ADP4000 PWM a ovladačích MOSFET ADP3121
na desce Intel DX58S0 (zobrazeny dvě fáze napájení)

Všimněte si také, že každá výkonová fáze používá výkonové tranzistory On Semiconductor NTMFS4834N MOSFET s proudovým limitem 130 A. Je snadné uhodnout, že při takových proudových limitech nejsou samotné výkonové tranzistory úzkým hrdlem výkonové fáze. V tomto případě omezení proudu na napájecí fázi způsobí tlumivku. V uvažovaném obvodu regulátoru napětí jsou použity tlumivky PULSE PA2080.161NL s proudovým omezením 40 A, ale je zřejmé, že i při takovém proudovém omezení stačí šest fází napájení procesoru a je zde velká rezerva pro extrémní přetaktování procesoru.

Technologie dynamického přepínání fází

Téměř všichni výrobci základních desek v současnosti využívají technologii dynamického přepínání počtu fází v napájení procesoru (mluvíme o základních deskách pro procesory Intel). Vlastně, tuto technologii není v žádném případě nový a byl vyvinut společností Intel již dávno. Jak se však často stává, když se tato technologie objevila, ukázalo se, že je trhem nenárokovaná na dlouhou dobu byl ve skladu. A teprve když se myšlenka na snížení spotřeby energie počítačů zmocnila mysli vývojářů, vzpomněli si na dynamické přepínání fází napájení procesoru. Výrobci základních desek se snaží vydávat tuto technologii za svou a vymýšlet pro ni různá jména. Například při Gigabyte jmenuje se Advanced Energy Saver (AES), ASRock - Intelligent Energy Saver (IES), ASUS - EPU, MSI - Active Phase Switching (APS). Navzdory rozmanitosti názvů jsou však všechny tyto technologie implementovány naprosto stejným způsobem a samozřejmě nejsou proprietární. Schopnost přepínat fáze napájení procesoru je navíc zabudována do specifikace Intel VR 11.1 a podporují ji všechny řadiče PWM, které jsou kompatibilní se specifikací VR 11.1. Ve skutečnosti zde výrobci základních desek nemají na výběr. Jsou to buď PWM řadiče od Intersilu (například 6kanálový PWM řadič Intersil ISL6336A), nebo PWM řadiče od On Semiconductor (například 6kanálový PWM řadič ADP4000). Regulátory jiných společností se používají méně často. Jak řadiče Intersil, tak On Semiconductor VR 11.1 podporují dynamické přepínání fází napájení. Otázkou je pouze to, jak výrobce základní desky využívá možností PWM řadiče.

Přirozeně se nabízí otázka: proč se technologii dynamického spínání výkonových fází říká energeticky úsporná a jaká je účinnost její aplikace?

Představte si například základní desku s 6fázovým regulátorem napětí procesoru. Pokud není procesor příliš zatížen, což znamená, že proud, který spotřebovává, je malý, je docela možné vystačit se dvěma fázemi napájení a potřeba šesti fází vzniká při velkém zatížení procesoru, kdy proud spotřebovává dosáhne své maximální hodnoty. Je skutečně možné zajistit, aby počet zúčastněných napájecích fází odpovídal proudu spotřebovávanému procesorem, to znamená, že fáze napájení se dynamicky přepínají v závislosti na zatížení procesoru. Není ale jednodušší využít všech šest napájecích fází při jakémkoli proudu procesoru? Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíte vzít v úvahu, že jakýkoli regulátor napětí sám spotřebovává část elektřiny, kterou přeměňuje, a která se uvolňuje ve formě tepla. Jednou z charakteristik měniče napětí je proto jeho účinnost nebo energetická účinnost, to znamená poměr výkonu přeneseného na zátěž (do procesoru) k výkonu spotřebovaného regulátorem, což je součet výkonu spotřebovanou zátěží a výkonem spotřebovaným samotným regulátorem. Energetická účinnost regulátoru napětí závisí na aktuální hodnotě proudu procesoru (jeho zatížení) a počtu zapojených napájecích fází (obr. 12).

Rýže. 12. Závislost energetické účinnosti (účinnosti) regulátoru napětí
na proud procesoru s různým počtem napájecích fází

Závislost energetické účinnosti regulátoru napětí na proudu procesoru při konstantním počtu napájecích fází je následující. Zpočátku se zvýšením zatěžovacího proudu (procesoru) lineárně roste účinnost regulátoru napětí. Dále je dosaženo maximální hodnoty účinnosti a s dalším zvyšováním zatěžovacího proudu účinnost postupně klesá. Jde především o to, že hodnota zatěžovacího proudu, při které je dosaženo maximální hodnoty účinnosti, závisí na počtu napájecích fází, a proto při použití technologie dynamického spínání fází napájení je účinnost napájecího regulátor napájecího napětí lze vždy udržovat na nejvyšší možné úrovni.

Porovnáním závislostí energetické účinnosti regulátoru napětí na proudu procesoru pro různý počet napájecích fází můžeme dojít k závěru: při nízkém proudu procesoru (při mírném zatížení procesoru) je efektivnější použít menší počet výkonové fáze. V tomto případě bude samotný regulátor napětí spotřebovávat méně energie a uvolňovat ji jako teplo. Při vysokých proudech procesoru vede použití malého počtu napájecích fází ke snížení energetické účinnosti regulátoru napětí. Proto je v tomto případě optimální použít větší počet silových fází.

Z teoretického hlediska by použití technologie dynamického přepínání výkonových fází procesoru mělo za prvé snížit celkovou spotřebu systému a za druhé odvod tepla na samotném regulátoru napájecího napětí. Podle výrobců základních desek navíc tato technologie dokáže snížit spotřebu energie systému až o 30 %. Samozřejmě 30 % je číslo převzaté ze stropu. Technologie dynamického přepínání výkonových fází může ve skutečnosti snížit celkovou spotřebu energie systému maximálně o 3–5 %. Faktem je, že tato technologie umožňuje ušetřit elektřinu spotřebovanou pouze samotným regulátorem napětí. Hlavními spotřebiteli elektřiny v počítači jsou však procesor, grafická karta, čipová sada a paměť a na pozadí celkové spotřeby energie těchto komponent je spotřeba energie samotného regulátoru napětí poměrně malá. Proto bez ohledu na to, jak optimalizujete spotřebu energie regulátoru napětí, je prostě nemožné dosáhnout výrazných úspor.

Marketingové „čipy“ výrobců

Výrobci základních desek vynakládají velké úsilí, aby upoutali pozornost kupujících na své produkty a motivovaně dokázali, že jsou lepší než konkurenti! Jedním z těchto marketingových „čipů“ je zvýšení výkonových fází regulátoru napětí procesoru. Pokud se na špičkových základních deskách používaly dřívější šestifázové regulátory napětí, nyní používají 10, 12, 16, 18 a dokonce 24 fází. Opravdu potřebujete tolik fází napájení, nebo je to jen marketingový trik?

Vícefázové regulátory napájecího napětí mají samozřejmě své nepopiratelné výhody ale všechno má rozumnou hranici. Například, jak jsme již uvedli, velký počet výkonových fází umožňuje použití nízkoproudých součástek (MOSFET, tlumivky a kapacity) v každé výkonové fázi, které jsou samozřejmě levnější než součástky omezující vysoký proud. Nyní však všichni výrobci základních desek používají pevné polymerové kondenzátory a tlumivky s feritovým jádrem, které mají proudový limit alespoň 40 A. MOSFETy mají také proudový limit minimálně 40 A (a v poslední době je trend směrem k MOSFETům). proudový limit 75 A). Je jasné, že při takových proudových omezeních stačí použít šest výkonových fází na každou fázi vlny. Takový regulátor napětí je teoreticky schopen poskytnout procesorový proud větší než 200 A, a tedy spotřebu energie větší než 200 wattů. Je jasné, že i v režimu extrémního přetaktování je téměř nemožné dosáhnout takových hodnot proudu a spotřeby. Proč tedy výrobci vyrábějí napěťové regulátory s 12 a více fázemi, když šestifázový regulátor napětí může také dodávat energii procesoru v jakémkoli režimu jeho činnosti?

Pokud porovnáme 6- a 12-fázové regulátory napětí, pak teoreticky při použití technologie dynamického přepínání fází výkonu bude energetická účinnost 12-fázového regulátoru napětí vyšší. Rozdíl v energetické účinnosti však bude pozorován pouze při vysokých proudech procesoru, které jsou v praxi nedosažitelné. Ale i když je možné dosáhnout tak vysoké hodnoty proudu, při které se bude lišit energetická účinnost 6- a 12-fázových regulátorů napětí, pak bude tento rozdíl tak malý, že jej lze ignorovat. Všem moderním procesorům s příkonem 130 W tedy i v režimu jejich extrémního přetaktování stačí na vlnu 6fázový regulátor napětí. Použití 12fázového regulátoru napětí neposkytuje žádné výhody ani u technologie dynamického přepínání fází. Proč výrobci začali vyrábět 24fázové regulátory napětí, si každý může domyslet. Není v tom zdravý rozum, očividně očekávají, že zapůsobí na technicky negramotné uživatele, pro které platí „čím více, tím lépe“.

Mimochodem, bylo by užitečné poznamenat, že dnes neexistují žádné 12- a ještě více 24-kanálové PWM regulátory, které řídí fáze napájení. Maximální částka kanálů v PWM regulátorech je šest. Při použití napěťových regulátorů s více než šesti fázemi jsou proto výrobci nuceni instalovat několik PWM regulátorů, které pracují synchronně. Připomeňme, že řídicí signál PWM v každém kanálu má určité zpoždění vzhledem k signálu PWM na druhém kanálu, ale tyto časové posuny signálu jsou implementovány ve stejném ovladači. Ukazuje se, že při použití například dvou 6kanálových PWM regulátorů k uspořádání 12fázového regulátoru napětí jsou napájecí fáze řízené jedním regulátorem kombinovány v párech s napájecími fázemi řízenými jiným regulátorem. To znamená, že první výkonová fáze prvního regulátoru bude pracovat synchronně (bez časového posunu) s první výkonovou fází druhého regulátoru. Fáze se budou dynamicky přepínat, pravděpodobně také ve dvojicích. Obecně se nejedná o „poctivý“ 12-fázový regulátor napětí, ale spíše o hybridní verzi 6-fázového regulátoru se dvěma kanály v každé fázi.

Charakteristické rysy:

• Nejmenší převodník Dual Boost: 16pinový QSOP
• účinnost 90 %
• Začněte na 1,5V napájení
• Maximální celkový proudový odběr 85 uA
• Spotřeba proudu ve vypnutém stavu 1 μA
• Samostatné vypínací vstupy
• Pohání dva N-kanálové SMD MOSFETy
• Vstup a výstup komparátoru s nízkou baterií
• Může být použit jako step-up nebo step-down měnič

Oblasti použití:

• Přenosné zařízení s 2- a 3článkovým napájením
• Organizátoři
• Elektronické překladače
• Přenosné, přenosné přístrojové vybavení
• Přenosné počítače
• Osobní digitální asistenti(PDA)
• Duální napájecí zdroje (logické a LCD napájení)

Typický spínací obvod:

Uspořádání kolíků:

Popis pinu:

Popis:

MAX863 je duální výstup DC/DC konvertor, který obsahuje dva nezávislé regulátory boostu v jednom kompaktním balení. IC je vyroben pomocí technologie Bi-CMOS a spotřebovává pouze 85 uA, když běží oba řadiče. Minimální vstupní napájecí napětí je 1,5V, což umožňuje použití tohoto IC v organizérech, překladačích a dalších nízkoenergetických přenosných zařízeních. MAX863 poskytuje účinnost. 90% konverze při zatěžovacím proudu od 20 mA do 1A. Tento malý integrovaný obvod je k dispozici v 16pinovém provedení. pouzdro QSOP, které zabírá stejné rozměry jako 8pin. SOIC balíček.

IC využívá architekturu pulsně-frekvenční modulace omezující proud, která se vyznačuje nízkým rázem startovacího proudu a nízkou spotřebou proudu, čímž zajišťuje vysokou účinnost. transformace v širokém rozsahu zatížení. Každý řadič řídí levný, externí N-kanálový MOSFET, dimenzovaný tak, aby vyhovoval jakémukoli výstupnímu proudu nebo napětí.

Ve výkonnějších systémech lze dva MAX863 použít ke generování 5V, 3,3V, 12V a 28V pouze se dvěma nebo třemi bateriemi jako zdrojem energie. Pro urychlení doby návrhu je k dispozici vyhodnocovací sada MAX863EVKIT. Pokud je vyžadován jeden výstupní regulátor, podívejte se do dokumentace MAX608 a MAX1771.

Touto lekcí začínám sérii článků o spínacích regulátorech, digitálních regulátorech a zařízeních pro řízení výstupního výkonu.

Cíl, který jsem si stanovil, je vývoj ovladače pro lednici na Peltierově článku.

Uděláme obdobu mého vývoje, pouze implementovanou na bázi Arduino desky.

• Tento vývoj zaujal mnohé a sesypaly na mě dopisy s žádostmi o jeho implementaci na Arduinu.
• Vývoj je ideální pro studium hardwaru a softwaru digitálních regulátorů. Kromě toho kombinuje mnoho úkolů probraných v předchozích lekcích:
  • měření analogových signálů;
  • práce s tlačítky;
  • připojení indikačních systémů;
  • měření teploty;
  • práce s EEPROM;
  • spojení s počítačem;
  • paralelní procesy;
  • a mnohem víc.

Vývoj budu rozvíjet postupně, krok za krokem, vysvětlovat své činy. Jaký bude výsledek - nevím. Doufám v plnohodnotný pracovní projekt ovladače chladničky.

Nemám hotový projekt. Lekce budu psát podle aktuálního stavu, takže při testech se může ukázat, že jsem v nějaké fázi udělal chybu. opravím. To je lepší než já ladit vývoj a vydávat hotová řešení.

Rozdíly mezi vývojem a prototypem.

Jediným funkčním rozdílem oproti vývoji prototypu na PIC regulátoru je absence rychlého regulátoru napětí, který kompenzuje zvlnění napájecího napětí.

Tito. tato možnost Zařízení musí být napájeno stabilizovaným napájecím zdrojem s nízkou úrovní zvlnění (ne více než 5 %). Tyto požadavky splňují všechny moderní impulsní bloky výživa.

A možnost napájení z nestabilizovaného zdroje (transformátor, usměrňovač, kapacitní filtr) je vyloučena. Rychlost systému Arduino neumožňuje rychlý regulátor napětí. Doporučuji přečíst si o požadavcích na výkon Peltierova prvku.

Vývoj celkové struktury zařízení.

V této fázi musíte porozumět obecně:

• z jakých prvků se systém skládá;
• na jakém ovladači jej provést;
• existuje dostatek závěrů a funkčnost ovladač.

Ovladač si představuji jako „černou skříňku“ nebo „popelnici“ a připojuji k němu vše potřebné. Pak koukám, jestli je třeba deska vhodná pro tyto účely. Arduino UNO R3.

V mém výkladu to vypadá takto.

Nakreslil jsem obdélník - ovladač a všechny signály nutné k propojení prvků systému.

Rozhodl jsem se, že se potřebuji připojit k desce:

• LCD indikátor (pro zobrazení výsledků a režimů);
• 3 tlačítka (pro ovládání);
• LED indikace chyby;
• klíč ovládání ventilátoru (pro zapnutí ventilátoru chladiče na horké straně);
• spínací klíč stabilizátoru (pro nastavení výkonu Peltierova prvku);
• analogový vstup pro měření zátěžového proudu;
• analogový vstup pro měření napětí zátěže;
• teplotní čidlo v komoře (přesné 1-drátové čidlo DS18B20);
• čidlo teploty radiátoru (ještě jsme se nerozhodli jaké čidlo, spíše také DS18B20);
• počítačové komunikační signály.

Celkem bylo 18 signálů. V desky arduino UNO R3 popř Arduino NANO 20 závěrů. V záloze zbývají ještě 2 závěry. Možná budete chtít připojit další tlačítko, nebo LED, nebo čidlo vlhkosti, nebo ventilátor studené strany... Potřebujeme 2 nebo 3 analogové vstupy, deska má 6. To znamená. vše nám vyhovuje.

Čísla pinů můžete přiřadit okamžitě, během vývoje ano. Ihned jsem jmenoval. Připojení probíhá pomocí konektorů, které můžete vždy změnit. Mějte na paměti, že přiřazení špendlíků není konečné.

impulsní stabilizátory.

Pro přesnou stabilizaci teploty a provoz Peltierova prvku v optimálním režimu je nutné na něm upravit výkon. Regulátory jsou analogové (lineární) a pulzní (klíčové).

Analogové regulátory jsou regulačním prvkem a zátěží zapojenou do série se zdrojem energie. Změnou odporu regulačního prvku se upravuje napětí nebo proud na zátěži. Jako regulační prvek se zpravidla používá bipolární tranzistor.

Ovládací prvek pracuje v lineárním režimu. Přiděluje se mu výkon „navíc“. Při vysokých proudech jsou stabilizátory tohoto typu velmi horké, mají nízkou účinnost. Typickým lineárním regulátorem napětí je čip 7805.

Tato varianta nám nevyhovuje. Vyrobíme si pulzní (klíčový) stabilizátor.

Spínací stabilizátory jsou různé. Potřebujeme spínací regulátor. Napětí zátěže v takových zařízeních je vždy nižší než napájecí napětí. Obvod redukčního spínacího regulátoru vypadá takto.

A toto je schéma regulátoru.

Tranzistorový VT pracuje v režimu klíče, tzn. může mít pouze dva stavy: otevřený nebo zavřený. Řídicí zařízení, v našem případě mikrokontrolér, spíná tranzistor s určitou frekvencí a pracovním cyklem.

• Když je tranzistor otevřený, proud teče obvodem: napájení, tranzistorový spínač VT, induktor L, zátěž.
• Když je klíč otevřený, energie uložená v induktoru je dodávána do zátěže. Obvodem protéká proud: induktor, VD dioda, zátěž.

Konstantní napětí na výstupu regulátoru tedy závisí na poměru doby otevřeného (topen) a zavřeného klíče (tclose), tzn. na pracovním cyklu řídicích impulsů. Změnou pracovního cyklu může mikrokontrolér změnit napětí na zátěži. Kondenzátor C vyhlazuje zvlnění výstupního napětí.

Hlavní výhodou tohoto způsobu regulace je vysoká účinnost. Tranzistor je vždy zapnutý nebo vypnutý. Proto se na něm rozptyluje málo energie - vždy se buď napětí na tranzistoru blíží nule, nebo je proud 0.

Jedná se o klasický spínací obvod regulátoru. V něm se klíčový tranzistor odtrhne od společného vodiče. Tranzistor je obtížně ovladatelný, což vyžaduje speciální obvody předpětí na kolejnici napájecího napětí.

Tak jsem změnil schéma. V něm je zátěž odpojena od společného vodiče, ale ke společnému vodiči je připojen klíč. Toto řešení umožňuje ovládat tranzistorový spínač ze signálu mikrokontroléru pomocí jednoduchého proudového budiče-zesilovače.

• Když je klíč zavřený, proud vstupuje do zátěže přes obvod: napájení, induktor L, klíč VT (cesta proudu je zobrazena červeně).
• Když je klíč otevřený, energie nahromaděná v induktoru se vrací do zátěže přes regenerační diodu VD (cesta proudu je znázorněna modře).

Praktická implementace klíčového regulátoru.

Potřebujeme implementovat uzel spínacího regulátoru s následujícími funkcemi:

• aktuální klíčový ovladač (klíč, tlumivka, regenerační dioda, vyhlazovací kondenzátor);
• obvod pro měření zátěžového napětí;
• obvod měření proudu regulátoru;
• hardwarová nadproudová ochrana.

Prakticky beze změn jsem převzal obvod regulátoru od.

Schéma spínacího regulátoru pro práci s deskou Arduino.

Jako vypínač jsem použil MOSFET tranzistory IRF7313. V článku o zvýšení výkonu regulátoru Peltierova prvku jsem podrobně psal o těchto tranzistorech, o možné náhradě a o požadavcích na klíčové tranzistory pro tento obvod. Zde je odkaz na technickou dokumentaci.

Na tranzistorech VT1 a VT2 je sestaven klíčový ovladač tranzistoru MOSFET. To je jen proudový zesilovač, napěťově dokonce zeslabuje signál na cca 4,3 V. Klíčový tranzistor proto musí být nízkoprahový. Existují různé možnosti implementace ovladačů MOSFET tranzistory. Včetně použití integrovaných ovladačů. Tato možnost je nejjednodušší a nejlevnější.

Pro měření napětí na zátěži se používá dělič R1, R2. S takovými hodnotami odporu a zdrojem referenčního napětí 1,1 V je rozsah měření 0 ... 17,2 V. Obvod umožňuje měřit napětí na druhé svorce zátěže vzhledem ke společnému vodiči. Vypočítáme napětí na zátěži, když známe napětí zdroje energie:

Uload = Usupply - Uměřeno.

Je jasné, že přesnost měření bude záviset na stabilitě udržování napětí napájecího zdroje. Ale nepotřebujeme vysokou přesnost měření napětí, proudu, výkonu zátěže. Potřebujeme přesně měřit a udržovat pouze teplotu. Změříme to s vysokou přesností. A pokud systém ukáže, že Peltierův článek má výkon 10 W, ale ve skutečnosti to bude 10,5 W, nijak to neovlivní chod zařízení. To platí pro všechny ostatní energetické parametry.

Proud se měří pomocí odporového čidla proudu R8. Komponenty R6 a C2 tvoří jednoduchý dolní propust.

Nejjednodušší hardwarová ochrana je namontována na prvcích R7 a VT3. Pokud proud v obvodu překročí 12 A, pak napětí na rezistoru R8 dosáhne prahu otevření tranzistoru 0,6 V. Tranzistor otevře a sepne RES (reset) pin mikrokontroléru vůči zemi. Všechno by se mělo vypnout. Bohužel práh pro takovou ochranu je určen napětím báze-emitor bipolárního tranzistoru (0,6 V). Z tohoto důvodu ochrana funguje pouze při významných proudech. Můžete použít analogový komparátor, ale to zkomplikuje obvod.

Proud bude měřen přesněji se zvýšením odporu proudového snímače R8. Ale to povede k uvolnění významné síly na něm. I při odporu 0,05 ohmů a proudu 5 A se na rezistoru R8 rozptýlí 5 * 5 * 0,05 = 1,25 wattu. Všimněte si, že odpor R8 má výkon 2 watty.

Nyní, jaký proud měříme. Měříme proudový odběr spínacího regulátoru ze zdroje. Obvod pro měření tohoto parametru je mnohem jednodušší než obvod pro měření zatěžovacího proudu. Náš náklad je „odvázán“ ze společného drátu. Aby systém fungoval, je nutné změřit elektrický výkon na Peltierově článku. Výkon spotřebovaný regulátorem vypočítáme vynásobením napájecího napětí odebíraným proudem. Předpokládejme, že náš regulátor má účinnost 100 % a rozhodneme, že se jedná o výkon na Peltierově článku. Ve skutečnosti bude účinnost regulátoru 90-95%, ale tato chyba nijak neovlivní provoz systému.

Komponenty L2, L3, C5 jsou jednoduchý RFI filtr. Možná to nebude nutné.

Výpočet plynu klíčového stabilizátoru.

Plyn má dva parametry, které jsou pro nás důležité:

• indukčnost;
• saturační proud.

Potřebná indukčnost induktoru je určena frekvencí PWM a přípustným zvlněním proudu induktoru. Informací na toto téma je mnoho. Uvedu nejjednodušší výpočet.

Přivedli jsme napětí na induktor a proud přes něj začal proud zvyšovat. Zvýšení se ale nedostavilo, protože v okamžiku, kdy jsem byl zapnut, již protékal nějaký proud induktorem).

Tranzistor je otevřený. Napětí je připojeno k škrticí klapce:

Uchoke = Usupply - Uload.

Proud induktorem se začal zvyšovat podle zákona:

Ichoke = Uchoke * topen / L

• topen - trvání pulsu veřejný klíč;
• L - indukčnost.

Tito. hodnota zvlněného proudu induktoru nebo o kolik se proud zvýšil během doby otevřeného klíče je určeno výrazem:

Ioff - Ion = Uchoke * topen / L

Napětí zátěže se může změnit. A určuje napětí na škrticí klapce. Existují vzorce, které s tím počítají. Ale v našem případě bych vzal následující hodnoty:

• napájecí napětí 12 V;
• minimální napětí na Peltierově článku 5 V;
• znamená maximální napětí na škrticí klapce 12 - 5 \u003d 7 V.

Doba trvání impulsu topenu veřejného klíče je určena frekvencí periody PWM. Čím vyšší je, tím menší indukčnost induktor potřebuje. Maximální frekvence PWM deska Arduino 62,5 kHz. Jak takovou frekvenci získat, vám řeknu v další lekci. My toho využijeme.

Vezměme si nejhorší případ – PWM se přepne přesně v polovině období.

• Doba trvání 1/62500 Hz = 0,000016 s = 16 µs;
• Doba trvání veřejného klíče = 8 µs.

Zvlnění proudu v takových obvodech je obvykle nastaveno na 20 % průměrného proudu. Nezaměňujte se zvlněním výstupního napětí. Jsou vyhlazeny kondenzátory na výstupu obvodu.

Pokud povolíme proud 5 A, pak vezmeme zvlnění proudu 10% nebo 0,5 A.

L = Uchoke * topen / Ipulsace = 7 * 8 / 0,5 = 112 μH.

Saturační proud induktoru.

Všechno na světě má své hranice. A plyn taky. Při určitém proudu přestává být indukčností. Toto je saturační proud induktoru.

V našem případě je maximální proud induktoru definován jako průměrný proud plus zvlnění, tzn. 5,5 A. Ale je lepší zvolit saturační proud s rezervou. Pokud chceme, aby v této verzi obvodu fungovala hardwarová ochrana, pak musí být minimálně 12 A.

Saturační proud je určen vzduchovou mezerou v magnetickém jádru induktoru. V článcích o regulátorech Peltierových prvků jsem mluvil o konstrukci škrticí klapky. Pokud začnu toto téma podrobně rozšiřovat, pak opustíme Arduino, programování a nevím, kdy se vrátíme.

Můj plyn vypadá takto.

Přirozeně musí mít vodič vinutí induktoru dostatečný průřez. Výpočet je jednoduchý - stanovení tepelných ztrát aktivním odporem vinutí.

Aktivní odpor vinutí:

Ra = ρ * l / S,

• Ra je aktivní odpor vinutí;
• Ρ – měrný odpor materiálu, pro měď 0,0175 Ohm mm2/m;
• l je délka vinutí;
• S je průřez drátu vinutí.

Tepelné ztráty na aktivním odporu induktoru:

Klíčový regulátor odebírá slušný proud z napájecího zdroje a tento proud by neměl procházet deskou Arduino. Schéma ukazuje, že vodiče z napájecího zdroje jsou připojeny přímo k blokovacím kondenzátorům C6 a C7.

Hlavní pulzní proudy obvodu procházejí obvodem C6, zátěž, L1, D2, R8. Tento řetěz musí být uzavřen články s minimální délkou.

Společný vodič a napájecí sběrnice desky Arduino jsou připojeny k blokovacímu kondenzátoru C6.

Signální vodiče mezi deskou Arduino a modulem regulátoru klíče musí mít minimální délku. Kondenzátory C1 a C2 je nejlepší umístit na konektory k desce.

Sestavil jsem obvodovou desku. Pájené pouze potřebné součástky. Vzhled sestavený obvod já to tak mám.

Nastavil jsem PWM na 50 % a zkontroloval činnost obvodu.

• Při napájení z počítače tvořila deska dané PWM.
• V s vlastním pohonem Z externího napájení vše fungovalo skvěle. Na plynu se tvořily pulsy s dobrými čely, na výstupu bylo konstantní napětí.
• Když jsem zapnul napájení z počítače i externího zdroje současně, shořela deska Arduino.

Moje hloupá chyba. Řeknu vám to, aby to nikdo neopakoval. Obecně, připojení venkovní jednotka napájení musí být přesné, zazvoňte všechna připojení.

Stalo se mi následující. V obvodu nebyla žádná dioda VD2. Po tomto průšvihu jsem to přidal. Přišel jsem na to, že desku lze napájet z externího zdroje přes pin Vin. Sám v lekci 2 napsal, že desku lze napájet z externího zdroje přes konektor (signál RWRIN). Ale myslel jsem, že je to stejný signál, jen na jiných konektorech.