【導(dǎo)讀】TL494作為一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路,在各種開關(guān)電源中都被廣泛應(yīng)用,文中對于TL494與相應(yīng)的輸入、輸出電路一起構(gòu)成單回路控制器工作的全過程進(jìn)行了詳細(xì)的解析,基于它的工作過程及實(shí)測數(shù)據(jù)等做出詳細(xì)分析。
1、TL494管腳配置及其功能
TL494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖1是它的管腳圖,其中1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端;3腳是相位校正和增益控制;4腳為間歇期調(diào)理,其上加0~3.3V電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%線懷變化到100%;5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容;7腳為接地端;8、9腳和11、10腳分別為TL494內(nèi)部兩個(gè)末級輸出三極管集電極和發(fā)射極;12腳為電源供電端;13腳為輸出控制端,該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式,接14腳時(shí)為推挽輸出方式;14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端,最大輸出電流10mA;15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。
2、回路控制器工作原理
回路控制器的方框圖如圖2所示。被控制量(如壓力、流量、溫度等)通過
傳感器交換為0~5V的電信號(hào),作為閉環(huán)回路的反饋信號(hào),通過有源簡單二階低通濾波電路進(jìn)行平滑、去除雜波干擾后送給TL494的誤差放大器I的IN+同相輸入端。設(shè)定輸入信號(hào)是由TL494的5V基準(zhǔn)電壓源經(jīng)一精密多圈電位器分壓,由電位器動(dòng)端通過有源簡單二階低通濾波電路接入TL494的誤差放大器I的IN-反相輸入端。反饋信號(hào)和設(shè)定信號(hào)通過TL494的誤差放大器I進(jìn)行比較放大,進(jìn)而控制脈沖寬度,這個(gè)脈沖空度變化的輸出又經(jīng)過整流濾波電路及由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的隔離放大電路進(jìn)行平滑和放大處理,輸出一個(gè)與脈沖寬度成正比的、變化范圍為0~10V的直流電壓。這個(gè)電壓就是所需要的輸出控制電壓,用它去控制執(zhí)行電路,及時(shí)調(diào)整被控制量,使被控制量始終與設(shè)定值保持一致,形成閉環(huán)單回路控制。
2.1 輸入電路
兩個(gè)運(yùn)算放大器IC1A、IC1B都接成有源簡單二階低通濾電路,分別作為反饋信號(hào)輸入和設(shè)定信號(hào)輸入的處理電路。在電路設(shè)計(jì)上,兩個(gè)輸入電路采取完全對稱的形式。將有源簡單二階低通濾波電路的截止頻率fp設(shè)計(jì)為4Hz,根據(jù)有源簡單二階低通濾波電路中fp=0.37f0(f0為該濾波器的特征頻率)選取C1與C2為1μF,然后算得R1與R2為16kΩ。這樣可以濾除由于傳感器距離較遠(yuǎn)輸入引線過長而帶來的高頻雜波干擾和平滑傳感器信號(hào)本身的波動(dòng),使加入到TL494的管腳1即誤差放大器I同相輸入端IN+的信號(hào)盡可能地平滑和相對穩(wěn)定。在有源簡單二階低通濾波電路與誤差放大器I同相輸入端IN+之間接有10kΩ的限流隔離電阻。把TL494的14腳輸出的5V基準(zhǔn)電壓源,用一3.3kΩ精密多圈電位器W1分壓作為設(shè)定輸入信號(hào),通過與處理傳感器反饋信號(hào)相同的電路,送入TL494的管腳2,即誤差放大器I的反相輸入端IN-端。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),R19、R20這兩個(gè)限流隔離電阻必不可少。否則,TL494誤差放大器I的兩個(gè)輸入端的電位將相互影響。另外,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明,TL494誤差放大器的兩個(gè)輸入端在低電壓時(shí)跟蹤的線性不大好,故這里將兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)取為2,以改善反饋信號(hào)與設(shè)定信號(hào)的跟蹤線性。
2.2 脈寬調(diào)制電路
在本控制器中只用到了TL494的誤差放大器I,故將誤差放大器II的IN+(16腳)接地、IN-(15腳)接高電平。為保護(hù)TL494的輸出三極管,經(jīng)R13和R10分壓,在4腳加接近0.3V的間歇調(diào)整電壓。R9、R12和C5組成了相位校正和增益控制網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn),在本控制器中振蕩電阻和振蕩電容分別取200kΩ和0.1μF。輸出采用并取方式,取自發(fā)射級。整機(jī)電源取12V單電源。
2.3 輸出電路
為了把脈寬變化的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為大小變化的直流信號(hào),通過開關(guān)二極管D1、電容C8進(jìn)行整流濾波。R15作為整波濾波的輸出負(fù)載,還在脈沖截止期間為C8提供放電回路,使C8上的電壓與TL494輸出的脈寬成正比。為使輸出電壓進(jìn)一步平滑、提高帶負(fù)載能力以及使輸出電壓在0~10V之間變化,又加入了一級壓控電壓源二階低通濾波電路。在圖中所示元件參數(shù)下,最大的直流輸出電壓是10V,IC3A輸出端接的10V穩(wěn)壓二極管,是保證在意外的情況下,使輸出電壓不大于10V。
3、工作過程
當(dāng)反饋信號(hào)大于設(shè)定值時(shí),通過TL494的脈寬調(diào)制作用,其9腳與10腳并聯(lián)輸出信號(hào)的脈寬減小,這個(gè)輸出信號(hào)再經(jīng)整流濾波電路及隔離與放大輸出電路,使最后輸出的直流控制信號(hào)的電壓相應(yīng)下降。直流控制信號(hào)通過控制電路經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)機(jī)、電熱管等)使被控制量下降,再進(jìn)而通過傳感器使反饋信號(hào)降低,形成單回路閉環(huán)控制。當(dāng)反饋信號(hào)小于設(shè)定值時(shí),上述控制過程相反。另外,還可以根據(jù)被控制系統(tǒng)的具體情況,來調(diào)整輸入二階低通濾波器的電容大小,使控制過程及時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定。再有,為使控制過程直觀,還應(yīng)加上設(shè)定量及被控制量的顯示(指示)電路??蓮膬蓚€(gè)輸入端取出信號(hào),然后分別通過隔離放大電路(如用運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器)送到表頭指示。表頭可采用多功能數(shù)字式電子表頭成品或直接用滿量程5V的機(jī)械表示。
4、實(shí)測數(shù)據(jù)分析
表1~表3的數(shù)據(jù)是在輸出端接10kΩ負(fù)載電阻的開環(huán)條件下用DT9102A型數(shù)字萬用表測得的。其中反饋信號(hào)及設(shè)定信號(hào)分別用精密多圈電位器對標(biāo)準(zhǔn)5V基準(zhǔn)源分壓來模擬,并且測量點(diǎn)取自IC1A及IC1B的輸出端即IC1的1腳和7腳,輸出取自IC3A的1腳。所有單位均為伏。
表1:開環(huán)條件下實(shí)測數(shù)據(jù)組1
表2:開環(huán)條件下實(shí)測數(shù)據(jù)組2
表3:開環(huán)條件下實(shí)測數(shù)據(jù)組3
對實(shí)際的回路控制器電路測量了多組數(shù)據(jù),限于篇幅僅更出以上三級數(shù)據(jù)。從測得的數(shù)據(jù)分析,我們可看出,在開環(huán)條件下該控制器的反饋信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很小,僅在±0.225V范圍內(nèi)。當(dāng)構(gòu)成閉環(huán)聯(lián)回路控制時(shí),合理的控制系統(tǒng)中(執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出穩(wěn)定值應(yīng)為最大設(shè)定值的1.1至1.2倍),可以得出反饋量與設(shè)定量一定有一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡值,且在該平衡值睛,反饋量與設(shè)定量的一致性應(yīng)非常好。有了以上的數(shù)據(jù)對比和分析,可以說明該控制器的控制靈敏度和控制精度都很高,能取代成本高、電路復(fù)雜的單回路控制器。
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