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Schaltnetzteile werden sowohl in der Unterhaltungselektronik als auch in der professionellen Elektronik immer häufiger eingesetzt. Das Design von Schaltnetzteilen ist komplexer als das von klassischen linearen Netzteilen, was sich in einem etwas komplizierteren Prozess der Umwandlung und Regulierung der Ausgangsspannung niederschlägt. Einer der am häufigsten in Schaltnetzteilen verwendeten ICs ist der TL494-Treiber, den wir uns in diesem Artikel ansehen werden.
TL494 - allgemeine Layout-Merkmale
Der TL494 IC ist ein PWM-Controller für Schaltnetzteile. Die Hauptaufgabe dieses ICs besteht darin, die Spannung am Ausgang des Netzteils durch Pulsweitenmodulation (PWM) zu regeln. In diesem Artikel werden wir uns den Aufbau und die Funktionen dieses ICs ansehen und sein Funktionsprinzip kennenlernen.
PWM-Steuerung vs. kontinuierliche Spannungsregelung
In Stromversorgungen, die auf linearen Stabilisatoren (z.B. dem L7812CV von ST Microelectronics) basieren, erfolgt die Spannungsregelung kontinuierlich. Dies ist eine einfache Technik, die nur wenige zusätzliche Komponenten erfordert und eine stabile , verzerrungsfreie Ausgangsspannung ermöglicht. Der Nachteil dieser Lösung ist jedoch der sehr hohe Energieverlust. Im Gegensatz dazu kann die Effizienz des Systems durch den Einsatz der PWM-Modulationssteuerung deutlich erhöht werden. Im Wesentlichen besteht eine solche Steuerungstechnik darin, die Spannung am Ausgang des Netzteils schnell ein- und auszuschalten, indem die Transistoren in der Leistungsstufe so angesteuert werden, dass die am Ausgang des Netzteils erhaltene Spannung nach der Mittelwertbildung dem Wert der gleichen Zielgleichspannung entspricht. Die Funktionsweise der PWM-Steuerung wird in Abbildung 1 beschrieben:
Anhand der gezeigten Zeitkurven können wir feststellen, dass der Durchschnittswert der PWM-Signalspannung linear proportional zum Wert des PW-Füllfaktors ist. Der Füllfaktor ist die Dauer des High-Zustands (Einschaltdauer der Steuerspannung) in einem einzigen Zyklus des PWM-Signals. Das bedeutet, dass unabhängig von der Modulationsfrequenz dieses Signals sein Durchschnittswert durch den Füllfaktor bestimmt wird. Wenn wir z.B. eine Gleichspannung von 6V am Ausgang des Stromversorgungsschaltkreises wünschen, wobei eine maximale Quellenspannung von 12V zur Verfügung steht, müssen wir den Füllfaktor auf 50% einstellen. Wenn wir aber idealerweise “TTL-ähnliche fünf Volt” benötigen, dann sollte der erforderliche Füllfaktor 5V/12V = ~41,67% betragen.
TL494 - allgemeine Layout-Merkmale
Der TL494 IC ist ein PWM-Controller, der speziell für Stromversorgungsschaltungen entwickelt wurde, die nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation arbeiten. Der TL494 IC enthält alle notwendigen Funktionsblöcke, um eine Pulsbreiten-Stromversorgungsschaltung zu realisieren. Zu seinen Komponenten gehören ein eingebauter Steuersignalgenerator mit einer Frequenz, die durch Änderung des Wertes der extern angeschlossenen R- und C-Elemente, die den Zeitschaltkreis bilden, reguliert wird, eine Totzeitkontrollstufe (DTC), zwei Spannungskomparatoren mit zwei Fehlerverstärkern, ein pulsgetriggertes Flip-Flop, das die Ausgangstransistoren steuert, und eine präzise stabilisierte 5V-Spannungsquelle.
TL494 - Beschreibung der Pinbelegung
Im Folgenden finden Sie eine Beschreibung der einzelnen Pinbelegungen des TLT494 ICs, der in einem DIP16-Gehäuse für die Durchsteckmontage (THT) untergebracht ist:
1 – 1 IN+ – nicht-invertierender Eingang des Fehlerverstärkers 1
2 – 1 IN- -Invertierender Eingang des Fehlerverstärkers 1
3 – FEEDBACK – Rückkopplungssignal vom Ausgang zum Eingang des Systems
4 – DTC – Eingang des internen Verstärkers zur Steuerung der Totzeit des Systems
5 – CT – externer Zeitschaltkreiskondensator
6 – RT – externer Widerstand der Timerschaltung
7 – GND – Masse der Schaltung
8 – Kollektor des Ausgangstransistors Q1
9 – Emitter des Ausgangstransistors Q1
10 – Emitter des Ausgangstransistors Q2
11 – Kollektor des Ausgangstransistors Q2
12 – VCC – positive Versorgungsspannungsschiene
13 – O/P CNTRL – Pin zur Konfiguration der Betriebsart des Schaltkreisausgangs (Push-Pull oder Single-Ended)
14 – REF – Ausgang der eingebauten +5V Referenzspannungsquelle
15 – 2 IN- -Invertierender Eingang des Fehlerverstärkers 2
16 – 2 IN+ – nicht-invertierender Eingang des Fehlerverstärkers 2
TL494 - zulässige Höchstwerte der Betriebsparameter des Systems
Die TL494-Schaltung kann mit einer maximalen Spannung von 41VDC versorgt werden. Die zulässigen Spannungen an den Messeingängen der Komparatoren müssen zwischen -0,3V und der Versorgungsspannung abzüglich 2V liegen. Die maximale Ausgangsspannung am Kollektor des internen Transistors beträgt 41V und der maximale Kollektorstrom beträgt 250mA pro Kanal. Die Lötdauer für einen einzelnen Pin darf nicht länger als 10s bei 260*C sein.
TL494 - Empfohlene Betriebsbedingungen
Damit der TL494 IC korrekt funktioniert, müssen bestimmte Bedingungen eingehalten werden. Der Versorgungsspannungsbereich des Chips liegt zwischen 7V und 40V, und der Eingangsspannungsbereich des Fehlerverstärkers liegt zwischen -0,3V und dem VCC-Wert minus 2V (z.B. 13V bei einer 15V VCC-Versorgung). Bei den Transistoren in der Ausgangsstufe darf die Kollektor-Emitter-Spannung nicht mehr als 40V und der Kollektorstrom 200mA betragen. Der an den FEEDBACK-Eingang gelieferte Strom darf maximal 0,3mA betragen. Der Frequenzbereich des eingebauten Steuersignalgenerators liegt zwischen 1kHz und 300kHz. Die empfohlenen Werte für die R- und C-Elemente der externen Zeitschaltung sind 1,8k bis 500k für den Widerstand und 470pF bis 10uF für den Kondensator.
Der Komparator der Totzeit-Kontrollschaltung ist auf einen festen Offset-Wert eingestellt, um eine konstante Totzeit von etwa 5% zu gewährleisten. Die Funktion des On-Chip-Timing-Generators kann umgangen werden, indem der RT-Pin 14 des Chips mit dem REF-Referenzpin verbunden wird und extern ein Sägezahnsignal an den CT-Pin 5 angelegt wird. Diese Funktion ermöglicht auch die synchrone Steuerung mehrerer TL494-Chips mit unterschiedlichen Stromschienen. Die On-Chip-Ausgangstransistoren mit schwimmenden Ausgängen sind so angeordnet, dass sie einen Ausgang mit einem gemeinsamen Emitter oder einen Ausgang mit einer Emitter-Sekundärwicklung bereitstellen. Der Chip ermöglicht es dem Benutzer, eine Push-Pull- oder Single-Ended-Ausgangsstufe an den Ausgangspins zu erzielen, indem er Pin 13, den Pin für die Ausgangssteuerung, entsprechend konfiguriert. Ein interner Schaltkreis verhindert, dass einer der Ausgänge einen Doppelimpuls erzeugt, wenn der IC die Ausgangskonfiguration als Push-Pull hat.
