Prosessoreiden monivaihekytkentäjännitesäätimien plussat ja miinukset. PC-oheislaitteiden maailma

Mikroprosessorit ovat tehokkaimpia energiankuluttajia maailmassa. nykyaikaiset tietokoneet. Nykyaikaisen mikroprosessorin virrankulutus voi olla useita kymmeniä ampeeria. Samalla mikroprosessorin syöttöjännitteen laatu on tärkein koko järjestelmän vakauden määräävä tekijä. Tietoja siitä, kuinka tuottajat emolevyt ratkaise ongelma, joka liittyy mikroprosessorin tehokkaaseen ja laadukkaaseen tehoon, kuten on kuvattu tietoosi tuomassa artikkelissa.

Johdanto

Mikroprosessorien kellotaajuus kasvaa tasaisesti ja saavuttaa nyt useita GHz. Edistäminen kellotaajuus mikroprosessoriin liittyy merkittävä virrankulutuksen kasvu, ja se johtaa vastaavasti prosessorikiteen lämpötilan nousuun. Lisäksi mikroprosessorien virrankulutukseen vaikuttaa myös sen sirulla olevien transistorien määrän kasvu (kuin nykyaikaisempi prosessori, sitä korkeampi integraatioaste sillä on). Vaikka mikroprosessorien perustan muodostavat CMOS-transistorit kuluttavat niukasti virtoja, kun ne ovat pois päältä, kun puhutaan useista miljoonista prosessorin sirulla sijaitsevista transistoreista, tätä ei voi enää jättää huomiotta. CMOS-transistorien pääasiallinen energiankulutus tapahtuu sen päällekytkemisen hetkellä, ja luonnollisesti mitä useammin transistorit kytkeytyvät, Suuri määrä ne kuluttavat energiaa. Tämän seurauksena miljoonat transistorit vaihtavat korkeataajuus, pystyvät varmistamaan, että mikroprosessori kuluttaa sellaista virtaa, jonka arvo saavuttaa jo 50 ampeeria tai enemmän. Siten prosessorin kide alkaa lämmetä voimakkaasti, mikä johtaa transistorien kytkentäprosessien merkittävään heikkenemiseen ja voi vahingoittaa niitä. Ongelmaa ei kuitenkaan voida ratkaista pelkästään lämmönpoistolla.

Kaikki tämä pakottaa valmistajat vähentämään mikroprosessorien syöttöjännitettä tai tarkemmin sanottuna sen ytimen syöttöjännitettä. Syöttöjännitteen alentaminen voi ratkaista mikroprosessorisirun tehohäviön ja alentaa sen lämpötilaa. Jos 80x86-perheen ensimmäisten mikroprosessorien syöttöjännite oli +5 V (ja jännitteen alennusta +3,3 V:iin käytettiin ensimmäisen kerran I80486:ssa), niin uusimpien sukupolvien mikroprosessorit voivat toimia jo +0,5 V:n syöttöjännitteellä. (katso Intelin VR11-spesifikaatio).

Mutta asia on, että sellainen alhainen jännite järjestelmän virtalähde ei tuota. Muistakaamme, että sen lähdössä muodostuu vain +3,3V, +5V ja +12V jännitteitä. Emolevyllä on siis oltava oma jännitteensäädin, joka pystyy alentamaan nämä "korkeajännite"-jännitteet tasolle, joka tarvitaan prosessorin ytimen tehon saamiseen, ts. arvoon 0,5-1,6 V asti (Kuva 1).

Kuva 1

Koska tämä säädin muuttaa DC-jännitteen +12V:ksi jatkuva paine, mutta arvoltaan pienempi, säädintä kutsutaan DC-DC-muuntimeksi (muunnin tasavirta tasavirtaan). Haluaisin kiinnittää kaikkien asiantuntijoiden huomion, että prosessorin ydinjännite syntyy nyt +12V jännitteestä, ei +5V tai +3.3V jännitteestä, koska se saattaa tuntua loogisemmalta. Tosiasia on, että +12V kanavan jännite on korkein, ja siksi on mahdollista luoda huomattavasti enemmän tehoa pienemmällä virta-arvolla. Siten nykyaikaisissa laskentajärjestelmissä tärkeimmäksi jännitteeksi tulee +12V, ja juuri tässä kanavassa kulkevat suurimmat virrat. Tämä muuten näkyy standardeissa, jotka kuvaavat vaatimuksia järjestelmäyksiköt virtalähde, jonka mukaan +12V kanavan kuormituskyky on maksimi. Lisäksi teholähteen lähdössä tulee olla kaksi +12V jännitekanavaa (+12V1 ja +12V2), ja kummankin kanavan virtaa on ohjattava erikseen. Yksi näistä kanavista, nimittäin +12V2, on suunniteltu erityisesti syöttämään prosessorin ydintä, ja siihen sovelletaan tiukimmat vakauden vaatimukset ja pienimmät toleranssit nimellisarvosta poikkeaville.

On myös syytä huomioida seuraava kohta. Koska prosessorien kuluttama teho on melko suuri (voi olla lähes 100 W), jännitemuunnos on suoritettava pulssimenetelmällä. Lineaarinen muunnos ei pysty tarjoamaan riittävän suurta hyötysuhdetta sellaisella teholla ja johtaa merkittäviin häviöihin ja siten muuntajaelementtien kuumenemiseen. Nykyään vain pulssimuunnos mahdollistaa tehokkaan ja taloudellisen teholähteen, jolla on pienet mitat ja hyväksyttävä toteutuskustannukset. Emolevyllä on siis DC-DC-muunnin, joka on alennettu pulssimuunnin (Step Down tai Trim).

DC-DC-muuntimen buck-tyyppi

Perustason DC-DC-buck-muunninpiiri on esitetty kuvassa Kuva 2. Haluaisin huomauttaa, että tämän tyyppisiä säätimiä nykyaikaisessa tuontikirjallisuudessa kutsutaan nimellä Buck Converter tai Buck Regulator. Transistori Q1 tässä piirissä on kytkin, joka suljettaessa/avaatuna muodostaa tasajännitteestä pulssijännitteen.

Kuva 2

Tässä tapauksessa generoitujen pulssien amplitudi on 12V. Muunnostehokkuuden parantamiseksi Q1:n on vaihdettava korkealla taajuudella (mitä korkeampi taajuus, sitä tehokkaampi muunnos). SISÄÄN todellisia piirejä emolevyn säätimet, muuntajatransistorien kytkentätaajuus voi olla välillä 80 kHz - 2 MHz.

Seuraavaksi tuloksena oleva pulssijännite tasoitetaan kelalla L1 ja elektrolyyttikondensaattorilla C1. Tämän seurauksena C1:ssä syntyy vakiojännite, mutta suuruusluokkaa pienempi. Tässä tapauksessa luodun tasajännitteen suuruus on verrannollinen lähdössä Q1 vastaanotettujen pulssien leveyteen. Jos Q1 on päällä pidempään, myös L1:een varastoitunut energia on suurempi, mikä lopulta saa C1:n jännitteen kasvamaan. Vastaavasti ja päinvastoin - transistorin Q1 avoimen tilan lyhyemmällä kestolla C1:n jännite laskee. Tätä tasajännitteen säätömenetelmää kutsutaan pulssinleveysmodulaatioksi - PWM (Pulse Width Modulation).

Piirin erittäin tärkeä elementti on diodi D1. Tämä diodi ylläpitää induktorin L1 synnyttämää kuormitusvirtaa niinä ajanjaksoina, jolloin transistori Q1 on kiinni. Toisin sanoen, kun Q1 on auki, induktorin virta ja kuormavirta saadaan virtalähteestä, ja energiaa varastoidaan kelaan. Kun transistori Q1 sammuu, induktoriin varastoitu energia ylläpitää kuormitusvirtaa. Tämä virta kulkee D1:n kautta, ts. induktorin energiaa käytetään kuormitusvirran ylläpitämiseen ( katso kuva 3).

Kuva 3

Käytännölliset buck-säädinpiirit, jotka tuottavat suuria virtoja, aiheuttavat kuitenkin joitain ongelmia. Tosiasia on, että useimmat diodit eivät toimi riittävän nopeasti, ja niillä on myös suhteellisen korkea avoin vastus p-n risteys. Kaikki tämä ei ole ratkaisevaa pienillä kuormitusvirroilla. Mutta suurilla virroilla kaikki tämä johtaa merkittäviin häviöihin, diodin D1 voimakkaaseen kuumenemiseen, jännitepiikkeihin ja käänteisvirtojen esiintymiseen diodin läpi transistoria Q1 vaihdettaessa. Siksi tämä kaava muutettiin suorituskyvyn lisäämiseksi ja häviöiden vähentämiseksi, minkä seurauksena diodin D1 - Q2 tilalle käytettiin toista transistoria (Kuva 4).

Kuva 4

Transistor Q2, joka on MOSFET, on erittäin alhainen päällekkäin ja korkea toimintanopeus. Koska Q2 suorittaa diodin tehtävää, se toimii synkronisesti Q1:n kanssa, mutta tiukasti vastavaiheessa, ts. kun Q1 on kiinni, transistori Q2 avautuu ja päinvastoin, kun Q1 on auki, transistori Q2 on kiinni. (katso kuva 5).

Kuva 5

Tämä on ainoa mahdollinen ratkaisu jännitteenmuuntimien järjestämiseen nykyaikaisille emolevyille, joissa, kuten olemme jo todenneet, prosessorin virransyöttö edellyttää erittäin korkeita virtoja.

Saatuaan päätökseen kytkentäjännitesäätimien järjestämisen perustekniikoiden tarkastelun siirrymme tarkastelemaan käytännön suunnitelmia niiden toteuttamiseksi.

Prosessorin ydinjännitteen säätimien järjestämisen perusteet

On syytä mainita heti, että komponenttivalmistajat alkoivat jo kauan sitten tuottaa erikoismikropiirejä, jotka on suunniteltu rakentamaan kytkentäjännitesäätimiä emolevyille henkilökohtaiset tietokoneet. Tällaisten erikoistuneiden mikropiirien käyttö mahdollistaa säätimien ominaisuuksien parantamisen, niiden suuren tiiviyden varmistamisen ja sekä säätimien itsensä että niiden kehittämisen kustannusten pienentämisen. Nykyään emolevyjen jännitesäätimissä käytetään kolmen tyyppisiä mikropiirejä, jotka on suunniteltu syöttämään prosessorin ydintä:

- pääohjain (Main Controller), jota kutsutaan myös PWM-ohjaimeksi (PWM-Controller) tai jännitesäätimeksi (Voltage Regulator);

- Ajuri MOS-transistorien ohjaamiseen (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);

- yhdistetty ohjain, joka yhdistää sekä PWM-ohjaimen että MOS-transistoriohjaimen toiminnot.

Kun otetaan huomioon käytettyjen mikropiirien monimuotoisuus, nykyaikaisista emolevyistä löytyy kaksi päävaihtoehtoa kytkentäjännitesäätimien rakentamiseksi prosessorin ytimeen.

I vaihtoehto. Tämä vaihtoehto on tyypillinen emolevyille lähtötaso, jolle on ominaista alhainen tuottavuus, ts. sitä käytetään useimmiten emolevyissä, joissa ei ole mahdollista käyttää korkean suorituskyvyn ja tehokkaat prosessorit. Tässä suoritusmuodossa muuntimen tehotransistoreja ohjataan yhdistetyllä ohjainmikropiirillä. Tämä siru tarjoaa seuraavat toiminnot:

- prosessorin syöttöjännitteen tunnistussignaalien (VIDn) tilan lukeminen;

- PWM-signaalien generointi teho-MOS-transistorien synkroniseen ohjaukseen;

- generoidun syöttöjännitteen arvon ohjaus;

- teho-MOS-transistorien nykyisen suojauksen toteuttaminen;

- vahvistussignaalin luominen oikea työ säädin ja sen lähdössä oikea jännite prosessorin ytimen syöttämiseksi (PGOOD-signaali).

Esimerkki tällaisesta jännitteensäädinvaihtoehdosta on esitetty kohdassa Kuva 6. Tässä tapauksessa, kuten näemme, tehotransistorit on kytketty suoraan yhdistetyn ohjainsirun lähtöihin. HIP6004-sirua käytettiin usein tällaisena ohjaimena.

Kuva 6

Vaihtoehto II. Tämä vaihtoehto on tyypillinen emolevyille, jotka on suunniteltu toimimaan korkean suorituskyvyn prosessorien kanssa. Koska korkean suorituskyvyn prosessori vaatii suuria virtoja, jännitteensäädin on tehty monikanavaiseksi (Kuva 7).

Kuva 7

Useiden kanavien läsnäolo mahdollistaa kunkin kanavan nykyisen arvon pienentämisen, ts. vähentää MOS-transistoreiden kytkemiä virtoja. Tämä puolestaan ​​lisää koko piirin luotettavuutta ja mahdollistaa vähemmän käytön tehokkaat transistorit, jolla on positiivinen vaikutus sekä itse säätimen että koko emolevyn kustannuksiin.

Tälle säätimen versiolle on ominaista kahden tyyppisten mikropiirien käyttö: PWM-pääohjain ja MOS-transistoriohjaimet. MOS-transistorien synkronisen ohjauksen suorittavat ajurit, joista jokainen voi ohjata joko yhtä tai kahta transistoripiparia. Ohjain varmistaa transistorien vastavaihekytkennän tulosignaalin (useimmiten PWM) mukaisesti, joka määrittää transistorien kytkentätaajuuden ja aukioloajan. Ohjainsirujen määrä vastaa kytkentäsäädinkanavien määrää.

Kaikkia ohjaimia ohjaa pääohjain, jonka päätoimintoihin kuuluvat:

-pulssien generointi MOS-transistoriohjaimien ohjaamiseksi;

- muuttaa näiden ohjauspulssien leveyttä säätimen lähtöjännitteen stabiloimiseksi;

- säätimen lähtöjännitteen ohjaus;

- MOS-transistorien virtasuojauksen varmistaminen;

- prosessorin syöttöjännitteen tunnistussignaalien (VIDn) tilan lukeminen.

Näiden toimintojen lisäksi voidaan suorittaa muita aputoimintoja, joiden olemassaolo määräytyy käytettävän pääohjaimen tyypin mukaan.

Tällaisen jännitesäätimen yleinen kaavio on esitetty kohdassa Kuva 8. Useimmat nykyaikaiset pääohjaimet ovat 4-kanavaisia, ts. on 4 PWM-lähtösignaalia transistoriohjaimien ohjaamiseksi.

Kuva 8

Joten tällä hetkellä prosessorin ytimen jännitesäätimet voivat olla 2-kanavaisia, 3-kanavaisia ​​ja 4-kanavaisia.

Esimerkki 2-kanavaisen säätimen toteutuksesta on esitetty osoitteessa Kuva 9. Tämä säädin on rakennettu käyttämällä HIP6301-tyyppistä Main Controller -sirua, joka on periaatteessa nelikanavainen, mutta kaksi kanavaa jää käyttämättä.

Kuva 9

HIP6601B-siruja käytetään avainajureina tässä piirissä.

Esimerkki 4-kanavaisen säätimen toteutuksesta, joka käyttää samaa pääohjainta, on esitetty osoitteessa Kuva 10.

Kuva 10

HIP6301-ohjain dekoodaa prosessorin ydinjännitteen ottaen huomioon 5-bittisen tunnistekoodin (VID0 - VID4) ja tuottaa PWM-pulsseja taajuudella 1,5 MHz asti. Lisäksi se generoi PGOOD-signaalin (good power), jos jännitesäätimen synnyttämä prosessorin ydinjännite vastaa VIDn-signaaleilla asetettua arvoa.

Monikanavaisten säätimien ominaisuudet

Käytettäessä monikanavaisia ​​jännitesäätimiä emolevyn kehittäjien on ratkaistava useita ongelmia. Tosiasia on, että jokainen kanava on pulssisäädin, joka kytkeytyy korkealla taajuudella luo virtapulsseja lähtöön. Nämä pulssit on luonnollisesti tasoitettava, ja tähän käytetään elektrolyyttikondensaattoreita ja kuristimia. Mutta tosiasia on, että suuren virtakuorman vuoksi kondensaattoreiden kapasitanssi ja kuristimien induktanssi eivät vieläkään riitä luomaan todella vakiojännitettä, minkä seurauksena prosessorin tehoväylässä havaitaan aaltoilua. (Kuva 11). Lisäksi kondensaattorien lukumäärän lisäys, kondensaattorikapasiteetin ja kuristimien induktanssin kasvu tai muunnostaajuuden kasvu (ellei puhu taajuuden lisäämisestä useita kertoja) eivät voi pelastaa sinua näistä väreilyistä. Luonnollisesti nämä väreilyt voivat johtaa prosessorin epävakaaseen toimintaan.

Kuva 11

Ongelmasta löytyi ratkaisu monikanavaisen jännitesäädinarkkitehtuurin käytöllä. Mutta ongelmaa ei silti voida ratkaista vain käyttämällä useita rinnakkaisia ​​kanavia. On varmistettava, että eri kanavien näppäimet kytkeytyvät vaihesiirrolla, ts. niiden pitäisi avautua yksi toisensa jälkeen. Tämä mahdollistaa sen, että jokainen kanava ylläpitää säätimen lähtövirtaa tiukasti määrätyn ajan. Toisin sanoen tasoituskondensaattorit latautuvat jatkuvasti, mutta eri kanavista eri aikoina. Joten esimerkiksi käytettäessä 4-kanavaista säädintä, lähtökondensaattorit ladataan neljä kertaa yhden säätimen kellojakson aikana, ts. yksittäisten kanavien pulssivirrat siirtyvät vaiheittain suhteessa toisiinsa 90° (katso kuva 12). Tämä vastaa muunnostaajuuden kasvua 4-kertaiseksi, ja jos kunkin kanavan transistorien kytkentätaajuus on 0,5 MHz, tasoituskondensaattorin pulssitaajuus on jo 2 MHz.

Kuva 12

Näin ollen PWM-pulssien, jotka generoidaan pääohjaimen mikropiirin lähdössä (PWM-lähtösignaalit), on seurattava tiettyä vaihesiirtoa ja tämä vaihesiirto määräytyy mikropiirin sisäisen arkkitehtuurin mukaan ja asetetaan yleensä jo mikropiirin suunnitteluvaiheessa. Mutta joidenkin ohjaimien avulla voit määrittää ne eri toimintatiloihin: 2-vaiheinen, 3-vaiheinen tai 4-vaiheinen ohjaus (miten tämä tehdään, löydät itse säätimien kuvauksista).

Erottavat ominaisuudet:

  • Pienin Dual Boost -muunnin: 16-nastainen QSOP
  • Tehokkuus 90 %
  • Aloita 1,5 V virtalähteestä
  • Maksimi kokonaisvirrankulutus 85 µA
  • Virrankulutus sammutustilassa 1 µA
  • Erilliset sammutustulot
  • Ohjaa kahta N-kanavaista pinta-asennus MOSFETiä
  • Alhaisen akun havaitsemisen vertailijan tulo ja lähtö
  • Voidaan käyttää boost- tai buck-muuntimena

Käyttöalueet:

  • Kannettava laite 2- ja 3-kennoisella virtalähteellä
  • Järjestäjät
  • Sähköiset kääntäjät
  • Kannettava, kannettava instrumentointi
  • Kannettavat tietokoneet
  • Henkilökohtaiset digitaaliset avustajat (PDA)
  • Kaksi virtalähdettä (logiikka ja LCD-virtalähde)

Tyypillinen kytkentäkaavio:

Pin paikat:

Pintojen kuvaus:

SENSE1 Sisäänkäynti palautetta muunnin 1 kiinteässä lähtöjännitetilassa
VDD Syöttöjännitteen syöttö
SAAPAS Tehostusgeneraattorin aktivointitulo käynnistyy 1,5 V:n jännitteellä
FB1, FB2 Palaute ja esiasetetut jännitteen valintatulot
ULK1, ULK2 Ohjaimen lähdöt
PGND Suuri virta kenraali
GND Kenraali
CS1, CS2 Virtaohjauksen vertailutulot
SHDN1, SHDN2 Tulojen sammuttaminen
LBI Akun purkauksen ohjausvertailutulo (kynnys 1,25 V)
VIITE Lähtöjännitteen vertailuarvo
LBO Akun purkauksen ohjausvertailijan lähtö

Kuvaus:

MAX863 on kaksilähtöinen DC-DC-muunnin, joka sisältää kaksi itsenäistä tehostinohjainta yhdessä kompaktissa paketissa. IC on valmistettu Bi-CMOS-tekniikalla ja kuluttaa vain 85 μA, kun molemmat ohjaimet ovat toiminnassa. Pienin tulojännite on 1,5 V, mikä mahdollistaa tämän IC:n käytön järjestäjissä, kääntäjissä ja muissa pienitehoisissa kannettavissa laitteissa. MAX863 tarjoaa tehokkuutta muunnos 90 % kuormitusvirralla 20 mA:sta 1A:iin. Tämä pienikokoinen IC on saatavana 16-nastaisena. QSOP-paketti, joka on samat mitat kuin 8-nastainen. SOIC-paketti.

IC käyttää virtaa rajoittavaauuria, jolle on ominaista alhaiset käynnistysvirtapiikit ja alhainen virrankulutus, mikä takaa korkean hyötysuhteen. muuntaminen laaja valikoima Ladataan. Jokainen säädin ohjaa edullista ulkoista N-kanavaista MOSFETiä, joka on optimoitu mille tahansa lähtövirralle ja jännitteelle.

Suuremman tehon järjestelmissä kahdella MAX863:lla voidaan tuottaa 5 V, 3,3 V, 12 V ja 28 V jännitteitä käyttämällä vain kahta tai kolmea akkua virtalähteenä. Suunnittelun aikataulujen nopeuttamiseksi on saatavilla MAX863EVKIT-arviointisarja. Jos tarvitaan yksi lähtöohjain, katso MAX608- ja MAX1771-dokumentaatio.

Laitteessa on valikko. Valikkoon siirtyminen, siinä liikkuminen ja sieltä poistuminen tapahtuu painamalla samanaikaisesti “H”- ja “B”-painikkeita. Tämän prosessin aikana osoittimeen ilmestyy vastaava muistomerkki, "H-U", "B-U" (ala- ja yläjänniterajat), "H-I", "B-I" (ala- ja ylävirtarajat), "P-0", "P". -1” - manuaalinen tai automaattinen tila, releen kytkeminen päälle, kun jännite tai virta palaa määritettyihin rajoihin. “-З-” tarkoittaa, että asetettuja parametreja kirjoitetaan pysyvään muistiin ja poistuu valikkotilasta. Valikkotilassa "H"- ja "B"-painikkeilla voit muuttaa parametreja suuntaan tai toiseen, ja painikkeen painaminen noin 3 sekunnin ajan nopeuttaa parametrien muutosta. Muutos tapahtuu ympyrässä, 99,8-99,9-0,0-0,01 jne. Kun asetetut rajat ylittyvät, rele kytkeytyy pois päältä ja merkkivalo alkaa vilkkua merkiksi onnettomuudesta. Että. Laitteen avulla voit sekä ladata että purkaa akun tiettyyn jännitteeseen. Lisäksi, automaattinen tila voit pitää akun jatkuvasti ladattuna ja ohjata akun kapasiteettia manuaalisesti A/tunteissa.

Muutama muistiinpano. Muista kytkeä virta 74HC595, 16N - +5V, 8N - maadoitus. Painikkeissa on parempi käyttää vastusparia 3K3 ja 10K. Ilmaisimen polariteetilla ei ole väliä, se valitaan ohjaimen 11. jalassa olevalla vastuksella (kuten kaaviossa).

Sovellusesimerkki akun lataamiseen/purkuun:

Hex-tiedosto PIC16F676-mikro-ohjaimelle ohjaustoiminnoilla.
Sinulla ei ole pääsyä ladata tiedostoja palvelimeltamme- laiteohjelmistotiedosto volttimittarille parametreilla Umax=99.9V; Imax = 9,99 A; Pmax = 99,9/999 W; Cmax = 9,99 A/h.
Sinulla ei ole pääsyä ladata tiedostoja palvelimeltamme- Hex_file voltamperometristä katkaistuilla funktioilla, vain Umax = 99,9 V ja Imax = 9,99 A

Tällä oppitunnilla aloitan sarjan artikkeleita, jotka on omistettu vaihtamiseen stabilaattorit, digitaaliset säätimet ja lähtötehon ohjauslaitteet.

Tavoitteena on kehittää jääkaappiin Peltier-elementtiin perustuva ohjain.

Teemme kehityksestäni analogin, joka toteutetaan vain Arduino-levyn pohjalta.

  • Tämä kehitys kiinnosti monia ihmisiä, ja sain kirjeitä, joissa minua pyydettiin toteuttamaan se Arduinossa.
  • Kehitys on ihanteellinen laitteiston ja ohjelmiston oppimiseen digitaaliset säätimet. Lisäksi se yhdistää monia aiemmilla tunneilla opittuja tehtäviä:
    • Analogisten signaalien mittaus;
    • painikkeiden kanssa työskentely;
    • näyttöjärjestelmien liittäminen;
    • lämpötilan mittaus;
    • työskennellä EEPROMin kanssa;
    • yhteys tietokoneeseen;
    • rinnakkaiset prosessit;
    • ja paljon enemmän.

Toteutan kehittämisen peräkkäin, askel askeleelta selittäen tekoni. En tiedä mikä on tulos. Toivon täysin toimivaa jääkaapin ohjaimen projektia.

Minulla ei ole valmis projektia. Kirjoitan oppitunteja nykytilan perusteella, joten testauksen aikana voi käydä ilmi, että tein jossain vaiheessa virheen. Korjaan sen. Tämä on parempi kuin minä debuggan kehitystä ja valmistan valmiita ratkaisuja.

Erot kehitystyön ja prototyypin välillä.

Ainoa asia toiminnallinen ero PIC-ohjaimen kehitysprototyypistä johtuu nopean jännitteen stabilisaattorin puute, joka kompensoi syöttöjännitteen aaltoilua.

Nuo. tämä vaihtoehto Laitteen tulee saada virtaa stabiloidusta virtalähteestä, jonka aaltoilutaso on alhainen (enintään 5 %). Kaikki modernit impulssilohkot ravitsemus.

Ja mahdollisuus saada virtalähde epävakaasta virtalähteestä (muuntaja, tasasuuntaaja, kapasitiivinen suodatin) on suljettu pois. Arduino-järjestelmän nopeus ei salli nopean jännitesäätimen käyttöönottoa. Suosittelen lukemaan Peltier-elementin tehovaatimuksista.

Laitteen yleisen rakenteen kehittäminen.

Tässä vaiheessa sinun on ymmärrettävä yleisesti:

  • mistä elementeistä järjestelmä koostuu;
  • millä ohjaimella se suoritetaan;
  • onko tarpeeksi johtopäätöksiä ja toiminnallisuutta ohjain.

Kuvittelen ohjaimen "mustaksi laatikoksi" tai "roskakuopoksi" ja yhdistän kaiken tarvitsemani siihen. Sitten katson sopiiko esimerkiksi Arduino UNO R3 -levy näihin tarkoituksiin.

Minun tulkinnassani se näyttää tältä.

Piirsin suorakulmion - ohjaimen ja kaikki signaalit, joita tarvitaan järjestelmäelementtien yhdistämiseen.

Päätin, että minun täytyy muodostaa yhteys tauluun:

  • LCD-ilmaisin (tulosten ja tilojen näyttämiseksi);
  • 3 painiketta (ohjausta varten);
  • virhe LED;
  • tuulettimen ohjauspainike (lämmittimen kuuman puolen tuulettimen käynnistämiseksi);
  • pulssin stabilointipainike (Peltier-elementin tehon säätämiseksi);
  • analoginen kuormitusvirran mittaustulo;
  • analoginen kuormitusjännitteen mittaustulo;
  • lämpötila-anturi kammiossa (tarkka 1-lankainen anturi DS18B20);
  • jäähdyttimen lämpötila-anturi (en ole vielä päättänyt, mikä anturi, todennäköisesti myös DS18B20);
  • tietokoneviestintäsignaalit.

Signaalia oli kaikkiaan 18. Arduino UNO R3- tai Arduino NANO -levyssä on 20 nastaa. Varauksessa on vielä 2 johtopäätöstä. Haluat ehkä liittää toisen painikkeen tai LEDin tai kosteusanturin tai kylmäpuolen tuulettimen... Tarvitsemme 2 tai 3 analogista tuloa, kortilla on 6. Eli. kaikki sopii meille.

Voit määrittää pin-numerot heti tai kehityksen aikana. Varasin heti ajan. Yhteys tehdään liittimien kautta, voit aina vaihtaa niitä. Huomaa, että pinnien määritykset eivät ole lopullisia.

Pulssin stabilisaattorit.

Lämpötilan tasaamiseksi tarkasti ja Peltier-elementin käyttämiseksi optimaalisessa tilassa on tarpeen säätää sen tehoa. Säätimet voivat olla analogisia (lineaarisia) ja pulssisia (näppäin).

Analogiset säätimet ovat säätöelementti ja kuorma, jotka on kytketty sarjaan virtalähteeseen. Säätöelementin vastusta muuttamalla kuorman jännitettä tai virtaa säädetään. Pääsääntöisesti säätöelementtinä käytetään bipolaaritransistoria.

Ohjauselementti toimii lineaarisessa tilassa. Se tuottaa "ylimääräistä" tehoa. Suurilla virroilla tämän tyyppiset stabilisaattorit kuumenevat hyvin ja niillä on alhainen hyötysuhde. Tyypillinen lineaarinen stabilisaattori jännite on 7805-siru.

Tämä vaihtoehto ei sovi meille. Teemme pulssin (näppäin) stabilaattorin.

Vaihtovakaimet ovat erilaisia. Tarvitsemme buck-kytkinsäätimen. Tällaisten laitteiden kuormitusjännite on aina pienempi kuin syöttöjännite. Alennetun kytkentäsäätimen piiri näyttää tältä.

Ja tämä on kaavio säätimen toiminnasta.

Transistori VT toimii avaintilassa, ts. sillä voi olla vain kaksi tilaa: avoin tai suljettu. Ohjauslaite, meidän tapauksessamme mikro-ohjain, kytkee transistorin tietyllä taajuudella ja toimintajaksolla.

  • Kun transistori on auki, virta kulkee piirin läpi: virtalähde, transistorikytkin VT, kela L, kuorma.
  • Kun avain on auki, induktoriin kertynyt energia syötetään kuormaan. Virta kulkee piirin läpi: kela, VD-diodi, kuorma.

Näin ollen vakiojännite säätimen lähdössä riippuu auki- (auki) ja kiinni-kytkimen (tclose) ajan suhteesta, ts. ohjauspulssien käyttöjaksosta. Muuttamalla käyttöjaksoa mikro-ohjain voi muuttaa kuorman yli olevaa jännitettä. Kondensaattori C tasoittaa lähtöjännitteen aaltoilua.

Tämän ohjausmenetelmän tärkein etu on korkea hyötysuhde. Transistori on aina avoimessa tai suljetussa tilassa. Siksi siihen kuluu vähän tehoa - aina joko transistorin jännite on lähellä nollaa tai virta on 0.

Tämä on klassinen kytkentäpukkisäädinpiiri. Siinä avaintransistori on irrotettu yhteisestä johdosta. Transistoria on vaikea ohjata ja se vaatii erityisiä esijännitepiirejä syöttöjänniteväylään.

Joten vaihdoin kaavaa. Siinä kuorma on erotettu yhteisestä johdosta, mutta avain on kiinnitetty yhteiseen johtoon. Tämän ratkaisun avulla voit ohjata transistorikytkintä mikro-ohjaimen signaalista käyttämällä yksinkertaista virtaohjain-vahvistin.

  • Kun kytkin on kiinni, virta kulkee kuormaan piirin kautta: teholähde, kela L, kytkin VT (virran reitti näkyy punaisella).
  • Kytkimen ollessa auki kelaan kertynyt energia palautetaan kuormaan regeneratiivisen diodin VD kautta (virran kulku näkyy sinisellä).

Keskeisen sääntelyviranomaisen käytännön toteutus.

Meidän on toteutettava pulssisäädinsolmu seuraavilla toiminnoilla:

  • todellinen avainsäädin (avain, kuristin, regeneratiivinen diodi, tasoituskondensaattori);
  • kuormitus jännite mittaus piiri;
  • säädin nykyisen mittauspiirin;
  • laitteiston ylivirtasuojaus.

Otin säädinpiirin osoitteesta.

Pulssin säädinpiiri Arduino-levyn kanssa työskentelemiseen.

Käytin IRF7313 MOSFET-transistoreita virtakytkimenä. Peltier-elementtiohjaimen tehon lisäämistä käsittelevässä artikkelissa kirjoitin yksityiskohtaisesti näistä transistoreista, mahdollisista korvauksista ja tämän piirin avaintransistorien vaatimuksista. Tässä linkki kohteeseen tekninen dokumentaatio.

Avain MOSFET-transistoriohjain on koottu transistoreihin VT1 ja VT2. Tämä on vain virtavahvistin, jännitteenä se jopa vaimentaa signaalin noin 4,3 V:iin. Siksi avaintransistorin tulee olla matalakynnys. MOSFET-transistoriohjainten toteuttamiseen on erilaisia ​​vaihtoehtoja. Mukaan lukien integroitujen ohjainten käyttö. Tämä vaihtoehto on yksinkertaisin ja halvin.

Kuorman ylittävän jännitteen mittaamiseen käytetään jakajaa R1, R2. Näillä vastuksen resistanssiarvoilla ja vertailujännitelähteellä 1,1 V mittausalue on 0 ... 17,2 V. Piirin avulla voit mitata jännitteen toisessa kuormitusliittimessä suhteessa yhteiseen johtimeen. Laskemme jännitteen kuormalla tietäen virtalähteen jännitteen:

Lataa = Usupply – Mitattu.

On selvää, että mittauksen tarkkuus riippuu virtalähteen jännitteen stabiilisuudesta. Mutta emme tarvitse suurta tarkkuutta jännitteen, virran tai kuormitustehon mittaamiseen. Meidän tarvitsee vain mitata ja ylläpitää lämpötila tarkasti. Mittaamme sen suurella tarkkuudella. Ja jos järjestelmä näyttää, että Peltier-elementin teho on asetettu 10 W:iin, mutta itse asiassa se on 10,5 W, tämä ei vaikuta laitteen toimintaan millään tavalla. Tämä koskee kaikkia muita energiaparametreja.

Virta mitataan virta-anturin vastuksella R8. Komponentit R6 ja C2 muodostavat yksinkertaisen alipäästösuodattimen.

Elementit R7 ja VT3 sisältävät yksinkertaisimman laitteistosuojauksen. Jos virta piirissä ylittää 12 A, jännite vastuksen R8 yli saavuttaa transistorin avautumiskynnyksen 0,6 V. Transistori avaa ja sulkee mikro-ohjaimen RES (reset) -nastan maahan. Kaiken pitäisi sammua. Valitettavasti tällaisen suojauksen vastekynnys määräytyy bipolaaritransistorin kanta-emitterijännitteen (0,6 V) mukaan. Tämän vuoksi suojaus laukeaa vain merkittävillä virroilla. Voit käyttää analogista vertailijaa, mutta tämä monimutkaistaa piiriä.

Virta mitataan tarkemmin, kun virtaanturin R8 resistanssi kasvaa. Mutta tämä johtaa siihen, että siihen vapautuu merkittävä valta. Jopa 0,05 ohmin resistanssilla ja 5 A virralla vastus R8 hajottaa 5 * 5 * 0,05 = 1,25 W. Huomaa, että vastuksen R8 teho on 2 W.

Mitä virtaa nyt mitataan. Mittaamme kytkentäsäätimen virrankulutuksen virtalähteestä. Tämän parametrin mittauspiiri on paljon yksinkertaisempi kuin kuormitusvirran mittauspiiri. Kuormamme on "irrotettu" yhteisestä johdosta. Jotta järjestelmä toimisi, on Peltier-elementin sähköteho mitattava. Laskemme säätimen kuluttaman tehon kertomalla syöttöjännitteen kulutetulla virralla. Oletetaan, että säätimemme hyötysuhde on 100 % ja päätetään, että tämä on Peltier-elementin teho. Itse asiassa säätimen tehokkuus on 90-95%, mutta tämä virhe ei vaikuta järjestelmän toimintaan millään tavalla.

Komponentit L2, L3, C5 – yksinkertainen radiohäiriösuodatin. Se ei ehkä ole tarpeen.

Avaimen stabilisaattorin kuristimen laskenta.

Kaasuvivulla on kaksi meille tärkeää parametria:

  • induktanssi;
  • kyllästysvirta.

Induktorin vaadittava induktanssi määräytyy PWM-taajuuden ja kelan virran sallitun aaltoilun mukaan. Tästä aiheesta on paljon tietoa. Annan yksinkertaisimman laskelman.

Laitoimme induktoriin jännitettä ja sen läpi kulkeva virta alkoi kasvaa. Lisäys, mutta ei ilmestynyt, koska induktorin läpi kulki jo jonkin verran virtaa sillä hetkellä, kun olin päällä).


Transistori avautui. Jännite on kytketty kelaan:

Uchoke = Usupply – Lataa.

Induktorin läpi kulkeva virta alkoi kasvaa lain mukaan:

Ithrottle = Uthrottle * topen / L

Nuo. induktorin virran aaltoilun arvo tai kuinka paljon virta on kasvanut avoimen avaimen aikana, määritetään lausekkeella:

Ioff – Ion = Uthrottle * topen / L

Kuorman jännite voi vaihdella. Ja se määrittää jännitteen kaasulla. On kaavoja, jotka ottavat tämän huomioon. Mutta meidän tapauksessamme ottaisin seuraavat arvot:

  • syöttöjännite 12 V;
  • Peltier-elementin minimijännite 5 V;
  • Tämä tarkoittaa, että induktorin maksimijännite on 12 – 5 = 7 V.

Julkisen avaimen pulssin topen kesto määräytyy PWM-jakson taajuuden mukaan. Mitä suurempi se on, sitä vähemmän induktanssia tarvitaan. Arduino-levyn suurin PWM-taajuus on 62,5 kHz. Kerron sinulle kuinka saada tämä taajuus seuraavassa oppitunnissa. Käytämme sitä.

Otetaanpa pahin skenaario - PWM vaihtuu tarkalleen jakson puolivälissä.

  • Jakson kesto 1 / 62500 Hz = 0,000016 s = 16 µs;
  • Julkisen avaimen kesto = 8 µs.

Virran aaltoilu tällaisissa piireissä asetetaan yleensä 20 %:iin keskimääräisestä virrasta. Tätä ei pidä sekoittaa lähtöjännitteen aaltoiluon. Ne tasoitetaan piirin lähdössä olevilla kondensaattoreilla.

Jos sallimme 5 A virran, otamme virran aaltoiluksi 10 % tai 0,5 A.

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

Induktorin kyllästysvirta.

Kaikella maailmassa on rajansa. Ja kaasu myös. Jollain virralla se lakkaa olemasta induktanssi. Tämä on induktorin kyllästysvirta.

Meidän tapauksessamme induktorin maksimivirta määritellään keskimääräiseksi virraksi plus aaltoiluksi, ts. 5,5 A. Mutta kyllästysvirta on parempi valita marginaalilla. Jos haluamme laitteistosuojauksen toimivan tässä piirin versiossa, sen on oltava vähintään 12 A.

Kyllästysvirran määrää kelan magneettipiirin ilmaväli. Peltier-elementtisäätimiä koskevissa artikkeleissa puhuin induktorin suunnittelusta. Jos aloin laajentaa tätä aihetta yksityiskohtaisesti, jätämme Arduinon, ohjelmoinnin, enkä tiedä milloin palaamme.

Kaasuni näyttää tältä.


Luonnollisesti induktorin käämilangan tulee olla riittävän poikkileikkaukseltaan. Laskenta on yksinkertainen - lämpöhäviöiden määrittäminen käämin aktiivisesta resistanssista.

Aktiivinen käämitysvastus:

Ra = ρ * l / S,

  • Ra – käämin aktiivinen vastus;
  • Ρ – materiaalin ominaisvastus, kuparille 0,0175 Ohm mm2 / m;
  • l – käämin pituus;
  • S – käämilangan poikkileikkaus.

Lämpöhäviöt kelan aktiivisella resistanssilla:

Avainsäädin kuluttaa kohtuullisen määrän virtaa virtalähteestä, eikä tätä virtaa saa päästää Arduino-levyn läpi. Kaavio osoittaa, että virtalähteen johdot on kytketty suoraan estokondensaattoreihin C6 ja C7.

Piirin pääpulssivirrat kulkevat piirin C6, kuorman, L1, D2, R8 kautta. Tämä ketju on suljettava vähimmäispituisilla siteillä.

Arduino-levyn yhteinen johto ja tehoväylä on kytketty estokondensaattoriin C6.

Arduino-levyn ja avaimen stabilointimoduulin välisten signaalijohtojen on oltava vähimmäispituisia. On parempi sijoittaa kondensaattorit C1 ja C2 liittimiin liittimiin liittämistä varten.

Kokosin piirin levylle. Juotin vain tarvittavat komponentit. Koottu piirini näyttää tältä.

Asetin PWM:n 50 %:iin ja tarkistin piirin toiminnan.

  • Kun kortti saa virtaa tietokoneesta, se loi tietyn PWM:n.
  • Kun se sai virtaa itsenäisesti ulkoisesta virtalähteestä, kaikki toimi loistavasti. Kelaan muodostui pulsseja, joilla oli hyvät reunat, ja lähdössä oli vakiojännite.
  • Kun laitoin virran päälle sekä tietokoneesta että ulkoisesta virtalähteestä samanaikaisesti, Arduino-levyni paloi.

Tyhmä virheeni. Kerron sinulle, jotta kukaan ei toista sitä. Yleensä yhdistäminen ulkoinen yksikkö Sinun on oltava varovainen ruoan suhteen, soita kaikkiin yhteyksiin.

Minulle kävi seuraavaa. Kaaviossa ei ollut diodia VD2. Lisäsin sen tämän vaivan jälkeen. Ajattelin, että kortti voisi saada virtaa ulkoisesta lähteestä Vin-nastan kautta. Hän itse kirjoitti oppitunnissa 2, että kortti voi vastaanottaa virtaa ulkoisesta lähteestä liittimen kautta (RWRIN-signaali). Mutta luulin sen olevan sama signaali, vain eri liittimissä.

0 Kategoria: . Voit lisätä sen kirjanmerkkeihin.