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L'integrato TL494

2 parole su uno degli interati più famosi per la realizzazione di alimentatori switching e altro ancora...

A cosa serve?

"The TL494 incorporates all the functions required in the construction of a pulse-width-modulation (PWM) control circuit on a single chip."

[ Il Tl494 incorpora tutte le funzioni richieste nella costruzione di circuiti che necessitano di una modulazione a larghezza d'impulso (PWM) in un singolo chip. ]

Insomma, da questa descrizione sembra che non sia altro che un'integrato per la costruzione di ali switching, ma data la sua versatilità non è il solo campo d'impiego. Posso affermare che si può utilizzare per qualunque tipo di SMPS dai flyback ai forward, dai puh-pull ai full-bridge, dai convertitori buck i boost, insomma DAPPERTUTTO!!!!

Iniziamo subito a vedere lo schema interno di questo integrato:

In basso a sinistra vediamo 2 "error amplifier" cioè 2 comparatori che ci permettono di confrontare la nostra tensione di riferimento con quella in uscita dal nostro ali, cioè creare una retroazione che permetta di mantenere la tensione in uscita stabile.Possiamo vedere che lo schema non è complicatissimo:

Appena più sopra vediamo il comparatore per controllare il DT (dead-time, "tempo morto"), questo può servire per limitare il duty-cycle in uscita o creare protezioni di vario genere.

Scalate ancora più i alto e trovate l'oscillatore a dente di sega, questo serve per generare la rampa di tensione che il vero e proprio comparatore PWM (appena più a destra) utilizzerà per comadare i circuiti successivi.

In basso a destra è segnato un regolatore in grado di fornire 5V stabili per creare i nostri riferimenti.

Al di sopra del regolatore troviamo una serie di circuiti logici che caratterizzano appunto il nostro integrato.

I comparatori

Come già accennato questi 2 comparatori ci permettono di confrontare la tensione in uscita dal nostro alimentatore con una tensione di riferimento a nostra scelta. Se la tensione sul pin 3 (feedback) sale, il duty-cycle scende, quindi bisogna configurare sti Op in mopdo che quando la tensione in uscita al nostro ali tende a scendere scenda anche quella presente sul pin 3, detto questo dobbiamo porre sul piedino non invertente (1 o 16) la Vout dell'ali, e ai piedini invertenti (2 e 15) il riferimento da noi creato. Questo può essere ottenuto tramite un partitore di tensione dalla Vref sul piedino 14 oppure tramite un diodo, uno zener, un integrato dedicato, Tl431, insomma come volete. si può inserire negli ingressi dei comparatori una tensione compresa tra -0.3V e la tensione di alimentazione - 2V (o almeno queste sono le condizioni raccomandate).

La prima configurazione mostra il funzionamento con una Vout positiva, le resistenze Rl ed Rf servono a limitare il guadagno del comparatore, "dovrebbe" mantenere più stabile la tesione di uscita (io non ho mai notato grandi differenze). Qualcuno consiglia di limitare il guadagno a 101 cioè mettendo Rf 100 volte superiore a Rl (valori ottimali Rl = 470 ohm, Rf = 47kohm)

per calcolare la tensione in uscita dall'ipotetico ali in questa configurazione è:

L'equazione seguente invece mostra come calcolare la R2 conoscendo già R1, Vref, sempre con una Vout positiva:

La seconda configurazione mostra come tenere sotto controllo una tensione negativa, pin non invertente a massa e invertente al partitore tra Vref e -Vout, anche quì sono inserite le 2 resistenze per limitare il guadagno, sempre a 101. 

Nel caso in cui non si utilizzassero tutti e due i comapartori: (la freccina nella foto non è la vostra, ma la mia di quando ho fatto la screen-shot)

Il circuito di dead-time

Questo accrocchio ci permettere di limitare il duty-cycle sulle uscite, quindi di diminuire la potenza inviata agli stadi successivi. è utile per vari scopi, come appunto limitare il duty o creare protezioni over voltage. Vediamo come: 

ponendo sul piedino 4 (DTC, dead-time control) una tensione compresa tra 0 e 3V abbiamo la possibilità di regolare la % del Ton su tempo totale T, quando sul pin sono presenti 0V il DTC è al minimo, ovvero permette un'escursione che va dallo 0% al 45% (ogni uscita, se si acoppiano le uscite si arriva al 90%), se il pin 4 è posto ad una tensione > di 3V il dead-time è massimo, quindi il duty non salirà oltre allo 0%. si può calcolare il duty-cycle masimo con questa formula:

Sfruttando il pin 4 si può creare anche un'ottima protezione over voltage, tramite un TL431 (reperibile spesso negli ATX) e un transistor PNP si alza la tensione sul pin di DTC e quindi si va alimitare il Ton/T in uscita. ecco lo schema:

Il TL431 è una specie di zener regolabile in tensione tramite l'apposito pin, ha un riferimento interno ultra stabile a 2.495V. per il suo utilizzo vi rimando al suo datasheet:

TL431_Datasheet_Download

La resistenza presente sul catodo dell'integrato va dimensionata in modo che ci passi attraverso una corrente minima di 1mA, Quindi deve avere un valore non superiore a 330 ohm, è l'unico componente critico, Q1 è un qualunque transistor PNP (BC237, BC557, BD442, BD140, 2N2955, ecc) 

Nel primo schema di questo articolo si può notare che in serie al piedino non invertente del comparatore del DTC c'è un generatore di tensione pari a 0.1V, questo è quello che no permette al nostro duty-cycle di salire, non ho mai provato, ma si potrebbe porre ad una tensione negativa di esattamente -100mV per vedere se si può ottenere il 50% del Ton su ogni singola uscita.

Con il DTC è possibile anche creare un circuito di soft-stat, un circuito che permette di non far partire i vostri progetti alla massima potenza, ovvero creare un ritardo di accensione aumentando lentamente il Ton/T sulle uscite. Si può ottenere tramite questo circuito:

Si può calcolare il valore di Cs dividendo il tempo per cui non vogliamo far partire l'oscillatore per il valore della Rs; si può considerare un buon soft-start un tempo compreso tra i 25 e i 100 cicli di clock, determinabili con la classica formula T = 1 / F, dove T è il tempo, e F è la frequenza, quindi il tempo è l'inverso della frequenza.

Il circuito oscillatore

Questo insieme apparentemente disordinato di transistori è il circuito che permette al nostro integrato di funzionare, è ciò che "definisce i tempi del nascere e del morire" della corrente nel nostro induttore. è in grado di generare una FO di 3Vpp a dente di sega sul condensatore collegato tra il pin CT e massa, quindi l'oscillatore va utilizzato così:

La frequenza di oscillazione si determina con la seguente formula:

Bisogna ricordare che nei convertitori e SMPS push-pull, a ponte intero e mezzo ponte la frequenza va però raddoppiata (considerate i digarm, che vi mostrerò e poi capite perchè), quindi bisogna dimensionare o la resistenza o il condensatore di 1/2 valore rispetto a quello calcolato (o fare il calcolo prendendo in considerazione 2Fosc).

si dovrebbero dire tante altre cose sull'oscilltore, ma le ritengo poco importanti e raramente necessarie, quindi in fondo all'articolo trovate degli interessanti link da cui ho preso spunto e un'ottimo tutorial (in inglese) su come realizzare alimentatori a commutazione.

Voglio farvi notare che il comparatore che sta al centro dl primo schema che vi ho mostrato è quello che genera il vero e proprio segnale PWM, questo ha un'ingresso posto sul pin 5, ovvero sull'uscita dell'oscillatore a dente di sega, e l'altro sul pin 3, ovvero l'uscita dei 2 comparatori. Quindi quando noi creiamo una retroazione non facciamo altro che modificare la tensione presente sul pin 3 per cambiare il duty-cycle sull'uscita. Possiamo configurare i comparatori di modo che le loro uscite siano a livello logico 0 e quindi non influenzino la tensione presente sul pin di feedback, ma sia solo il generatore di orrente costante interno che mantiene 0V. Quindi impostando una tensione compresa tra 0 e 3V il duty-cycle varia tra 90 e 0% (ricordo che più è alta la tensione sul feedback più e basso il duty-cycle), possiamo realizzare un dimmer PWM per motori e/o lampadine o ancora generare strani segnali sfruttando i circuiti logici successivi al modulatore.

Il pin 13 

come titolo sembra un po riduttivo, ma c'è davvero tanto da dire. Prima di parlare del suddetto pin voglio descrivere il funzionamento dei circuiti logici che seguono il modulatore PWM.

Riprendiamo la parte interessata del primo schema...

...e anche il "timing diagram" la tabella degli stati logici relativi all'integrato:

Prima cosa che faccio notare è appunto il funzionamento del pin 13 (output control):

-  se porto a massa "unisce" le 2 uscite, cioè fa lavorare i transistor Q1 e Q2 in contemporanea, perche qualunque sia    lo stato delle uscite del flip-flop le porte logiche And darà come risultato 0 (escludendo di fatto il lavoro del flip-flop),      quindi la successiva Nor manderà in uscita la negazione di ciò che gli arriva sul suo altro ingresso (punti B e C);

- se porto a Vref si separano le 2 uscite, questo è il funzionamento che caratterizza il TL494 e lo rende così versatile.

In alto si vede la Fo a dente di sega sul condensatore CT, di cui abbiamo parlato prima, la tensione sul pin 3 (feedback) tratteggiata, prima sale e poi scende, la terza linea è il DTC, che viene imposto solo in una prima parte di funzionamento.

La traccia al di sotto mostra l'entrata del flip flop, corrispondente al punto "A" del circuito, notate che all'aumentare della tensione sul pin 3 aumentio anche il duty-cycle presente in questo nodo.

Le uscite del flip-flop (traccie 3 e 4) invertono il loro stato ogni volta che arriva un fronte in salita dall'ingresso "A", ognuna di queste va a pilotare un transistor di uscita (Q1 o Q2) tramite una porta Nor, in poche parole, il flip flop decide quale transistor accendere, il modulatore PWM per quanto tempo tenerlo acceso.

Le altre rimanenti tracce mostrano lo stato degli emettitori dei transistor e l'ultimo mostra la tensione sul pin 13.

Gli "sfoghi" del TL494, 2 transistor

Ma tutto ciò che fa sto integrato dove va a finire? 

La domanda trova risposta in 2 transistor accessibili tramite i pin 8, 9, 10 e 11. Per ottenere un segnale di uscita è possibile utilizzare diverse configurazioni:

Questo è ciò che ON semi consiglia di fare, ovvio che nel caso in cui si usi la prima configurazione l'uscita sarà negata rispetto alla seconda configurazione. ogni transistor è in grado di sopportare una corrente di 200mA, abbastanza bassa e assolutamente inadeguata per pilotare un mos, per questo compito ricorriamo ad un'adeguato circuito:

Sulla sinistra notiamo un aparte del TL494, si vede solo un o dei 2 transistor di uscita e segnati i relatvi pin, sull'emettitore troviamo una resistenza verso massa, il valore varia in base al guadagno di Q1 e Q2 e allatensione di alimentazione, come valore di riferimento prendete 470ohm.

Q1 e Q2 vanno dimensionati in base al mos che usate: per determinare la corrente di picco che il mos ha bisogno per accendersi fare riferimento a questa formula (devo ringraziare arder che con le sue saggie parole l'ha postata in una discussione sul forum):

Questi valori si possonotrovare in qualunque datasheet del vostro mos (questo vale anche per gli IGBT).

Questa è una parte di tabella interessata per i parametri, fornita dal datasheet del noto IRF540N.  Alla prima riga trovate il dato "Total gate charge" un nostro interessato, 3 righe sotto iniziano gli altri 4 dati interessanti, ovvero "turn-on e tun-off delay time", "rise time" ed in ultimo "fall time".

Un breve riassunto

La seguente immagine mostra la disposizione dei pin in un integrato TL494 in formato DIL (dual in line) ma vale la stessa cosa per quelli a montaggio superficiale:

• Pin 1 = Ingresso non invertente comparatore 1
• Pin 2 = ingresso invertente comparatore 1
• Pin 3 = Pin di feedback, corrispondente all'uscita dei comparatori, attenzione a non porre mai questo pin ad un potenziale superiore a 5V, c'è il rischio di danneggiare l'integrato
• Pin 4 = DTC (dead-time control) ovvero l pin che si occupa del controllo del massimo duty-cycle che l'integrato ammette in uscita
• Pin 5 = Ct ovvero dove va collegato il condensatore che determina la frequenza di lavoro
• Pin 6 = Rt ovvero dove va collegata la resistenza che determina la frequenza di lavoro
• Pin 7 = GND, il pin più semplice, va posto a potenziale di massa
• Pin 8 = C1, ovvero il collettore del primo transistor d'uscita
• Pin 9 = E1, ovvero l'emettirore del transistor citato appen sopra
• Pin 10 = E2, l'emettitore del secondo transistor
• Pin 11 = C2, colletore del transistor n°2
• Pin 12 = Vcc, ol'alimentazione dell'integrato, la tensione in ingresso può variare tra i 7 e 40v pena il mal funzionamento/distruzione dell'integrato
• Pin 13 = OC, output conrol, stracitato nel paragrafo precedente
• Pin 14 = Vref, uscita della tensione stablile di 5V 10mA (+/- 5%) (per l'aumento della corente di uscita vi rimando ai rispettivi datasheet e application note)
• Pin 15 = ingresso invertente comparatore 2
• Pin 16 = ingresso non invertente comparatore 2

Sitografia, curiosità, spunti per realizzazioni di apparecchi con TL494

Se vi spiegassi tutto ciò che c'è da sapere e tutti i "trucchi" sull'utilizzo di sto integrato non ci sarebbe più gusto nel costruire, quindi voglio darvi una serie di spunti per la realizzazione di progetti e apparati.

Schemi vari da realizzare:

http://images/L-integrato-TL494/plasma-arc-speaker.png (un plasma speaker che non ho mai realizzato, da provare)

http://images/L-integrato-TL494/hall effect levitator2.GIF (un levitatore magnetico)

Datasheet da cui ho preso spunto: 

http://images/L-integrato-TL494/tl494.pdf (datasheet della TI relativo a questo integrato)

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/TL494.pdf (datasheet motorola)

Come realizzare un'alimentatore a commutazione?

http://www.grix.it/viewer.php?page=10470 (un tutorial secondo me redatto in modo ottimo, scritto dal nostro amilcare)

http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic1287723-0.html (se riuscite a capire qualcosa è buono XD)

http://images/L-integrato-TL494/alim_SMPS.pdf (un articolo redatto da ragazzi dell'itis di novara)

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html#Edw (ottimo calcolatore per i componenti di qualunque alimentatore switching)

http://images/L-integrato-TL494/slva001e.pdf (una guida in inglese redatta molto bene, con un'esempio di progettazione di un convertitore buck)

Mi manca solo una cosa da aggiungere: 

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