用TL494實(shí)現(xiàn)單回路控制器

TL494是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開關(guān)電源中。本文介紹它與相應(yīng)的輸入、輸出電路等一起構(gòu)成一個(gè)單回路控制器。

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?jī)蓚€(gè)末級(jí)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(jiǎn)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(jiǎn)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。

用TL494實(shí)現(xiàn)的單回路控制器的電路原理圖如圖3所示。

2.1 輸入電路

兩個(gè)運(yùn)算放大器IC1A、IC1B都接成有源簡(jiǎn)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(duì)稱的形式。將有源簡(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)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(duì)穩(wěn)定。在有源簡(jiǎn)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(jí)。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(jí)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(cè)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(cè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)5V基準(zhǔn)源分壓來模擬，并且測(cè)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)的條件下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)組1

表2 開環(huán)的條件下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)組2

表3 開環(huán)的條件下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)組3

對(duì)實(shí)際的回路控制器電路測(cè)量了多組數(shù)據(jù)，限于篇幅僅更出以上三級(jí)數(shù)據(jù)。從測(cè)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。也就是說，該控制器的控制靈敏度和控制精度都很高。

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，證明了以上的分析。該控制器的控制靈敏度和控制精度都很高，可完全取代 一些成本高、電路復(fù)雜的單回路控制器。

綜上所述，用TL494為主要元件實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)單回路控制器具有構(gòu)思新穎、電路簡(jiǎn)單、成本低廉以及控制過程穩(wěn)定等特點(diǎn)，在很多工業(yè)控制場(chǎng)合可獲得廣泛的應(yīng)用。