UC3845
ПРИНЦИП РАБОТЫ

    Откровенно говоря, одолеть UC3845 с первого раза не удалось — злую шутку сыграла самоуверенность. Однако умудренный опытом я решил разобраться окончательно — не такая уж и большая микросхема — всего 8 ног. Особую благодарность хочу выразить своим подписчикам, не оставшимся в стороне и давшим кое какие пояснения, даже на почту довольно потробную статью прислали и кусок модели в Микрокап. БОЛЬШОЕ СПАСИБО.
   Воспользовавшись ссылками, присланными материалами я посидел вечерок-другой и в общем то все пазлы сошлись друг с другом, хотя некоторые ячейки и оказались пустыми. Но обо всем по порядку…
    Собрать аналог UC3845 на логических элементах в Микрокап 8 и 9 не получилось — логические элементы строго привязаны в пятивольтовому питанию, да и с самоосциляцией у этих симуляторов хронические трудности. Те же результаты показал и Микрокап 11:

   Оставался один вариант — Мультисим. Версия 12 нашлась даже с русификатором. Я ОЧЕНЬ давно не пользовался Мультисимом, поэтому пришлось повозиться. Первое, что обрадовало — в Мультисиме отдельная библиотека для логики пятивольтовой и отдельная библиотека для пятнадцативольтовой логики. В общем с горем пополам получился более-менее работоспособный вариант, подающий признаки жизни, но точно так, как ведет себя реальная микросхема он работать не захотел, сколько я его не уговаривал. Во первых модели не измеряют уровень отностиельно реального нуля, поэтому пришлось бы вводить дополнительный источник отрицательного напряжения смещения. Но в этом случае пришлось бы довольно подробно объяснят, что это и для чего, а хотелось максимального приближения к реальной микросхеме.

   Порывшись в итнернете нашел уже готовую схему, но для Мультисима 13. Качнул вариант 14, открыл модель и она даже работала, но радость была не долгой. Не смотря наличие в самих библиотеках и двенадцатого и четырнадцатого Мультисима самой микросхемы UC3845 и ее аналогов довольно быстро выяснилось, что модель микросхемы не позволяет отработать ВСЕ варианты включения данной микросхемы. В частности ограничение тока и регулировка выходного напряжения работают вполне уверенно (правда частенько вываливается из симуляции), а вот использование подачи на выход усилителя ошибки земли микросхема отказалась воспринимать.

   В общем воз хоть и сдвинулся с места, но проехал не далеко. Оставался один вариант — распечатка даташника на UC3845 и плата с обвязкой. Чтобы не изагляться с имитацией нагрузки и имитацией ограничения тока решил построить микробустер и на нем уже проверить что в реальности происходит с микросхемой при том или ином варианте включения и использования.
   Для начала небольшая пояснялка:
    Микросхема UC3845 действительно заслуживает внимания проектировщиков блоков питания различной мощности и назначения, она имеет ряд почти аналогов. Почти потому что при замене микросхемы в плате ни чего изменять больше не нужно, однако изменение температуры окружающей среды могут повлечь проблемы. Да и некоторые подварианты не могут вообще использоваться для прямой замены.

   Исходя из приведенной таблицы понятно, что UC3845 далеко не лучший вариант этой микросхемы, поскольку нижний предел по температуре у нее ограничен нулем градусов. Причина довольна проста — не каждый хранит сварочный аппарат в отапливаемом помещении и возможна ситуация, когда нужно что то подварить в межсезонье, а сварочник или не включается или банально взрывается. нет, не в клочья, даже куски силовых транзисторов врядли вылетят, но в любом сварки не будет, да еще и ремонт сварочнику нужен. Проскочив по Али я пришел к выводу, что проблема вполне решаема. Конечно же UC3845 популярней и их в продаже больше, но и UC2845 тоже есть в продаже:

АЛИ ПОИСК UC2845                 АЛИ ПОИСК UC3845

   UC2845 конечно несколько дороже, но в любом случае она дешевле ОДНОГО силового транзистора, так что лично я заказал десяток UC2845 не смотря на то, что еще в наличии имеется 8 штук UC3845. Ну а Вы уж как пожелаете.
    Теперь можно и о самой микросхеме поговорить, точнее о принципе ее работы. На рисунке ниже приведена структурная схема UC3845, т.е. с имеющимся внутри триггером, не позволяющим длительности управляющего импульса быть больше 50% от периода:

   Кстати, если нажать на рисунок, то он откроется в новой вкладке. Не совсем удобно скакать между вкладками, но в любом случае это удобней, чем крутить туда сюда колесико мыши, возвращаясь к ушедшему на верх рисунку.
   В микросхеме предусмотрен двойной контроль напряжения питания. COMP1 следит за напряжением питания как таковым и если оно меньше установленного значения он дает команду, приводящую внутренний пятивольтовый стабилизатор в выключенное состояние. Если напряжение питания превышает порог включения внутренний стабилизатор разблокируется и микросхема стартует. Вторым надзирающим за питанием элементом является элемент DD1, которые в случаях отличия опорного напряжения от нормы выдает логический ноль на своем выходе. Этот ноль попадает на инвертор DD3 и преобразовавшись в логическую единицу попадает на логическое ИЛИ DD4. Практически на всех блок схемах данный просто имеет инверсный вход, я же вывел инвертор за пределы этого логического элемента — так проще понять принцип работы.
   Логический элемент ИЛИ работает по принципу определения наличия логической единицы на любом из своих входов. Именно поэтому он и называется ИЛИ — если на входе 1, ИЛИ на входе 2, ИЛИ на входе 3, ИЛИ на входе 4 логическая единица, то на выходе элемента будет логическая единица.
   При появлении логической единицы на первом входе этого сумматора всех управляющих сигналов на его прямом выходе появится логическая единица, а на инверсном — логический ноль. Соответственно верхний танзистор драйвера будет закрыт, а нижний откроется, тем самым закрывая силовой транзистор.
   В этом состоянии микросхема будет находится до тех пор, пока анализатор опорного питания не даст разрешения на работу и на его выходе не появится логической единицы, которая после инвертора DD3 не разблокирует выходной элемент DD4.
   Допустим питание у нас нормальное и микросхема начинает работать. Задающий генератор начинает генерировать управляющие импульсы. Частота этих импульсов зависит от номиналов частотозадающих резистора и конденсатора. Вот тут есть небольшой разнобой. Разница вроде не большая, но тем не менее она есть и появляется вероятность получить не совсем то, что хотелось, а именно сильногреющийся аппарат, кодга более «быстрая»микросхема одного производителя будет заменена на более медленную. Самая красивая картинка зависимости частоты от сопротивления резистора и емкости конденсатора у Texas Instruments:

    У остальных производителей дела чуточки по другому:

Зависимость частоты от номиналов RC у микросхемы от Fairchild

Зависимость частоты от номиналов RC у микросхемы от STMicroelectronics

Зависимость частоты от номиналов RC у микросхемы от UNISONIC TECHNOLOGIES CO

   С тактового генератора получаются довольно короткие импульсы в виде логической единицы. Эти импульсы разбигаются на три блока:
      1. Все тот же финальный сумматор DD4
      2. D-триггер DD2
      3. RS-триггер на DD5
   Триггер DD2 имеется только в микросхемах подсерии 44 и 45. Именно он не дает длительности управляющего импульса стать длинее 50% от периода, поскольку он с каждым приходящим фронтом логической единицы с тактового генератора меняет свое состояние на противоположное. Этим он делит частоту на два, формируя одинаковые по длительности нули и единицы.
   Происходит это довольно примитивным образом — с каждым приходящим фронтом на тактовый вход С триггер записывает в себя информацию, находящуюся на информационном входе D, а вход D соединен с инверсным выходом микросхемы. За счет внутренней задержки и происходит запись проинвертированной информации. Например на инвертируюющем выходе находится уровень логического нуля. С приходом фронта импульса на вход С триггер успевает записать этот ноль, до того как ноль появится на его прямом выходе. Ну а если ня прямом выходе у нас ноль, то на инверсном будет логическая единица. С приходом следующего фронта тактового импульса триггер уже записывает в себя логическую единицу, которая появится на выходе через какие то наносекунды. Запись логической единицы приводит к появлению логического нуля на инверсном выходе триггера и процесс начнет повторяться со следующего фронта тактового импульса.

   Именно по этой причине у микросхем UC3844 и UC3845 выходная частота в 2 раза меньше, чем у UC3842 и UC3843 — ее делит триггер.
   Попадая на вход установки единицы RS триггера DD5 первый же импуль переводит триггер в состояние, когда на его прямом выходе логическая единица, а на инверсном — ноль. И пока на входе R не появится единица триггер DD5 будет находится в этом состоянии.
   Допустим у нас нет ни каких управляющих сигналов извне, тогда на выходе усилителя ошибки OP1 появится напряжение близкое к опорному напряжению — обратной связи нет, инвертирующий вход в воздухе, а на не инвертирующий подано опорное напряжение, равное 2,5 вольта.
   Тут сразу оговорюсь — лично меня несколько смутил этот усилитель ошибки, но более внимательно изучив даташит и благодаря тыканьем носом подписчиков выяснилось, что выход у этого усилителя не совсем традиционный. В выходном каскаде OP1 всего один транзистор, соединяющий выход с общим проводом. Положительное напряжение формируется генератором тока, когда этот транзистор приоткрыт или закрыт полностью.
   С выхода OP1 напряжение проходит своеобразный ограничитель и делитель напряжения 2R-R. Кроме этого эта же шина имеет ограничение по напряжению в 1 вольт, так что при любых условиях на инвертирующий вход OP2 больше одного вольта не попадает ни при каких условиях.
   OP2 — по сути компаратор, сравнивающий напряжения на своих входах, но компаратор тоже хитроделанный — обычный операционный усилитель не может сравнивать столь низкие напряжения — от фактического нуля до одного вольта. Обычному ОУ нужно либо большее напряжение на входе, либо отрицательное плечо напряжения питания, т.е. двуполярное напряжение. Этот же компаратор довольно легко справляется с анализом этих напряжений, не исключено, что внутри какие то смещающие элементы, но до принципиальной схемы нам как бы особого дела нет.
   В общем OP2 сравнивает напряжение приходящее с выхода усилителя ошибки, точнее те остатки напряжения, которые получаются после прохождения делителя с напряжением на третьем выводе микросхемы (корпус DIP-8 имеется ввиду).
   Но в данный момент времени на третьем выводе у нас вообще ни чего нет, а на инвертирующий вход подано положительное напряжение. Естественно компаратор его проинвертирует и на своем выходе образует четкий логический ноль, что на состоянии RS-триггера DD5 ни как не отразится.
   По итогам происходящего мы имеет на первом сверху вход DD4 логический ноль, поскольку питание у нас в норме, на втором входе у нас короткие импульсы с тактового генератора, на третьем входе у нас импульсы с D-триггера DD2, у которых одинаковая длительность нуля и единицы. На и на четвертом входе у нас логический ноль с RS-триггера DD5. В результате на выхоже логического элемента будут полностью повторяться импульсы, которые формирует D-триггер DD2. Следовательно как только на на прямом выходе DD4 будет появляться логическая единица будет открываться транзистор VT2. На инверсном выходе в это же время будет находится логический ноль и транзистор VT1 будет закрыт. Как только на выходе DD4 появится логический ноль VT2 закрывается, а инверсный выход DD4 откроет VT1, что и послужит поводом для открытия силового транзистора.
   Ток, который выдерживают VT1 и VT2 равен одному амперу, следовательно данная микросхема с успехом может управлять сравнительно мощными MOSFET транзисторами без дополнительных драйверов.
   Для того, чтобы понять как именно происходит регулировка происходящих в блоке питания процессов был собран самый простой бустер, поскольку он требует наименьшего количества моточных деталей. Было взято первое попавшееся под руки ЗЕЛЕНОЕ кольцо и на нем намотано 30 витков. Количество не вычислялось вообще, просто был намотан один слой обмотки и не более того. За потребление я не переживал — микросхема работает в широком диапазоне частот и если начинать с частот под 100 кГц, то этого уже будет вполне достаточно, чтобы не дать сердечнику войти в насыщение.

    Все внешние элементы имеют приписку out, означающую, что это СНАРУЖИ микросхемы деталюшки.
   Сразу распишу что на этой схеме и для чего.
   VT1 — база по сути в воздухе, на плате запаяны торчки для одевания джамперов, т.е. база соединяется либо с землей, либо с пилой, вырабатываемой самой микросхемой. На плате нет резистора Rout 9 — я чет пропустил его необходимость.
   Оптрон Uout 1 задействует усилитель ошибки OP1 для регулировки выходного напряжения, степень влияние регулируется резистором Rout 2. Оптрон Uout 2 контролирует выходное напряжения минуя усилитель ошибки, степень влияния регулируется резистором Rout 4. Rout 14 — токоизмерительный резистор, специально взят на 2 Ома, чтобы не ушатать силовой транзистор. Rout 13 — регулировка порога сработки ограничения по току. Ну и Rout 8 — регулировка тактовой частоты самого контроллера.

   Силовой транзистор это что то выпаянное из ремонтируемого когда то автомобильного преобразователя — полыхнуло одно плечо, менял все транзисторы (почему ВСЕ ответ ТУТ), а это так сказать сдача. Так что я не знаю что это — надпись сильно потертая, в общем это что то ампер на 40-50.
   Rout 15 типа нагрузка — 2 Вт на 150 Ом, но 2 Вт маловато оказалось. Нужно или сопротивление увеличить, либо мощность резистора — вонять начинает, если поработает минут 5-10.
   VDout 1 — для исключения влияния основного питания на работу контроллера (HER104 кажется по руки попался), VDout 2 — HER308, ну это чтоб не сразу бахнуло, если что пойдет не так.
   Необходимость резистора R9я понял, когда плата уже была запаяна. В принципе этот резистор нужно будет еще подобрать, но это уже чисто по желанию, кому ОЧЕНЬ хочется избавится от релейного способа стабилизации на холостом ходу. Об этому чуть позже, а пока влепил этот резистор со стороны дорожек:

   Первое включение — движки ВСЕХ подстрочников соединены должны быть с землей, т.е не оказывают влияния на схему. Движок Rout 8 установлен так, чтобы сопротивление этого резистора составляло 2-3 кОм, поскольку конденсатор на 2,2 нФ, то частота должна получится порядка 300 с хвостиком кГц, следовательно на выходе UC3845 мы получим где то около 150 кГц.

   Теперь увеличиваем напряжение на светодиоде оптрона Uout 1 для того, чтобы проконтролировать изменение режимов стабилизации. Тут следует напомнить, что движок резистора Rout 13 находится в нижнем по схеме положении. На базу VT1 так же подан общий провод, т.е. на на выводе 3 абсолютно ни чего не происходит и компаратор OP2 не реагирует на не инвертирующий вход.
    Постепенно увеличивая напряжение на светодиоде оптрона становится очевидно, что начинают просто пропадать управляющие импульсы. Изменив развертку это становится наиболее наглядно. Происходит это из за того OP2 следит только на происходящим на его инвертирующем входе и как только выходное напряжение OP1 снижается ниже порогового значения OP2 на своем выходе формирует логическую единицу, которая переводит триггер DD5 в установку нуля. Естественно, но на инверсном выходе триггера появляется логическая единица, которая и блокирует финальный сумматор DD4. Таким образом микросхема полностью останавливается.

    Но бустер нагружен, следовательно выходное напряжение начинает уменьшаться, светодиод Uout 1 начинает уменьшать яркость, транзистор Uout 1 призакрывается и OP1 начинает увеличивать свое выходное напряжение и как только оно минует порог срабатывания OP2 микросхема снова запускается.
Таким образом происходит стабилизация выходного напряжения в релейном режиме, т.е. микросхема формирует управляющие импульсы пачками.
    Подавая напряжение на светодиод оптрона Uout 2 происходит приоткрытие транзистора этого оптрона, влекущее за собой уменьшение напряжения, подаваемого на компаратор OP2, т.е. процессы регулировки повторяются, но OP1 в них участия уже не принимает, т.е. схема имеет меньшую чувствительность к изменению выходного напряжения. Благодоря этому управляющие пакеты импульсов имеют более стабильную длительность и картинка кажется более приятной (даже осциллограф засинхронизировался):

    Снимаем напряжение со светодиода Uout 2 и на всякий случай проверям наличие пилы на верхнем выводе R15 (желтый луч):

   Амплитуда чуть больше вольта и этой амплитуды может не хватить, ведь на схеме имеются делители напряжения. На всякий случай выкручиваем движок подстроечного резистора R13 в верхнее положение и контролируем, что у нас происходит на третьем выводе микросхемы. В принципе надежды полностью оправдались — амплитуды не хватает для начала ограничения тока (желтый лучик):

   Ну раз не хватает тока через дроссель, то значит либо много витков, либо большая частота. Перематывать слишком лениво, ведь для регулировки частоты на плате предусмотрен подстроечный резистор Rout8. Вращаем его регулятор до получения необходимой амплитуды напряжения на выводе 3 контроллера.
   По идее как только порог будет достигнут, т.е как только амплитуда напряжения на выводе 3 станет не много больше одного вольта, начнется ограничение длительности управляющего импульса, поскольку контроллер уже начинает думать, что ток слишком велик и он будет закрывать силовой транзистор.
    Собственно это и начинает происходить на частоте порядка 47 кГц и дальнейшее уменьшения частоты практически ни как не влияло на длительность управляющего импульса.

    Отличительной чертой UC3845 является то, что протекающий через силовой транзистор он контролирует практически на каждом такте работы, а не среднее значение, как например это делает TL494 и если блок питания спроектирован правильно, то ушатать силовой транзистор не получится ни когда…
   Теперь поднимаем частоту до тех пор, пока ограничение тока перестанет вносить свое влияние, впрочем сделаем запас — ставим ровно 100 кГц. Синий лучик у нас по прежнему показывает управляющие импульсы, а вот желтый ставим на светодиод оптрона Uout 1 и начинаем вращать регулятор подстроечного резистора. Некоторое время осциллограмма выглядит так же, как при первом опыте, однако появляется и отличие пройдя порог регулирования длительность импульсов начинает уменьшаться, т.е происходит реальная регулировка посредством широтно-импульсной модуляции. И это как раз один из финтов данной микросхемы — в качестве опорной пилы для сравнения она использует пилу, которая формируется на токоограничивающем резисторе R14 и таким образом создает стабилизированное напряжение на выходе:

   Тоже самое происходит и при увеличении напряжения на отпроне Uout 2, правда в мое варианте не получилось получить такие же короткие импульсы, как в первый раз — не хватило яркости светодиода оптрона, а уменьшать резистор Rout 3 я поленился.
   В любом случае стабилизация ШИМ происходит и вполне устойчиво, но только при наличии нагрузки, т.е. появление пилы, даже не большого значения, на выводе 3 контроллера. Без этой пилы стабилизация будет осуществляться в релейном режиме.
   Теперь переключаем базу транзистора на вывод 4, тем самым принудительно подавая пилу на вывод 3. Тут не большая спотыкачка — для этого финта придется подобрать резистор Rout 9, поскольку амплитуда пыли и уровень постоянной составляющей у меня получился несколько великоват.

   Однако сейчас больше интересен сам принцип работы, поэтому проверяем его, опустив движок подстроечника Rout 13 на землю начинаем вращать Rout 1.
   Изменения в длительности управляющего импульса имеются, но они не такие значимые, как хотелось бы — сильно сказывается большая постоянная составляющая. При желании использовать такой вариант включения нужно более тщательно продумать как его правильней организовать. Ну а картинка на осциллографе получилась следующая:

   При дальнейшем увеличении напряжения на светодиоде оптрона происходит срыв на релейный режим работы.
   Теперь можно проверить нагрузочную способность бустера. Для этого вводим ограничение по напряжение на выходе, т.е. подаем не большое напряжение на светодиод Uout 1 и уменьшаем рабочую частоту. На социлограмме отчетливо видно, что желтый лучик не доходит до уровня одного вольта, т.е. ограничения по току нет. Ограничение дает только регулировка выходного напряжения.
   Параллельно нагрузочному резистору Rour 15 устанавливаем еще один резистор на 100 Ом и на осциллограмме отчетливо видно увеличение длительности управляющего импульса, что ведет к увеличению времени накопления энергии в дросселе и с последующей отдачей ее в нагрузку:

   Так же не трудно заметить, что увеличивая нагрузку увеличивается и амплитуда напряжения на выводе 3, поскольку возрастает протекающий через силовой транзистор ток.
   Осталось посмотреть, что происходит на стоке в режиме стабилизации и при ее полном отсутствии. Становимся синим лучем на сток транзистора и убираем напряжение обратной связи со светодиода. Осциллограмма сильно не устойчивая, поскольку осциллограф не может определить по какому фронту ему синхронизироваться — после импульса довольно приличная «болтака» самоиндукции. В итоге получается следующая картинка.

   Напряжение на нагрузочном резисторе тоже изменяется, но я не буду делать ГИФку — страница и так получилась довольно «тяжелой» по трафику, поэтому со всей ответственность заявляю — напряжение на нагрузке равно напряжению максимального значения на картинке выше минус 0,5 вольта.

ПОДВОДИМ ИТОГИ

   UC3845 универсальный самотактируемый драйвер для однотактных преобразователей напряжения, может работать как в обратноходовых, так и в прямоходовых преобразователях.
    Может работать в релейном режиме, может работать в режиме полноценного ШИМ стабилизатора напряжения с ограничением по току. Именно ограничением, поскольку во время перегрузки микросхема переходит в режим стабилизации тока, значение которого определяется разработчик схемы. На всякий случай небольшая табличка зависимости максимального тока от номинала токоограничевающего резистора:

   Для полноценной ШИМ стабилизации напряжения микросхеме необходима нагрузка, поскольку она использует пилообразное напряжение для сравнения с контролируемым напряжением.
   Стабилизация напряжения может быть организована тремя способами, но один из них требует дополнительного транзистора и несколько резисторов, а это вступает в противоречие с формулой МЕНЬШЕ ДЕТАЛЕЙ — БОЛЬШЕ НАДЕЖНОСТЬ, поэтому базовыми можно считать два способа:
      С использованием интегрированного усилителя ошибки. В этом случае транзистор оптрона обратной связи соединяется коллектором на опорное напряжение 5 вольт (вывод 8), а эмиттер подает напряжение на инвертирующий вход этого усилителя через резистор ОС. Этот способ рекомендуется более опытным проектировщикам, поскольку при большом коф усиления усилителя ошибки он может возбудится.
      Без использования интегрированного усилителя ошибки. В этом случае коллектор регулирующего оптрона подключается непосредственно к выходу усилителя ошибки (вывод 1), а эмиттер соединяется с общим проводом. Ввход усилителя ошибки так же соединяется с общим проводом.
   Принцип работы ШИМ основан на контроле среднего значения выходного напряжения и максимального значения тока. Другими словами, если у нас уменьшается нагрузка, выходное напряжение увеличивается, а амплитуда пилы на токоизмерительном резисторе падает и длительность импульса уменьшается до восстановления утраченного баланса между напряжением и током. При увеличении нагрузки контролируемое напряжение уменьшается, а ток увеличивается, что приводит к увеличению длительности управляющих импульсов.
   

   На микросхеме довольно легко организовать стабилизатор тока, причем контроль протекающего тока контролируется на каждом такте, что полностью исключает перегрузку силового каскада при правильном выборе силового транзистора и токоограничивающего, точнее измерительного резистора, устанавливаемого на исток полевого транзистора. Именно этот факт сделал UC3845 наиболее популярной при проектировании бытовых сварочных аппаратов.
   UC3845 имеет довольно серьезные «грабли» — изготовитель не рекомендует использовать микросхему при температурах ниже нуля, поэтому при изготовлении сварочных аппаратов будет логичней использование UC2845 или UC1845, но последние находятся в некотором дефиците. UC2845 несколько дороже, чем UC3845, не так катастрофически, как это обозначили отечественные продавцы (цены в рублях на 1-е марта 2017).

   Частота у микросхем ХХ44 и ХХ45 в 2 раза меньше тактовой частоты, а коф заполнение не может превышать 50%, то для преобразователей с трансформатором наиболее благоприятно. А вот микросхемы ХХ42 и ХХ43 наилучшим образом подходят для ШИМ стабилизаторов, поскольку длительность управляющего импульса может достигать 100%.

      Теперь, поняв принцип работы данного ШИМ контроллера можно вернуться и к проектированию сварочного аппарата на его основе…

ПРОДОЛЖЕНИЕ