Д.т.н., професор Лукашенко В. М., к.т.н. Лукашенко А. Г.,
Богун О. А., Дерев’янко І. С., Залізняк В. Л.,

Шумейко М. М., Чичужко В. О.

Черкаський державний технологічний університет, Україна

ПРОЦЕДУРА ВИЗНАЧЕННЯ МОДЕЛІ ШІМ-КОНТРОЛЕРУ З НАЙКРАЩИМИ БАГАТЬМА ПАРАМЕТРАМИ

Контролери з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) сприяють керуванню електричної потужності, шляхом зміни тривалості імпульсу, при цьому частота слідування імпульсів постійна. ШІМ дозволяє регулювати яскравість підсвічування рідкокристалічних дисплеїв стільникових телефонів, смартфонів, ноутбуків. ШІМ реалізована в зварювальних апаратах, в автомобільних інверторах та ін. [1-6]. ШІМ дозволяє підвищити ККД електричних перетворювачів вторинних джерел живлення різноманітних електронних апаратів. Приклад узагальненої моделі імпульсного джерела живлення (ІДЖ), що використовує ШІМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Узагальнена модель імпульсного джерела живлення

Відомо [1, 4], що існує багато типів сучасних ІС ШІМ, кожен з яких має багато параметрів, тому визначення найкращої моделі одночасно з якісними параметрами без математичного виразу потребує тривалого часу.

Усунення цього недоліку є актуальною задачею.

Шляхом дослідження встановлено, що використання компонентів пристрою з найкращими параметрами приводить до підвищення ефективності ІДЖ.

Метою дослідження є підвищити ефективності імпульсного джерела живлення за рахунок процедури визначення ШІМ-контролеру з найкращими багатьма параметрами з відповідної множини, що задана.

Для виконання поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· запропонувати реляційну модель ШІМ-контролерів з багатьма визначеними технічними параметрами;

· визначити метод моделювання для дослідження при відсутності математичного опису залежностей між визначеними технічними параметрами.

Аналіз існуючих методів показав, що дослідження доцільно проводити з використанням властивостей фізичного моделювання, теорії умовного моделювання, теорії розмірностей. Сукупність властивостей цих теорій дозволяє створювати умовні критерії якості при відсутності математичного опису залежностей технічних параметрів.

Приклад реляційної схеми дослідження існуючих ІС ШІМ-контролерів приведено в табл. 1, у якій доменами визначено чотири типи інтегральних схем з основними технічними параметрами, які найбільше впливають на якісну характеристику імпульсного джерела живлення.

Таблиця 1

Визначений перелік основних технічних параметрів сучасних ІС ШІМ

№	Тип ІС ШІМ	Діапазон температури Q,К	Частота f, кГц	Полоса частот Df, кГц	I, mA	U, В	Потужність розсіювання Pp, mВт	Потужність споживання Pп, mВт	Умовні критерії
1	ТL494i(M)	233… 358	200	800	9	40	282	360	4	0,78	0,39
2	ТL494sN(M)	253… 358	100	350	7	40	282	280	3,5	1,00	0,29
3	КА7500В	273…343	150	650	6	15	347	90	4,3	3,85	0,25
4	МВ3759	253… 358	170	800	7	7	282	49	4,7	5,75	0,29

Примітка: P_P – потужність розсіювання, що дорівнює P_P =(150-Т)/0,23 mBт;

Т – температура, ⁰ С.

P_п – потужність споживання, що дорівнює P_п = І× U.

Використовуючи атрибутику за параметрами табл.1 узагальнена математична модель має наступний вигляд

F(P_P, U, I, Df, f, Q_мах,Q_мін) = 0, (1)

З аналізу математичної моделі (1) видна відсутність аналітичного виразу між усіма параметрами. Тому дослідження фізичних моделей ШІМ (табл.1) пропонується проводити на базі теорій фізичного та умовного моделювання.

Для цього розробляються умовні критерії на основі евристичного методу. Фізичне тлумачення цих критеріїв наводяться нижче:

– величина, що характеризує діапазон частоти;

– величина, що характеризує енергетичний резерв;

– величина, що характеризує диапазон температур.

На підставі умовних критеріїв створюється критеріальне рівняння

Y= {[P_P/U I; Df/f]; [(Q_мах-Q_мін)/ Q_мах)]}

Результати розрахунків визначених умовних критеріїв приведені в табл.1.

Використовуючи властивості p-теореми, будується знакова модель залежностей між критеріями , у двох квадрантах (рис. 2), відповідні координати яких являються безрозмірними і мають наступні описи:

[(Q_мах-Q_мін)/ Q_мах]; [Df/f] – для першого квадранта;

(P_P/U I); (Df/f;) – для другого квадранта.

Запропонована знакова модель залежностей між критеріями ,

за параметрами P_P, U, I, Df, f, Q_мах,Q_мін для чотирьох ІС ШІМ. Це дозволяє провести порівняльний аналіз між ними одночасно та визначити найкращу фізичну модель за сукупністю кращих значень критеріїв.

Рис. 2. Двохквадрантна знакова модель залежностей

між багатьма критеріями для визначених ІС ШІМ

Примітка: цифри 1, 2, 3, 4 відповідають типу ІС ШІМ, що наведені в табл. 1.

Аналіз знакової моделі (рис. 2) показав, що за сукупністю значень критеріїв найкращою фізичною моделлю є ІС ШІМ за номером № 4 (МВ3759). Найгіршою – за сукупністю критеріїв, ІС ШІМ за номером № 2, тобто ТL494sN(M).

Висновки:

У роботі розв’язана науково-практична задача по підвищенню ефективності імпульсного джерела живлення за рахунок процедури визначення ШІМ-контролеру за найкращими багатьма параметрами із відповідної множини, що задана. У результаті виконання досліджень отримано наступні практичні результати:

· визначений перелік основних технічних параметрів сучасних ІС ШІМ;

· побудована знакова модель залежностей між розробленими умовними критеріями , за параметрами P_P, U, I, Df, f, Q_мах, Q_мін у двох квадрантах;

· визначено, що за сукупністю значень критеріїв найкращою фізичною моделлю є ІС ШІМ МВ3759 за номером № 4.

Література:

1. Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению / Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. – 272 с.

2. Пат. 109328 C2 Україна, МПК (2014.01) B 23K 26/21. Спосіб лазерного зварювання з широтно-імпульсною модуляцією випромінювання / В. Д. Шелягін, А. Г. Лукашенко, Д. А. Лукашенко, В. А. Лукашенко, В. Ю. Хаскін; заявник та власник ІЕЗ ім. Є. О. Патона. - № a 2013 14855; заявл. 18.12.2013; опубл. 10.08.2015, Бюл. № 15.

3. Method for determining the best manufacturer of single-board computers / S. F. Aksyonov, А. G. Lukashenko, А. V. Havrysh, D. А. Lukashenko, V. А. Lukashenko, V. М. Lukashenko Mitsenko // Nauka i studia. – Przemysl, 2016. – № 35 (103). – P. 1–5.