Схема шим: Мощный ШИМ регулятор своими руками

Мощный шим регулятор своими руками

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значить имеет два состояния — открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева.

Предлагаю простую схему ШИМ регулятора. Питается устройство от источника постоянного напряжения 12В. При указанном экземпляре транзистора, выдерживает ток до 10А.

Рассмотрим работу устройства: На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов. Частота следования импульсов около 7кГц. С коллектора транзистора VT2 импульсы поступают на ключевой транзистор VT3, который управляет нагрузкой. Скважность регулируется переменным резистором R4. При крайнем левом положении движка этого резистора, см. верхнюю диаграмму, импульсы на выходе устройства узкие, что свидетельствует о минимальной выходной мощности регулятора. При крайнем правом положении, см. нижнюю диаграмму, импульсы широкие, регулятор работает на полную мощность.

Диаграмма работы ШИМ в КТ1

С помощью данного регулятора можно управлять бытовыми лампами накаливания на 12 В, двигателем постоянного тока с изолированным корпусом. В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединён с корпусом, подключение следует выполнять через p-n-p транзистор, как показано на рисунке.
Детали: В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 заменим на КТ825, при этом нагрузку можно подключать на ток до 20А!

Варианты включения ШИМ регулятора

И в заключении следует сказать, что данный регулятор работает в моей машине с двигателем обогрева салона уже более двух лет.

Регулировка оборотов электродвигателей в современной электронной технике достигается не изменением питающего напряжения, как это делалось раньше, а подачей на электромотор импульсов тока, разной длительности. Для этих целей и служат, ставшие в последнее время очень популярными — ШИМ (широтно-импульсно модулируемые) регуляторы. Схема универсальная — она же и регулятор оборотов мотора, и яркости ламп, и силы тока в зарядном устройстве.

Схема ШИМ регулятора

Указанная схема отлично работает, печатная плата прилагается.

Без переделки схемы напряжение можно поднимать до 16 вольт. Транзистор ставить в зависимости от мощности нагрузки.

Можно собрать ШИМ регулятор и по такой электрической схеме, с обычным биполярным транзистором:

А при необходимости, вместо составного транзистора КТ827 поставить полевой IRFZ44N, с резистором R1 — 47к. Полевик без радиатора, при нагрузке до 7 ампер, не греется.

Работа ШИМ регулятора

Таймер на микросхеме NE555 следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR. Как только оно достигнет максимума — открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS на землю. При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю — система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт. Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.

Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R2->верхнее плечо R1 ->D2«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS. Когда вращаем переменный резистор R1, у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе. Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1. Меняя отношение сопротивлений заряда/разряда — меняем скважность. Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.

Рекомендации по сборке и настройке

Диоды можно ставить любые, конденсаторы примерно такого номинала, как на схеме. Отклонения в пределах одного порядка не влияют существенно на работу устройства. На 4.7 нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно.

Если после сборки схемы греется ключевой управляющий транзистор, то скорее всего он полностью не открывается. То есть на транзисторе большое падение напряжения (он частично открыт) и через него течет ток. В результате рассеивается большая мощность, на нагрев. Желательно схему параллелить по выходу конденсаторами большой емкости, иначе будет петь и плохо регулировать. Чтобы не свистел — подбирайте С1, свист часто идет от него. В общем область применения очень широкая, особенно перспективным будет её использование в качестве регулятора яркости мощных светодиодных ламп, LED лент и прожекторов, но про это в следующий раз. Статья написана при поддержке ear, ur5rnp, stalker68.

PWM регулятор 0% . 100%. До 100 ампер

Автор: Simurg, [email protected]
Опубликовано 12.09.2017
Создано при помощи КотоРед.

Для решения задач плавного включения, выключения и регулирования мощности, (оборотов, яркости – на выбор), был разработан простой мощный ШИМ (PWM) регулятор широкого применения. Подходит для регулирования мощности различных потребителей постоянного тока (нагреватели, светодиоды, двигатели, лампы, и прочее, что можно регулировать при помощи ШИМ.) с максимальным током потребления до 100А. При наращивании числа выходных ключей максимальный ток может быть увеличен. Имеется возможность добавить защиту от перегрузки.

Фото собранной платы:

Управление плавное ручное переменным резистором, или внешним напряжением в указанных диапазонах:

• 0,45v = выключено. ШИМ коэф. заполнения =0%.

• 0,5в.3,5в = плавное регулирование коэф. заполнения 0,1% . 99,9%

• 3,6v = включено. ШИМ коэф. заполнения =100%.

Работает на постоянном напряжении 10…28V. При отдельном питании управления от дополнительного источника питания на 15в., максимальное напряжение ограничено только максимально допустимым напряжением силовых ключей и обратным напряжением мощного диода в нагрузке.

При напряжении до 15 вольт стабилизатор не устанавливать, а вместо него диод или перемычка. До 28 вольт можно установить линейный 7815 или импульсный стабилизатор на MP2307 с алиэкспресс в виде готового модуля, выставив на нем напряжение 15 вольт.

Частоту можно регулировать при необходимости плавно переменным резистором, подключив его вместо перемычки на плате. При регулировании на большом токе (от 10 до 100 ампер), частоту ШИМ для TL494 много увеличивать крайне не рекомендуется. Достаточно в пределах 2 кГц. Так как коммутационные потери будут ощутимо нагревать ключи и обратный диод.

Силовые ключи можно подключать к плюсу, к минусу, или использовать изолированно от схемы управления благодаря изолирующему конвертеру с трансформаторной развязкой.

Схема содержит минимум компонентов в обвязках микросхем.

На TL494 собран основной регулятор ШИМ от 0% до 100%, который будет управлять мощностью в нагрузке. Благодаря смещению земли TL494 относительно основной земли на +0,6В обеспечивается регулирование от 0 до 100%. Так как в этом варианте включения мы компенсируем внутреннее смещение для формирования мертвого времени. Пояснение как это получается на приведенной внутренней схеме:

На HCPL3120 драйвер управления силовыми ключами с двухполюсным питанием и биполярным выходом +15в на открытие ключа и -12в на закрытие. Этим обеспечивается надежное удержание ключа в закрытом состоянии в условиях сильных помех, которые возникают при коммутации больших токов.

На NE555 собран изолированный источник питания +15в -12в с защитой от перегрузок. Работает на частоте 120кГц – 480кГц в зависимости от нагрузки. Регулирование вторичных напряжений изменением частоты. При перегрузке уменьшает частоту и ширину импульса. При отсутствии нагрузки на трансформаторе (холостой ход, драйвер не подключен), минусовое напряжение стремится к 0, а плюсовое плечо стремится к 25в. Но это не штатная ситуация и нагрузка в виде драйвера всегда есть.

Схема ограничения минимального напряжения питания собрана на стабилитроне 8,2в. Нужна для недопущения разряда аккумулятора ниже минимального порога. При закрытии стабилитрона питание с драйвера снимается, и нагрузка отключается не зависимо от установки ШИМ. Обратный диод нагрузки желательно установить в непосредственной близости к нагрузке. Эта мера снизит помехи и нагрузку на провода отсекая реактивную энергию. При этом можно использовать проводники меньшего сечения, чем при установке диода на удалении от нагрузки.

TL5001CD, Схема ШИМ управления, 3.6В-40В питание, 500кГц, 50В/20мА выход, SOIC-8, Texas Instruments

Выходной Ток	20ма
Выходное Напряжение	50в
Минимальная Рабочая Температура	-25 C
Максимальная Рабочая Температура	85 C
Частота	500кГц
Максимальное Напряжение Питания	40В
Минимальное Напряжение Питания	3.6В
Количество Выводов	8вывод(-ов)
Уровень Чувствительности к Влажности (MSL)	MSL 1 — Безлимитный
Входное Напряжение	6В
Стиль Корпуса ИС Контроллера	SOIC
Вид монтажа	SMD/SMT
Входное напряжение	3.6 V to 40 V
Выходное напряжение	50 V
Выходной ток	20 mA
Диапазон рабочих температур	40 C to + 125 C
Категория продукта	Коммутационные контроллеры
Количество выходов	1 Output
Максимальная рабочая температура	+ 125 C
Минимальная рабочая температура	40 C
Подкатегория	PMIC — Power Management ICs
Рабочий ток источника питания	1.1 mA
Размер фабричной упаковки	75
Серия	TL5001
Тип	Converter
Тип продукта	Switching Controllers
Торговая марка	Texas Instruments
Упаковка	Tube
Упаковка / блок	SOIC-8
Base Product Number	TL5001 ->
Clock Sync	No
Control Features	Dead Time Control, Frequency Control
Duty Cycle (Max)	100%
ECCN	EAR99
Frequency — Switching	20kHz ~ 500kHz
Function	Step-Up, Step-Down, Step-Up/Step-Down
HTSUS	8542.39.0001
Moisture Sensitivity Level (MSL)	1 (Unlimited)
Mounting Type	Surface Mount
Number of Outputs	1
Operating Temperature	-20В°C ~ 85В°C (TA)
Output Configuration	Positive
Output Phases	1
Output Type	Transistor Driver
Package	Tube
Package / Case	8-SOIC (0.154″», 3.90mm Width)
REACH Status	REACH Unaffected
RoHS Status	ROHS3 Compliant
Supplier Device Package	8-SOIC
Synchronous Rectifier	No
Topology	Buck, Boost, Flyback
Voltage — Supply (Vcc/Vdd)	3.6V ~ 40V
Вес, г	3.63

ШИМ-РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЕЛОСИПЕДА

Данный модуль предназначен для установки в электровелосипеды — в качестве блока управления электрическим приводом. Он работает с двигателем постоянного тока и аккумуляторной батареей на 15 — 95 В (любая в указанном диапазоне соответствующая двигателю). 

Контроллер является элементом, необходимым для управления скоростью двигателя. Он ограничивает количество энергии идущей на двигатель, чтобы контролировать его скорость вращения. К сожалению, большинство доступных на рынке контроллеров не могут работать при таком высоком напряжении (либо ограничение по мощности). Поэтому решено было спроектировать и построить свой собственный ШИМ-контроллер, который мог бы работать с двигателем более высокого напряжения и тока.

Поскольку нужно контролировать скорость вращения двигателя постоянного тока, можем использовать две технологии:

1. понижающий преобразователь который уменьшит напряжение, подаваемое на обмотку двигателя,
2. ШИМ-управление (широтно-импульсная модуляция).

Конструкция инвертора довольно сложна, поэтому применим ШИМ. Этот метод относительно прост, может с высокой частотой контролировать скорость, с которой аккумулятор подключается и отключается от двигателя. Для изменения скорости изменяется время переключения между нагрузкой (двигателем) и АКБ.

Принципиальная схема мощного ШИМ регулятора

Переключение напряжения не может быть реализовано с помощью механического переключателя — ни один из них не выдержит такие большие и постоянные нагрузки, поэтому правильный выбор для таких схем — транзистор полевой MOSFET с N-каналом. Необходимо выбрать подходящую модель для этих требований — частота переключения, напряжение и ток. 

Для управления транзисторами в схеме необходим сигнал ШИМ. Сгенерируем его используя классическую микросхему 555. Это простой универсальный таймер, который позволяет создавать множество устройств, в том числе управляемый генератор сигналов ШИМ. В такой схеме частота переключения постоянна, а изменение положения потенциометра изменяет скважность. 

М/с NE555 может питаться постоянным напряжением до 15 В. Она не может питаться непосредственно от аккумулятора электровелосипеда. Именно поэтому добавлен модуль импульсного питания на основе интегральной микросхемы LM5008. Это понижающий преобразователь, который снижает напряжение с 80 В до 10 В, используемых для питания таймера 555 и охлаждающих вентиляторов. 

Из-за высокого тока протекающего в схеме, использовались 4 транзистора MOSFET IRFPC60LC, соединенных параллельно. Каждый элемент может работать с напряжением Vds до 600 В и током стока до 16 А. Объединенные четыре таких транзистора позволяет достичь 64 А тока контроллера, что при напряжении питания 80 В дает более 5 кВт — намного больше, чем необходимо для управления двигателем в данном электровелосипеде. 

Печатная плата ШИМ-регулятора

Разработка отдельной печатной платы поможет не только компактно объединить все элементы, но также позволит использовать этот готовый ШИМ-модуль в других проектах — и не только с двигателями постоянного тока, ШИМ-модуляция идеально подходит, например, для управления нагревателями. 

Идея проектирования печатной платы может показаться сложной, но стоит иметь свои собственные печатные платы. Имея это в виду, автор спроектировал печатную плату для модуля регулятора скорости. 

При проектировании печатной платы самое важное, что нужно помнить, это обеспечить правильную ширину токовых путей. Высокий ток, который должен проходить через транзисторы к двигателю, также будет проходить через фольгу платы и нагревать её. 

На печатной плате добавлены монтажные отверстия, которые облегчат установку модуля в готовый электробайк, а также место для установки радиатора и вентилятора, который будет охлаждать работающие транзисторы. 

Чтобы облегчить сборку нужно начать с самых маленьких элементов на печатной плате: в нашем случае это преобразователь LM5008 и компоненты SMD. После пайки дискретных компонентов инвертора LM5008 можем припаять большую катушку по источнику питания и начать пайку более крупных компонентов. В конце установить таймер 555, а затем силовые транзисторы. 

При таком огромном количестве энергии, с которым имеет дело создаваемый контроллер, будет выделяться много тепла. Полевые транзисторы будут в основном нагреваться, поэтому надо обеспечить их достаточным охлаждением. Это делается с помощью радиатора с вентилятором. 

После установки радиатора схема готова к настройке и дальнейшей работе. 

Тестирование ШИМ контроллера

Для тестирования контроллера будем использовать набор ячеек литиевых батарей с номинальным напряжением 80 В, которые применяются для данного электрического велосипеда. Контроллер временно подключен к аккумулятору и мотору, который прикреплен к велосипеду, чтобы приводить в движение заднее колесо. Поворачивая потенциометр по часовой стрелке, двигатель должен начать вращаться постепенно и увеличивать скорость, пропорциональную вращению ручки.

Чтобы проверить регулятор скорости на реальной нагрузке, надо смонтировать все на своем месте. Посмотреть как он держит нагрузку, вес, долгое время работы и воздействие атмосферной влажности (лучше покрыть плату лаком).

Радиосхемы. — ШИМ-регулятор на простой логике

Схемы источников питания

материалы в категории

Необходимость регулировки постоянного напряжения

  для питания мощных  инерционных нагрузок чаще всего возникает у владельцев автомобилей и другой  авто-мото техники.   Например, появилось  желание  плавно менять яркость ламп освещения салона,  габаритных огней, автомобильных  фар  или вышел из строя  узел регулирования оборотов вентилятора автомобильного кондиционера, а замены нет. 
Осуществить такое желание  иногда  нет возможности из-за большого тока потребления этими устройствами — если устанавливать транзисторный  регулятор напряжения, компенсационный или параметрический,  на регулирующем транзисторе будет выделяться очень большая мощность, что потребует установки больших радиаторов или  введения принудительного охлаждения с помощью малогабаритного вентилятора от компьютерных устройств. 

 

Выходом из положения является применение широтно — импульсных  схем,  управляющих мощными полевыми силовыми транзисторами MOSFET. Эти транзисторы  могут коммутировать очень большие токи ( до 160А и более)  при напряжении на затворе 12 — 15 В.  Сопротивление открытого транзистора очень мало, что позволяет заметно снизить рассеиваемую мощность.  Схемы управления должны обеспечивать разность напряжений между затвором и истоком не менее 12 … 15 В, в противном случае сопротивление канала сильно увеличивается и  рассеиваемая мощность значительно возрастает, что может привести перегреву транзистора и выходу его из строя.   Для  широтно — импульсных  автомобильных  низковольтных  регуляторов  выпускаются специализированные микросхемы , например U6080B … U6084B,  L9610,  L9611,   которые содержат узел повышения  выходного напряжения до 25 -30 В при напряжении питания 7 -14 В, что позволяет включать выходной  транзистор по схеме с общим стоком, чтобы можно было подключать нагрузку  с общим минусом, но достать их практически невозможно. Для  большинства нагрузок, которые  потребляют ток не более 10А и не могут вызвать просадку бортового напряжения можно использовать простые схемы без дополнительного узла повышения напряжения.

Первый ШИМ регулятор собран на инверторах  логической КМОП  микросхемы.  Схема представляет собой генератор  прямоугольных импульсов на двух логических элементах, в котором за счёт диодов  раздельно меняется постоянная времени заряда и разряда  частотозадающего конденсатора, что позволяет изменять скважность  выходных импульсов и  значение эффективного напряжения на нагрузке.

В схеме можно использовать любые инвертирующие КМОП элементы, например К176ПУ2, К561ЛН1,  а также любые  элементы И, ИЛИ-НЕ, например К561ЛА7, К561ЛЕ5 и подобные, соответственно  сгруппировав их входы. Полевой транзистор может быть любым изMOSFET, которые выдерживают  максимальный ток нагрузки, но желательно использовать транзистор с как можно большим максимальным током, т.к. у него меньшее сопротивление открытого канала, что уменьшает рассеиваемую мощность и позволяет использовать радиатор меньшей площади. 
Достоинство ШИМ-регулятора на микросхеме К561ЛН2 — простота и доступность элементов,
недостатки — диапазон изменения  выходного напряжения чуть меньше 100%  и  невозможно  доработать схему с целью  введения дополнительных режимов, например плавного автоматического увеличения или понижения напряжения на нагрузке, т.к.  регулирование производится путём изменения сопротивления переменного резистора , а не изменением уровня управляющего напряжения.

Гораздо лучшими характеристиками обладает вторая схема, но количество элементов в ней чуть больше.

 

Регулировка эффективного значения напряжения на нагрузке  от 0 до 12 В производится изменением напряжения на управляющем входе от  8 до 12 В.  Диапазон регулировки  напряжения практически 100%.   Максимальный ток нагрузки полностью определяется типом  силового полевого транзистора и может быть очень значительным. Так как выходное напряжение пропорционально входному управляющему напряжению,  схема может использоваться как составная часть  системы регулирования , например  системы поддержания  заданной температуры, если в качестве нагрузки использовать  нагреватель, а  датчик  температуры подключить к простейшему пропорциональному регулятору, выход которого подключается к управляющему входу устройства.  Описанные устройства имеют в основе несимметричный мультивибратор, но  ШИМ регулятор можно построить на микросхеме ждущего мультивибратора

Автор Кравцов В.Н. http://kravitnik.narod.ru
Обсудить на форуме

Широтно-импульсный модулятор, принцип работы и схема

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, английская аббревиатураPWM — Pulse-Width Modulation) — это способ кодирования аналогового сигнала путем изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис.1 представлены типичные графики ШИМ-сигнала.

Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (Т) остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (рис.16) и наоборот, при расширении импульса пауза сужается (рис.1в).

Если ШИМ-сигнал пропустить через фильтр низших частот (ФНЧ), то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Скважность Q — это отношение периода импульсов Т к их длительности t, т.е. Формула:

Величина, обратная скважности, которая также встречается в литературе, называется “коэффициентом заполнения” (К3). Назначение ФНЧ — не пропускать на выход несущую частоту ШИМ.

Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC-цепочки или же отсутствовать вовсе, например, если нагрузка имеет достаточную инерцию.

Рис. 1. Графики работы ШИМ.

Таким образом, с помощью двух логических уровней “1 ” и “0” можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала. Широтно-импульсная модуляция широко используется в современной электронике, например, в импульсных источниках питания или в устройствах цифровой обработки звуковых сигналов. В [1] описан широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.

Он выполнен на основе двух логических элементов (рис.2) микросхемы К176ЛП1 (рис.За), которая называется универсальным логическим элементом (зарубежный аналог — CD4007).

Универсальность ИМС заключается в том, что она может быть использована и как три самостоятельных элемента НЕ, и как элемент ЗИЛИ-НЕ (рис.Зб), и как элемент НЕ с большим коэффициентом разветвпения (рис.Зв).

Рис. 2. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.

Рис. 3. Структура микросхемы К176ЛП1.

Микросхема содержит шесть МОП-транзисторов, три из которых (VT1…VT3) — с п-каналом, три других (VT4… VT6)-с р-каналом. Напряжение питания подают на выводы 14 (+9 В) и 7 (общий), выводы 6, 3 и 10 — входы, остальные — выходы.

Разные по функциональному назначению логические элементы получают путем соответствующих соединений входных и выходных выводов. Модулятор (рис.2) изменяет коэффициент заполнения импульсов автогенератора в соответствии с управляющим напряжением.

Регулирование коэффициента заполнения обеспечивается шунтированием времязадающего резистора R2 сопротивлением каналов полевых транзисторов VТ1 и VТ2, входящих в состав микросхемы.

Коэффициент заполнения изменяется в пределах от 1 до 99% периода рабочей частоты. Недостатком этого генератора является ненадежный запуск при уменьшении емкости времязадающего конденсатора С1 (при увеличении частоты генерации).

Для устранения этого недостатка предлагаю выполнить широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах (рис.4). Трехэлементный генератор запускается в любом случае, а конденсатор просто снижает его частоту. Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD2 и инверторе DD1.

Полевые транзисторы VТ1 и VТ2 из состава микросхемы подключены через диоды VD1 и VD2 параллельно резистору R2.

Рис. 4. Широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах.

При высоком уровне на выходе генератора диод VD2 открывается, т.е. сопротивление п-канала VТ2 включается параллельно R2. Подобным образом сопротивление р-канала VТ1 включается через VD1 параллельно R2 при низком уровне на выходе генератора.

Широтно-импульсный модулятор измененяет коэффициент заполнения импульсов генератора в соответствии с управляющим напряжением. Само изменение частоты колебаний минимально зависит от коэффициента заполнения, т.к. сопротивление канала одного транзистора возрастает, а другого уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R2 сопротивления остается постоянным.

Увеличение управляющего напряжения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импульсов, уменьшение — наоборот. Частота колебаний остается неизменной. Данный генератор может генерировать сигнал частотой до 10 МГц.

В. Калашник, г. Воронеж. E-mail: kalaviv[a]mail.ru. РМ-07-12.

Литература:

1. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме. — Электроника, 1977, №13, С.55.
2. Генераторы на элементах КМОП. — Схемотехника, 2007, №6, С.37.

Широтно-импульсный регулятор для автомобиля. Автоматика в быту. Электронные устройства автоматики.

Широтно — импульсные  регуляторы  постоянного тока              На странице представлена схема ШИМ регулятора на операционном усилителе.  Достоинство схемы — можно использовать практически любые доступные операционные усилители, подходящие по уровню питающего напряжения.  Уровень выходного эффективного напряжения регулируется путём изменения уровня напряжения  на  неинвертирующем  входе ОУ, что позволяет  использовать схему как составную часть различных регуляторов напряжения и тока, а также  схем с плавным зажиганием и гашением ламп накаливания.  Схема легка в повторении, не содержит редких элементов и при исправных элементах начинает работать сразу, без настройки. Силовой полевой транзистор подбирается по току нагрузки, но для уменьшения  тепловой рассеиваемой мощности желательно использовать транзисторы, рассчитанные на большой ток, т.к. у них наименьшее сопротивление  в открытом состоянии.  Площадь радиатора  для полевого транзистора полностью определяется выбором его типа  и током нагрузки .  Если схема будет использоваться  для регулирования напряжения  в  бортовых сетях + 24В,  для предотвращения пробоя затвора полевого транзистора, между коллектором транзистора VT1 и затвором VT2 следует включить резистор сопротивлением 1 К, а  резистор R6  зашунтировать любым подходящим стабилитроном на 15 В, остальные элементы схемы  не изменяются. Во всех ранее рассмотренных схемах  в качестве  силового полевого транзистора используются   n- канальные транзисторы, как наиболее распространённые и имеющие наилучшие характеристики.  Если требуется  регулировать напряжение на нагрузке, один из выводов которой подключен к «массе» , то  используются схемы, в которых  n -канальный полевой транзистор  подключается стоком к + источника питания, а в цепи истока включается нагрузка.  Для обеспечения  возможности полного открытия полевого транзистора  схема  управления должна содержать  узел повышения напряжения  в цепях управления  затвором  до 27 — 30 В, как это сделано в специализированных микросхемах U6080B … U6084B,  L9610,  L9611,  тогда между затвором и истоком  будет напряжение не менее 15 В.  Если ток нагрузки не превышает 10А, можно использовать силовые полевые   p- канальные транзисторы, ассортимент которых  гораздо уже  из — за технологических причин.  В схеме изменяется и тип транзистора VT1,  а регулировочная характеристика R7 меняется на обратную. Если  у первой схемы увеличение напряжения управления  (движок переменного резистора перемещается  к  » +»  источника питания) вызывает уменьшение выходного  напряжения на нагрузке, то у второй схемы эта зависимость обратная.  Если от конкретной схемы требуется инверсная от исходной зависимость  выходного напряжения от входного, то в схемах  необходимо поменять структуру транзисторов VT1, т.е транзистор VT1  в первой схеме необходимо подключить как VT1  у второй схемы и наоборот.  Смотри остальные схемы. 1.  Простые ШИМ регуляторы постоянного тока  на  логических элементах. 2.  ШИМ регуляторы на ждущих мультивибраторах  и счётчиках 3. ШИМ  регуляторы на таймере или импульсном стабилизаторе 4.  Мощный ШИМ-регулятор для автомобиля   (для вентилятора климат-контроля или автомобильных фар )

Уважаемые посетители! Все материалы сайта в случае их некоммерческого использования предоставляются бесплатно, хотя автор затрачивает достаточно большие средства на их обновление расширение и размещение. Если Вы хотите, чтобы автор отвечал на Ваши письма, обновлял и добавлял  новые материалы — активней используйте контекстную рекламу,  размещённую на страницах — для себя  Вы  узнаете много нового и полезного, а автору  позволит частично компенсировать собственные затраты  чтобы  уделять Вам больше внимания. ВНИМАНИЕ! Вам нужно разработать сложное электронное устройство? Тогда Вам сюда…

Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция? ⋆ diodov.net

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Uср.н = Uип tи/T.

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:

S = 1/D = T/tи.

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

Uср.н = Uип∙D.

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Pср.н = Pип∙D.

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Еще статьи по данной теме

Широтно-импульсная модуляция — Основы схемотехники

Широтно-импульсная модуляция или ШИМ — это цифровой метод, позволяющий более эффективно пропорционально управлять аналоговыми устройствами. Он генерирует импульсы переменной ширины для представления амплитуды аналогового входного сигнала. Транзистор переключения выхода большую часть времени включен для сигнала высокой амплитуды и выключен большую часть времени для сигнала низкой амплитуды. Цифровая природа (полностью включенная или выключенная) схемы ШИМ менее затратна в изготовлении, чем аналоговая схема, которая не дрейфует во времени.Типичными устройствами, использующими это, являются двигатели постоянного тока, обогреватели, фонари, светодиоды, двигатели гибридных автомобилей, печи, обжиговые печи, вентиляторы и т. Д.

Как это работает

В прошлом такие устройства могли управляться простым встроенным резистором. Но согласно закону Ома это приведет к сильному нагреву резистора. Таким образом, последовательность импульсов умеренно высокой частоты подается на устройство через подходящий управляющий транзистор или силовой полевой МОП-транзистор в цифровой системе. Теперь, поскольку привод либо полностью включен, либо полностью выключен, в устройстве отсутствуют потери I ² R (на самом деле, у полевого МОП-транзистора может быть небольшое сопротивление в несколько миллиомов).

Если драйвер работает половину времени и выключен половину времени, имеет смысл, что средняя мощность нагревателя составляет только половину или 50%. Если соотношение включения и выключения является переменным, можно получить любую степень контроля.

На рисунке выше мы видим, что импульс включен в течение 8 мс и выключен в течение 13 мс. Период — это сумма двух, которая составляет 8 + 13 = 21 мс. Частота обратно пропорциональна периоду, который составляет 1/21 мс = 47,6 Гц. Рабочий цикл или отношение метки к промежутку составляет (ширина ÷ период) * 100 = (8/21) * 100 = 38%.

Если бы импульсное напряжение было 5 В, среднее напряжение постоянного тока было бы рабочим циклом * V = (38/100) * 5 = 1,9 В.

Пример схемы

В схеме выше мы видим 555, подключенный как нестабильный генератор ШИМ. Q1 — это полевой МОП-транзистор, IRF540 — в порядке, а D1 — это светодиод (или, например, небольшой двигатель постоянного тока). D2 предотвращает повреждение полевого МОП-транзистора любой обратной ЭДС от индуктивной нагрузки (если бы светодиод был двигателем). Частота фиксирована и является функцией R1, 2 и 4 с C3 и составляет около 595 Гц.R4 (около 20 кОм) регулирует рабочий цикл, и, как вы можете видеть на двух дисплеях осциллографа ниже, он составляет от 78 мкс до 1,6 мс. Как и раньше, период 78 + 1600 мкс = 1678 мкс, а частота 1 / P = 596 Гц.

Расчет рабочего цикла в примере 1 (ширина ÷ период) * 100 = (77,9 ÷ 1678) * 100 = 4,6%, а в примере 2 (1570 ÷ 1678) * 100 = 93,5%.

Итак, как вы видите, мы можем очень красиво уменьшить яркость светодиода D1 или управлять скоростью небольшого двигателя.

Если бы вы спустились до 0%, у вас была бы прямая линия внизу кривой при 0 В и 100% то же самое, но при 5 В.

Здесь уместно задать вопрос: какое влияние имеет частота при любом рабочем цикле? Собственно, нет. Однако, если частота слишком низкая, вы увидите видимое мерцание светодиода, а если она будет слишком высокой, устройство управления или нагрузка не смогут включаться и выключаться достаточно быстро.

Макет вышеуказанной схемы	A 50% рабочий цикл

4.Рабочий цикл 6%	Рабочий цикл 93,5%

Мы видели простой нестабильный генератор 555, управляющий светодиодом. Многие микроконтроллеры, такие как Arduino, имеют встроенную функцию ШИМ, чтобы упростить управление устройством. Обратите внимание, что не все контакты могут работать с ШИМ. UNO, например, может выполнять ШИМ только на 3, 5, 6, 9, 10 и 11. Частота сигнала ШИМ на контактах 5 и 6 будет около 980 Гц, а на других контактах будет 490 Гц.

Широтно-импульсная модуляция

[Analog Devices Wiki]

Цель

В этой лаборатории мы исследуем широтно-импульсную модуляцию и ее использование в различных приложениях.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это метод кодирования аналогового сигнала в один цифровой бит. Сигнал ШИМ состоит из двух основных компонентов, которые определяют его поведение: рабочий цикл и частота.

Он используется для передачи информации путем кодирования сообщения в импульсный сигнал, а также для управления мощностью электронных устройств, таких как двигатели, и в качестве основного алгоритма для фотоэлектрических зарядных устройств солнечных батарей.

Рабочий цикл описывает количество времени, в течение которого сигнал находится в высоком (включенном) состоянии, как процент от общего времени, необходимого для завершения одного цикла.

На следующей диаграмме показаны последовательности импульсов при рабочем цикле 0%, 25% и 100%.

Частота определяет, насколько быстро ШИМ завершает цикл и, следовательно, как быстро он переключается между высоким и низким состояниями.

При включении и выключении цифрового сигнала с достаточно высокой скоростью и с определенным рабочим циклом выходной сигнал будет вести себя как аналоговый сигнал постоянного напряжения при подаче питания на устройства, которые реагируют намного медленнее, чем частота ШИМ, например аудиоколонки, электродвигатели и электромагнитные приводы.

Материалы

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки и комплект перемычек
1 Операционный усилитель OP97
1 Резистор 1 кОм 1 потенциометр 10 кОм

Широтно-импульсный модулятор — Принцип работы

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это метод генерации низкочастотных выходных сигналов из высокочастотных импульсов. Быстрое переключение выходного напряжения ветви инвертора между верхним и нижним напряжениями шины постоянного тока, низкочастотный выход можно рассматривать как среднее значение напряжения за период переключения.

Помимо этого, есть также несколько других способов генерации сигналов с широтно-импульсной модуляцией, включая аналоговые методы, сигма-дельта модуляцию и прямой цифровой синтез.

Один из простейших методов генерации сигнала ШИМ — это сравнение двух управляющих сигналов, сигнала несущей и сигнала модуляции. Это известно как несущая ШИМ. Несущий сигнал представляет собой высокочастотный (частота переключения) треугольный сигнал. Сигнал модуляции может иметь любую форму.

Используя этот подход, выходной сигнал может быть ШИМ-представлением любой желаемой формы сигнала.В машинах синусоидальная и трапецеидальная формы волны являются одними из самых распространенных.

Рассмотрим схему на рисунке 1.

Рисунок 1. Принцип работы ШИМ.

Следуя описанию принципа ШИМ, мы используем отрицательный вход операционного усилителя для несущей, а положительный вход для сигнала модуляции. Таким образом, более высокий сигнал модуляции приведет к выходу с высоким уровнем в течение большей части периода ШИМ.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для широтно-импульсной модуляции.

Рисунок 2. Принцип работы ШИМ — макетная схема.

Процедура

Используйте первый генератор формы волны в качестве несущего сигнала, обеспечивающего размах амплитуды 4 В, смещение 2,5 В, возбуждение треугольной волны кГц для схемы. Используйте второй генератор сигналов в качестве сигнала модуляции с размахом амплитуды 3 В, 2.Смещение 5 В, синусоида 50 Гц.

Подайте на операционный усилитель + 5В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

На рисунке представлены два канала генератора сигналов, содержащие два входных сигнала (оранжевый — сигнал несущей, фиолетовый — сигнал модуляции).

График выходного сигнала на канале 2 осциллографа представлен на рисунке 4.

Если мгновенная величина сигнала модуляции больше, чем сигнал несущей в определенный момент времени, выходной сигнал будет высоким. Если сигнал модуляции ниже, чем сигнал несущей, выходной сигнал будет низким.

Если пик модуляции меньше, чем пик несущего сигнала, выходной сигнал будет точным ШИМ-представлением сигнала модуляции. Редактировать

Управление шириной импульса с помощью модуляции постоянного напряжения

Фон

Для этого конкретного приложения мы будем использовать простой операционный усилитель в конфигурации режима переключения (дополнительные сведения см. В разделе «Действие: операционный усилитель в качестве компаратора»), чтобы продемонстрировать широтно-импульсную модуляцию напряжения постоянного тока.

Рассмотрим схему на рисунке 5.

Рисунок 5. Регулировка ширины импульса с использованием напряжения модуляции постоянного тока.

Схема работает как простой компаратор, где отрицательный вход операционного усилителя подключен к сигнал несущей, в то время как положительный вход действует как пороговое напряжение, которое устанавливает, когда происходят переходы между выходом высокого напряжения и выходом низкого напряжения. Потенциометр действует как делитель напряжения для входного опорного напряжения, регулируя пороговое напряжение и косвенно рабочий цикл выходного сигнала.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для управления шириной импульса, используя напряжение модуляции постоянного тока.

Рисунок 6. Регулировка ширины импульса с помощью модуляции постоянного напряжения — схема макетной платы.

Процедура

Используйте первый генератор сигналов в качестве источника Vin для обеспечения возбуждения треугольной волны амплитудой 5 В от пика до пика 1 кГц в схему. Используйте второй генератор сигналов в качестве источника постоянного напряжения с размахом амплитуды 5 В.Подайте на операционный усилитель + 5В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

Анимированный сюжет представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Регулировка ширины импульса с использованием модуляции постоянного тока. Напряжение — формы сигналов.

Выходной сигнал представляет собой ШИМ-представление входного напряжения. Обратите внимание, что при изменении значения потенциометра рабочий цикл сигнала изменяется, а частота остается постоянной.

Фиксированная 50% ШИМ с нестабильным мультивибратором

Фон

Рассмотрим схему на рисунке 8.

Рисунок 8. ШИМ с нестабильным мультивибратором.

На схеме показан нестабильный мультивибратор на одном операционном усилителе. Функциональность легко понять при рассмотрении функционального принципа триггера Шмитта (схема компаратора с гистерезисом изучается в Activity: Op Amp as Comparator): Вход триггера Шмитта, идентичный инвертирующему входу операционного усилителя, подключен к выходу схемы через резистивно-конденсаторную цепь.В то время как напряжение конденсатора (которое также является входом триггера Шмитта) ниже нижнего порога, выходное напряжение равно положительному напряжению питания схемы. Теперь конденсатор заряжается через резистор R ₃ , пока не будет достигнут верхний порог срабатывания триггера Шмитта. В результате выходное напряжение операционного усилителя становится отрицательным. Теперь конденсатор разряжается через R ₃ , пока напряжение на этом устройстве не достигнет нижнего порога срабатывания триггера Шмитта.Выходное напряжение операционного усилителя приводится к положительному напряжению питания, и весь процесс начинается снова.

Преимущество этой схемы в том, что ей не требуется M2K для генерации несущей (но рабочий цикл фиксирован на уровне 50%).

Настройка оборудования

Постройте следующую макетную схему для ШИМ с нестабильным мультивибратором.

Рисунок 9. ШИМ с нестабильной макетной платой мультивибратора.

Процедура

Подайте в цепь +/- 5В от источника питания.Настройте осциллограф так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 1.

График с выходным сигналом на канале 1 осциллографа представлен на рисунке 10.

Рисунок 10. Форма выходного сигнала ШИМ с нестабильным мультивибратором.

Обратите внимание, что рабочий цикл выходного сигнала составляет примерно 50%, в то время как значения низкого / высокого напряжения имеют тенденцию достигать положительных / отрицательных значений питания.

В предыдущем примере мы сгенерировали ШИМ с фиксированным рабочим циклом 50% с использованием нестабильных мультивибраторов.Но как мы можем отрегулировать рабочий цикл? Для этого нам нужно будет немного изменить схему.

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 11.

Рисунок 11. Регулировка рабочего цикла ШИМ с мультивибратором.

Резистор R ₃ на рисунке 8 был заменен потенциометром и вставлены два диода. Теперь зарядный ток конденсатора проходит через D ₁ , а ток разряда проходит через D ₂ .В зависимости от настройки потенциометра VR ₁ сопротивление зарядного тока, проходящего через верхнюю ветвь цепи, отличается от сопротивления разрядного тока, проходящего через нижнюю ветвь.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для регулировки рабочего цикла ШИМ с мультивибраторами.

Рисунок 12. Регулировка рабочего цикла для ШИМ с макетной схемой мультивибратора.

Процедура

Подайте в цепь +/- 5В от источника питания.Настройте осциллограф так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 1, а напряжение на конденсаторе (на отрицательном входе операционного усилителя) отображалось на канале 2.

Измените значение потенциометра и обратите внимание на изменение рабочего цикла. Пример графика представлен на рисунке 13.

Рисунок 13. Регулировка рабочего цикла для ШИМ с нестабильными формами сигналов мультивибратора.

В этом примере рабочий цикл был установлен примерно на 25%. Всякий раз, когда рабочий цикл изменяется, неизбежно происходит небольшое изменение частоты переключения, потому что две цепи связи на инвертирующем и неинвертирующем входе обе подключены к выходу операционного усилителя.

Продолжаем работу с лабораторией

Все действия в этой лаборатории основаны на простом операционном усилителе (OP97), сконфигурированном как компаратор. В комплект деталей ADALP2000 входит также компаратор AD8561, предназначенный для этой единственной цели. Следовательно, производительность схем ШИМ может быть увеличена с помощью этой части.

Постройте описанные выше схемы, используя AD8561 из набора деталей, и обсудите любые заметные изменения поведения схемы и входных / выходных сигналов.

Дополнительная литература

A Junk box 555 PWM Генератор

Часто вам понадобится простая схема генератора с широтно-импульсной модуляцией для тестирования или запуска небольших ламп постоянного тока и двигателей в ваших электронных проектах. Есть способы создать дешевые и практичные схемы в домашних условиях, и сегодня мы сосредоточимся на сборке 555 ШИМ-генератора мусорной коробки. Более того, внизу этого поста есть небольшой сюрприз!

Принципиальная схема

Сначала давайте начнем с практической принципиальной схемы.Как указано выше, таймер 555 используется здесь в этой схеме в качестве ядра генератора ШИМ, а также для выполнения некоторых менее обычных функций.

Описание конструкции

В схеме NE555P (IC1) сконфигурирован как обычный базовый нестабильный мультивибратор (AMV), но с небольшими изменениями. Модификация включает в себя многооборотный подстроечный резистор 10K (P1) и пару диодов 1N4148 (D1 и D2) для регулирования соотношения между метками и пространством. Когда подстроечный резистор находится на максимальном значении, выходной сигнал на выводе 3 микросхемы IC1 преимущественно высокий, с только узкими импульсами до нуля.При минимальной настройке выходной сигнал в основном равен нулю с узкими положительными импульсами. Это связано с тем, что, когда подстроечный резистор находится на максимальном уровне, для зарядки C1 (2n4) требуется гораздо больше времени, чем для его разрядки, поэтому выход должен проводить большую часть своего времени при напряжении Vcc (близком к 5V). Обратное применяется, когда подстроечный резистор находится на минимальном уровне. При необходимости минимальный и минимальный рабочий цикл можно изменить, изменив номинал резистора 0R (J). Вы должны знать о неотъемлемом ограничении таймера 555, когда его выходная мощность высока, она обычно находится где-то между 1.На 2 В и 1,7 В ниже, чем напряжение питания (Vcc), фактически считая от тока, потребляемого с выхода (контакт 3).

2 канала

^и ШИМ

Данная конфигурация схемы даст вам типичный выходной сигнал (PWM1) через выход (контакт 3) IC1. Как видно из моего грязного прототипа макета, частота ШИМ составляет около 27 кГц (максимум) с переменным рабочим циклом, который изменяется примерно от 9% до 99% (см. Таблицу ниже).

Тримп (P1)	Минимум	Максимум
Выход (контакт 3)	~ 300 мВ / 27 кГц / 9%	3.7 В / 6 кГц / 99%

Тем не менее, вы можете увидеть «необычный» второй канал (PWM2), возникший из той же схемы генератора PWM! Это просто точная копия первого канала (PWM1), но взятая непосредственно от «разрядной» клеммы (вывод 7) IC1.

В микросхеме таймера 555 разрядный вывод 7 внутри соединен с коллектором разрядного транзистора, и когда на выходном выводе устанавливается низкий уровень, транзистор включается. Обратите внимание, что вывод 7 — это открытый коллектор, и его транзистор включается тем же триггером, который управляет выходом на выводе 3.Хотя вывод 7 имеет то же логическое состояние, что и вывод 3, вывод 3 имеет выходной буфер, который может потреблять и передавать «сильный» ток, в то время как вывод 7 может потреблять только «слабый» ток на землю. Тогда также потребуется один подтягивающий резистор (см. Внутреннюю схему).

Излишне напоминать, вы обнаружите, что выход второго канала (PWM2) становится «инвертированным», если вы исследуете его через подтягивающий резистор 10 кОм (R1). Точно так же, как видно на случайных осциллограммах (показанных ниже), она относительно немного высока по амплитуде.Но пока это здорово!

Я должен сказать, что это забавный проект (больше, чем просто учебное упражнение), но вы можете внести ряд изменений, чтобы создать свой собственный дешевый и жизнерадостный двухканальный ШИМ-генератор (генераторы) с использованием дискретных компонентов, которые у вас уже есть. твой пыльный ящик для мусора. Да, это можно сделать, если вы готовы принять некоторые ограничения.

Ниже приведен скромный снимок схемы ШИМ-генератора мусорной коробки, построенной на мини-макетной плате. В моей конкретной сборке я использовал стабилизированный источник питания 5 В для макета, который хорошо помещается на краю мини-макета.

А для чего еще это можно использовать?

Принцип его работы не отличается от базового генератора ШИМ 555, за исключением того, что он имеет дополнительный «зеркальный» канал ШИМ. Чтобы быть полезным, выход первичного канала (PWM1) обычно может управлять МОП-транзистором для работы с внешней нагрузкой. Кроме того, второй канал (PWM2) может легко управлять другой внешней нагрузкой, но с соответствующей дополнительной схемой. Правда, представленный дизайн во многом концептуален — он работает, но не оптимален.

Использование каналов ШИМ для управления внешними схемами — вот где я отклонился от основной идеи. Вместо того, чтобы использовать эти сигнальные каналы напрямую, я решил попробовать одну довольно распространенную двойную оптопару MCT6, передающую пару гальванически изолированных каналов ШИМ. На следующем изображении показана основная схема подключения оптопары MCT6, которая является отличной оптопарой (от Vishay), специально разработанной для управления среднескоростной логикой, где ее можно использовать для устранения нежелательного контура заземления и проблем с шумом.По техническим вопросам обращайтесь: [email protected]. Результирующие «свободно висящие» выходы MCT6 могут быть использованы позже для предполагаемых приложений ШИМ по желанию (неинвертированный выход и один инвертированный выход — если они подключены с подтягивающими резисторами).

Плюсы и минусы

Микросхема таймера 555 поставляется с нами с 1972 года! Существует множество производителей и множество различных префиксов и суффиксов номеров деталей. Очевидно, что в некоторых китайских версиях есть некоторые отмеченные аномалии, которые, надеюсь, не доставят вам серьезных проблем.

Вернемся к моему «странному» дизайну, установка предлагает два выходных канала ШИМ одновременно, так что вы можете удобно использовать «по умолчанию» один (контакт 3) или другой (контакт 7). Как упоминалось ранее, с источником питания 5 В вы получите максимум сигнала уровня 3,7 В через нормальный выходной контакт 3, но около 4,9 В через подтянутый контакт 7. Однако с добавлением оптопары на выходе , вы получите гораздо больше свободы для настройки собственных уровней сигнала благодаря гальванической развязке (и выходам с открытым коллектором / открытым эмиттером), обеспечиваемой оптопарой.Попробуйте, и расскажите об этом. С другой стороны, попытка получить как частоту, так и ширину импульса здесь на самом деле не работает. Это означает, что схема не позволит вам установить частоту, а затем изменить рабочий цикл — вы можете установить рабочий цикл, и частота будет определяться этим. Для небольшого проекта в очереди мне не нужно слишком жестко контролировать частоту, так как я больше сосредоточен на диапазоне рабочего цикла, и именно поэтому этот дизайн.

Наконец…

Поиск в Google по ключевому слову «555 PWM» даст более 45 30 000 результатов! Если вам нужна дополнительная информация, загрузите это старое доброе (1972 г.) справочное руководство (в формате PDF) с самого начала.http://www.rfcafe.com/miscellany/cool-products/Signetics-555-556-Timer-1973-Databook.pdf

Фестивальный сезон

не за горами, поэтому здесь мы даем новую идею дизайна светодиодных фестивальных фонарей со звуком (адаптация китайского дизайна — непроверенная). После успешной сборки просто поместите окончательную сборку рядом с громкоговорителем мобильного телефона, музыкального плеера или телевизора, а затем включите свою любимую музыку, чтобы увидеть, как кучка синих светодиодов начинает танцевать в унисон с ней!

Что ж, поздравляю всех с Рождеством и Новым годом… До встречи в следующем году!

Схема ШИМ

— Как разработать схему ШИМ, которая вам нужна

Существует несколько различных способов управления скоростью двигателей постоянного тока.Однако одним из наиболее предпочтительных и простых способов является использование схемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — это метод, используемый для управления инерционными нагрузками в течение длительного времени. Использование широтно-импульсной модуляции для управления драйверами двигателей дает несколько преимуществ.

Но, пожалуй, наиболее значительным преимуществом является то, что, поскольку транзистор полностью выключен или включен, потери мощности в переключающем проводе остаются небольшими. В этой статье обсуждается, как разработать схему ШИМ.Здесь будут обсуждаться важные вопросы, такие как эффективное разделение электрических сигналов на дискретные части как средство уменьшения мощности передачи электронного сигнала.

Профессиональное знакомство со схемами ШИМ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это термин, используемый для описания типа цифрового сигнала. Широтно-импульсная модуляция находит применение во многих приложениях, таких как сложные схемы управления. Стандартный метод, с помощью которого ШИМ находит широкое применение, — это управление затемнением светодиодов и управление направлением серводвигателей.

Схема широтно-импульсной модуляции работает за счет уменьшения средней мощности при передаче электрических сигналов. Это делается путем разделения сигналов на дискретные части или выборки. Как упоминалось ранее, существует множество преимуществ и применений в телекоммуникациях, регулировании напряжения, управлении серводвигателем, цифровых схемах и управлении скоростью двигателя, среди прочего.

Цепи с широтно-импульсной модуляцией

— лучший выбор для многих пользователей, поскольку они не создают большого шума во время работы.В отличие от аналоговых сигналов, которые издают некоторый звук во время обработки, схемы широтно-импульсной модуляции являются помехоустойчивыми и очень эффективными. Более того, схемы с широтно-импульсной модуляцией экономичны и не требуют много места. Схемы с широтно-импульсной модуляцией не сложно построить. Компоненты, необходимые для изготовления этих схем, легко собрать.

Кроме того, шаги, которым необходимо следовать при изготовлении или производстве схем широтно-импульсной модуляции, очень удобны, в отличие от дизайна других курсов.Схемы с широтно-импульсной модуляцией легко преобразовать обратно в аналоговые схемы с использованием минимального количества оборудования.

Рабочий цикл, частота и ширина импульса в цепи ШИМ

л Рабочий цикл

Как упоминалось ранее, сигнал широтно-импульсной модуляции остается включенным в течение определенного времени, а затем гаснет все остальное время. Он работает по принципу «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Аспект, который делает сигнал PWM более полезным и уникальным, заключается в том, что его можно настроить на то, чтобы он оставался включенным в течение определенного времени, контролируя рабочий цикл.Процент или соотношение времени, в течение которого сигнал ШИМ остается включенным или ВЫСОКИЙ, известен как рабочий цикл.

Если сигнал остается включенным, значит, он находится в рабочем цикле 100%. Но если он всегда выключен, то это 0% рабочего цикла. Формула для расчета рабочего цикла следующая:

Рабочий цикл = время включения / (время включения + время выключения)

l Частота ШИМ

Частота схемы широтно-импульсной модуляции определяет скорость или, скорее, то, сколько времени требуется ШИМ для завершения одного периода.Один период — это полный или полный период включения и выключения сигнала широтно-импульсной модуляции. Обычно сигналы широтно-импульсной модуляции, которые генерируют многие микроконтроллеры, составляют около 500 Гц. Такие частоты находят широкое применение в высокоскоростных коммутационных компонентах, таких как преобразователи и инверторы.

Однако не всем приложениям требуется высокая частота. Например, чтобы управлять серводвигателем, вам необходимо генерировать сигналы ШИМ с частотой около 50 Гц. Проще говоря, скорость включения и выключения сигнала широтно-импульсной модуляции определяется частотой сигнала ШИМ.

Ширина импульса в цепи ШИМ

Схема ШИМ состоит из ширины импульса (PW). Ширина импульса, по определению, — это время, прошедшее между нарастающим / высоким и спадающим / нижним фронтами одиночного импульса. Ширина импульса — это длительность другого сигнала, обычно несущего сигнала, используемого при передаче. Чтобы такие измерения были точными и повторяемыми, 50% уровня мощности используется в качестве контрольных точек.

Как построить схему ШИМ

Построение схемы ШИМ само по себе не является сложной задачей.Ниже приведены некоторые материалы, необходимые для изготовления схемы ШИМ. Глянцевая бумага

• Доска с медным покрытием
• Ацетон
• Хлорид железа
• ЛАЗЕРНЫЙ принтер
• Ножницы
• Маркер
• Пластиковый контейнер
• Наждачная бумага
• Защитные перчатки
• Saw
• Saw Late
903

Начните с разработки принципиальной схемы в программе для проектирования печатных плат.Вы можете использовать программное обеспечение для проектирования, такое как Kicad, Express PCB, Dip Trace, NI Multism или Altium Designer. EAGLE PCB Design Software — лучший вариант.

Шаг 2: Разработка макета печатной платы

После того, как вы закончите проектирование принципиальной схемы, пришло время разработать компоновку печатной платы, желательно с помощью инструмента Eagle EDA. После того, как вы закончите, снимите распечатку с производства печатных плат, высока вероятность сбоев макета, которые могут иметь большое значение, чтобы негативно повлиять на функциональность конечного продукта.На глянцевой бумаге нанесено несколько макетов печатных плат. Здесь используйте только ЛАЗЕРНЫЙ принтер. Здесь необходимы следующие компоненты:

• Заголовок (2,54 мм)
• Печатная плата: FR4 Стекловолокно
• Винтовой клеммный блок
• Конденсатор — 0,1 мкФ (104)
• Резисторы
• 1N5403 — Диод (3 А)
• TLP460 903 — Драйвер затвора
МОП-транзистор

Шаг 3: процесс пайки

Для управления силовым MOSFET используйте драйвер затвора IC.Но опять же, TLP250 IC подходит для схемы драйвера затвора IGBT и силового MOSFET. Вы можете использовать ШИМ-контроллер для управления уровнями яркости светодиода или даже использовать его в качестве драйвера светодиода. ШИМ-контроллер также работает или выполняет те же функции, что и ШИМ-диммер.

Шаг 4: Расчет рассеиваемой мощности полевого МОП-транзистора

Четвертый шаг включает расчет рассеиваемой мощности. Ниже приводится формула расчета рассеиваемой мощности:

P = R X I ²

P = R _DS (ВКЛ) X I ²

Здесь,

P = Мощность

I = текущий

R _ds (ВКЛ) = Сопротивление сток-исток в открытом состоянии

Шаг 5: Максимальное рассеивание мощности без радиатора

Рассеиваемая мощность — это максимальная мощность, рассеиваемая полевым МОП-транзистором при определенных тепловых условиях.Пятый шаг к построению вашей схемы ШИМ включает расчет максимальной рассеиваемой мощности без радиатора. Расчет рассеиваемой мощности прост. Рассеиваемая мощность рассчитывается путем вычитания температуры перехода и вычитания температуры окружающей среды, а затем деления ее на максимальное значение перехода к температуре окружающей среды.

Pd = Tj (макс.) — TA

РОЖА

Шаг 6: Подключение драйвера ШИМ

Это последний шаг к созданию схемы ШИМ.Для сопряжения или, скорее, завершения вашего драйвера PWM вам потребуются перемычки, драйвер PWM, плата Arduino UNO, двигатель постоянного тока, SMPS и потенциометр 10k.

Примечания

Схема

PWM может оказаться непростой задачей, особенно если вы не будете точно следовать инструкциям. Вы можете заметить, что на самом деле все будет немного отличаться от того, что вы найдете в книгах или в Интернете. На всякий случай нужно учесть несколько моментов. Например, вы должны убедиться, что у вас есть все необходимые материалы.

Кроме того, вам необходимо убедиться, что вы выполнили все шаги от начала до конца, как указано. Вы также должны учитывать вопросы, связанные с безопасностью. Убедитесь, что вы работаете в чистой и безопасной среде. Кроме того, вы должны быть знакомы с расчетами, поскольку вам, возможно, придется рассчитать такие важные аспекты, как рассеиваемая мощность, мощность резистора и использование микроконтроллеров, среди прочего.

Область применения

Схемы

PWM находят применение в самых разных приложениях.Примеры удачного использования контроллеров ШИМ включают следующее:

• Используются для управления скоростью двигателей постоянного тока
• Они находят применение для управления яркостью светодиодных лент и светодиодных ламп
• Используются для генерации тона
• Они также находят применение в силовых нагревателях постоянного тока
• Используются в компонентах с питанием от постоянного тока

Хотите настроить ШИМ-контроллер? Вы можете связаться с нами

Настройка ШИМ-контроллера может оказаться сложной задачей.Большинству людей сложно настроить ШИМ-контроллеры. Вам сложно настроить ШИМ-контроллер? Не волнуйся. Мы в WellPCB готовы помочь вам. Не страдай молча, когда мы можем помочь. Мы понимаем каждый аспект, связанный с контроллерами двигателей с ШИМ. Позвольте нам все подготовить для вас, пока вы сидите и отдыхаете. В зависимости от вашего использования мы установим для вас нагрузку, подключим всю проводку, чтобы избежать коротких замыканий, и рассчитаем максимальную рассеиваемую мощность для вашего ШИМ-контроллера.

Заключение

Как отмечалось ранее, управлять скоростью двигателей постоянного тока можно разными способами. Однако использование широтно-импульсной модуляции является лучшим и наиболее надежным методом. Использование широтно-импульсной модуляции для управления скоростью двигателей постоянного тока дает множество преимуществ. Некоторые из них включают небольшие потери мощности и постоянное напряжение двигателя. Сборка ШИМ-двигателя может быть утомительным занятием, особенно если вы не соблюдаете все инструкции. Если вам сложно разработать и настроить ШИМ-контроллер, вы можете обратиться к нам за помощью.Мы лучшие профессиональные дизайнеры ШИМ с многолетним опытом и профессионализмом.

Что такое ШИМ: широтно-импульсная модуляция

Инверторы, преобразователи, схемы SMPS и контроллеры скорости …. Одна вещь, которая является общей для всех этих схем, состоит в том, что они состоят из множества электронных переключателей внутри. Эти переключатели представляют собой не что иное, как силовые электронные устройства, такие как MOSFET, IGBT, TRIAC и т. Д. Для управления такими силовыми электронными переключателями мы обычно используем так называемые сигналы PWM (широтно-импульсная модуляция).Помимо этого, сигналы PWM также используются для управления серводвигателями, а также для других простых задач, таких как управление яркостью светодиода.

В нашей предыдущей статье мы узнали об АЦП, в то время как АЦП используется для чтения аналоговых сигналов с помощью цифрового устройства, такого как микроконтроллер. ШИМ можно рассматривать как полную противоположность ему, ШИМ используется для создания аналоговых сигналов от цифрового устройства, такого как микроконтроллер . В этой статье мы узнаем о , что такое ШИМ , сигналы ШИМ и некоторые параметры, связанные с ними, так что мы будем уверены в их использовании в наших проектах.

Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)?

PWM означает широтно-импульсную модуляцию; мы рассмотрим причину такого названия позже. Но пока понимайте ШИМ как тип сигнала, который может быть произведен цифровой ИС, такой как микроконтроллер или таймер 555. Созданный таким образом сигнал будет иметь последовательность импульсов, и эти импульсы будут иметь форму прямоугольной волны. То есть в любой данный момент времени волна будет либо высокой, либо низкой.Для простоты понимания давайте рассмотрим сигнал ШИМ 5 В, в этом случае сигнал ШИМ будет либо 5 В (высокий), либо на уровне земли 0 В (низкий). Продолжительность, в течение которой сигналы остаются на высоком уровне, называется « , время включения », а продолжительность, в течение которой сигнал остается на низком уровне, называется « , время отключения ».

Для сигнала ШИМ нам нужно посмотреть на два важных параметра, связанных с ним: один — это рабочий цикл ШИМ, а другой — частота ШИМ.

Рабочий цикл ШИМ

Как было сказано ранее, сигнал ШИМ остается включенным в течение определенного времени, а затем остается выключенным до конца этого периода.Что делает этот сигнал ШИМ особенным и более полезным, так это то, что мы можем установить, как долго он должен оставаться включенным, контролируя рабочий цикл сигнала ШИМ.

Процент времени, в течение которого сигнал ШИМ остается ВЫСОКИМ (по времени), называется рабочим циклом. Если сигнал всегда включен, это 100% -ный рабочий цикл, а если он всегда выключен, это 0% -ный рабочий цикл. Формулы для расчета рабочего цикла показаны ниже.

  Рабочий цикл = время включения / (время включения + время выключения) 
 

На следующем изображении представлен сигнал ШИМ с рабочим циклом 50%.Как вы можете видеть, учитывая весь период времени (время включения + время выключения), сигнал ШИМ остается включенным только в течение 50% периода времени.

Регулируя рабочий цикл от 0% до 100%, мы можем управлять « по времени » ШИМ-сигнала и, следовательно, шириной сигнала. Поскольку мы можем модулировать ширину импульса, он получил свое культовое название « Широтно-импульсная модуляция ».

Частота ШИМ

Частота сигнала ШИМ определяет, насколько быстро ШИМ завершает один период.Один период — это полное время включения и выключения сигнала ШИМ, как показано на рисунке выше. Формулы для расчета частоты приведены ниже

.

  Частота = 1 / Период времени 
  Период времени = Время включения + Время выключения  

Обычно сигналы ШИМ, генерируемые микроконтроллером, составляют около 500 Гц, такие высокие частоты будут использоваться в высокоскоростных коммутационных устройствах, таких как инверторы или преобразователи. Но не все приложения требуют высокой частоты. Например, для управления серводвигателем нам необходимо генерировать сигналы ШИМ с частотой 50 Гц, поэтому частота сигнала ШИМ также может управляться программой для всех микроконтроллеров.

Некоторые часто возникающие вопросы по ШИМ

В чем разница между рабочим циклом и частотой сигнала ШИМ?

Часто путают рабочий цикл и частоту сигналов ШИМ. Как мы знаем, сигнал ШИМ представляет собой прямоугольную волну с определенным временем включения и выключения. Сумма времени включения и времени выключения называется одним периодом времени. Значение, обратное одному периоду времени, называется частотой.В то время как количество времени, в течение которого сигнал ШИМ должен оставаться включенным в один период времени, определяется рабочим циклом ШИМ.

Проще говоря, скорость включения и выключения ШИМ-сигнала определяется частотой сигнала ШИМ , и на этой скорости, как долго ШИМ-сигнал должен оставаться включенным, определяется рабочим циклом ШИМ-сигнал .

Как преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение?

Для простых приложений, таких как управление скоростью двигателя постоянного тока или регулировка яркости светодиода, нам необходимо преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение.Это легко сделать с помощью RC-фильтра и обычно используется там, где требуется функция ЦАП. Схема для этого же показана ниже

На приведенном выше графике желтый цвет — это сигнал ШИМ, а синий — выходное аналоговое напряжение. Значение резистора R1 и конденсатора C1 можно рассчитать на основе частоты сигнала ШИМ, но обычно используются резистор 5,7 кОм или 10 кОм и конденсатор 0,1 или 1 мк.

Как рассчитать выходное напряжение сигнала ШИМ?

Выходное напряжение ШИМ-сигнала после его преобразования в аналоговый будет в процентах от рабочего цикла.Например, если рабочее напряжение составляет 5 В, тогда сигнал ШИМ также будет иметь 5 В при высоком уровне. В таком случае для 100% рабочего цикла выходное напряжение будет 5 В, для 50% рабочего цикла это будет 2,5 В.

  Выходное напряжение = Рабочий цикл (%) * 5  

Примеры:

Ранее мы использовали ШИМ с различными микроконтроллерами во многих наших проектах:

Далее проверьте все проекты, связанные с ШИМ здесь.

Как сгенерировать ШИМ с помощью микросхемы таймера 555? 555 Цепь таймера PWM

В этом уроке я покажу вам, как сгенерировать ШИМ-сигнал с помощью микросхемы таймера 555.Мы немного узнаем о микросхеме таймера 555, о том, как она работает как нестабильный мультивибратор, и как мы можем использовать сигнал ШИМ с таймером 555 для регулировки яркости светодиода.

Что такое ШИМ?

ШИМ, сокращение от широтно-импульсной модуляции, является важным понятием в современной электронике. Обычно он используется в качестве механизма подачи энергии в системах управления двигателем и освещением.

В методе ШИМ напряжение, которое должно подаваться на двигатель постоянного тока или светодиод, подается в виде импульсов быстрого переключения, а не в виде непрерывного аналогового сигнала.«Рабочий цикл» и «Частота» сигнала ШИМ определяют выходное напряжение.

Рабочий цикл сигнала ШИМ описывает количество времени, в течение которого импульс остается ВЫСОКИМ в одном цикле. Обычно это выражается в процентах.

Если T _HIGH — это длительность, в течение которой импульс является HIGH в одном цикле, а T _LOW — это длительность, для которой импульс является LOW, то период импульса составляет

T = T _{ВЫСОКИЙ} + T _НИЗКИЙ

Рабочий цикл = (T _HIGH / T) * 100

Частота сигнала ШИМ описывает скорость, с которой сигнал завершает один цикл.

На изображении выше показаны различные сигналы ШИМ и разные рабочие циклы, а также выходное напряжение.

С помощью таймера 555 IC очень легко сгенерировать сигнал ШИМ. Но прежде чем увидеть, как генерируется ШИМ-сигнал таймера 555, вам необходимо понять работу нестабильного мультивибратора микросхемы таймера 555.

Как только вы это поймете, то, внося небольшие изменения, вы можете легко получить сигнал ШИМ с помощью таймера 555.

Как таймер 555 работает в нестабильном режиме?

Как следует из названия, нестабильный мультивибратор — это колебательный контур без стабильного состояния i.е., он автоматически переключается между двумя состояниями. Следовательно, нестабильный мультивибратор также известен как автономный мультивибратор или автономный осциллятор.

Используя всего три дополнительных компонента, мы можем заставить таймер 555 работать в нестабильном режиме. Они представляют собой пару резисторов и конденсатор.

Принципиальная схема нестабильного режима таймера 555

На следующем изображении показана упрощенная схема микросхемы таймера 555 в нестабильном режиме.

Операция

Я сделал специальный учебник по «Астабильному мультивибратору с использованием таймера 555 ».Для подробного объяснения, проверьте это. Чтобы понять работу таймера 555 в нестабильном режиме, взгляните на внутреннюю схему таймера 555.

Первоначально, когда микросхема таймера 555 сбрасывается, ее выход низкий. Это включит внутренний транзистор, который обеспечит путь разряда конденсатора через R2.

Когда напряжение конденсатора падает ниже 1/3 В _CC , выход становится ВЫСОКИМ, а транзистор выключается. Это заставит конденсатор заряжаться через R1 и R2.Когда напряжение конденсатора поднимается выше 2/3 В _CC , выходной сигнал становится НИЗКИМ, и цикл продолжается.

На следующем изображении показано соотношение между напряжением конденсатора и выходным напряжением.

По сути, значения R1, R2 и C будут определять продолжительность, в течение которой выходной сигнал будет ВЫСОКИМ или НИЗКИМ.

Рабочий цикл

Думаю, вы понимаете, куда мы движемся с вышеприведенным объяснением. Поскольку длительность ВЫСОКОГО или НИЗКОГО выходного сигнала зависит от времени зарядки и разрядки конденсатора, мы можем контролировать рабочий цикл и частоту выходного импульса.

В учебном пособии «Нестабильный режим» я получил все значения, связанные с синхронизацией и частотой. Я просто напишу здесь окончательные значения.

T _ВКЛ = 0,693 * (R1 + R2) * C

T _ВЫКЛ = 0,693 * R2 x C

Период T = T _ON + T _OFF = 0,693 * (R1 + 2 * R2) * C

Частота F = 1 / T = 1,44 / ((R1 + 2R2) * C) Гц

В следующей таблице показаны некоторые общие значения для R1, R2 и C и соответствующая частота.

Генерация ШИМ таймера 555

Из приведенной выше принципиальной схемы таймера 555 в нестабильном режиме видно, что конденсатор заряжается через R1 и R2, в то время как он разряжается только через R2.

Следовательно, если мы заменим R2 на потенциометр, мы сможем контролировать зарядку и разрядку конденсатора и, по сути, рабочий цикл сигнала ШИМ.

Я выбрал R1 как резистор 1 кОм, R2 как потенциометр 10 кОм и C как конденсатор 10 нФ (0,01 мкФ).Кроме того, я добавил два диода с быстрой коммутацией, один в цепи зарядки, а другой — в цепи разряда.

Принципиальная схема

На следующем рисунке показана принципиальная схема генератора 555 Timer PWM.

Принципиальная схема для генерации ШИМ с таймером 555

Требуемые компоненты

• 555 Таймер IC
• Резистор 1 кОм
• Потенциометр 10 кОм
• 2 конденсатора 10 нФ (0,01 мкФ)
• 1N4148 Быстрый переключающий диод x 2
• Резистор 470 Ом
• светодиод
• Макет
• Блок питания 12 В
• Соединительные провода

Работа генератора 555 Таймер ШИМ

ПРИМЕЧАНИЕ: Вместо резистора 1 кОм для R1 я подключил последовательно два резистора 470 Ом.Кроме того, я не подключал конденсатор 10 нФ между выводом 5 микросхемы 555 IC и GND.

Перед пониманием работы схемы генерации ШИМ с таймером 555, если вы хотите рассчитать рабочий цикл и частоту ШИМ-сигнала на основе выбранных компонентов, вы можете использовать вышеупомянутые формулы.

Теперь, продолжая работу, конденсатор заряжается через R1, D2 и правую сторону R2 и разряжается через левую сторону R2 и D1. Итак, перемещая дворник потенциометра, мы контролируем время зарядки и разрядки конденсатора.

Поскольку зарядка и разрядка конденсатора напрямую связаны с длительностью включения и выключения выходного импульса, мы можем легко изменить рабочий цикл сигнала ШИМ.

Заключение

Здесь демонстрируется простой проект для генерации ШИМ-сигнала с использованием микросхемы таймера 555. Чтобы показать результат, я использовал светодиод в качестве устройства вывода. Вы можете легко изменить приведенную выше схему для управления скоростью двигателя постоянного тока.

Как сгенерировать ШИМ с помощью IC 555 (изучено 2 метода)

IC 555 — чрезвычайно полезное и универсальное устройство, которое можно применять для настройки многих полезных схем в области электроники.Одна очень полезная особенность этой ИС — ее способность генерировать импульсы ШИМ, размеры которых можно изменять или обрабатывать в соответствии с потребностями приложения или схемы. Что такое ШИМ?

В основном ШИМ используется для определения размеров или подстройки выходного напряжения или мощности конкретной нагрузки в соответствии с индивидуальными требованиями или требованиями приложения.

Это цифровой способ управления мощностью, который более эффективен, чем аналоговые или линейные методы.
Существует множество примеров, иллюстрирующих эффективное использование ШИМ для управления заданными параметрами.

Он используется для управления скоростью двигателей постоянного тока, в инверторах для управления среднеквадратичным значением выходного переменного тока или для создания модифицированных выходных синусоидальных сигналов.

Его также можно увидеть в источниках питания SMPS для точного регулирования выходного напряжения.
Он также применяется в схемах драйверов светодиодов для включения функции диммирования светодиода.

Он широко используется в топологиях понижающего / повышающего напряжения для получения повышенных или пониженных напряжений без использования громоздких трансформаторов.

Таким образом, в основном его можно использовать для настройки выходного параметра в соответствии с нашими собственными предпочтениями.

Означает ли это, что при таком большом количестве интересных вариантов применения этот метод может быть слишком сложным или дорогостоящим в настройке?

Однозначно нет. Фактически, это может быть очень просто реализовано с использованием одной микросхемы LM555.

Существует два основных способа использования IC 555 для генерации выходного сигнала широтно-импульсной модуляции.В первом методе используется только одна микросхема IC 555 и несколько связанных частей, таких как диоды, потенциометр и конденсатор. Второй метод заключается в использовании стандартной моностабильной конфигурации IC 555 и использовании внешнего сигнала модуляции.

IC 555 PWM с использованием диодов

Первый метод является наиболее простым и эффективным, в котором используется конфигурация, показанная ниже:

Видео демонстрация

Работа двух диодных схем IC 555 PWM довольно просто.Фактически, это стандартный нестабильный мультивибратор, за исключением независимого управления периодом включения / выключения выхода.

Как мы знаем, время включения схемы ШИМ IC 555 определяется временем, затрачиваемым ее конденсатором на зарядку на уровне 2/3 напряжения постоянного тока через резистор на контакте № 7, а время выключения определяется временем разряда конденсатора. конденсатор ниже 1/3 Vcc через сам вывод №7.

В приведенной выше простой схеме ШИМ эти два параметра могут быть независимо установлены или зафиксированы с помощью потенциометра и пары бифуркационных диодов.

Левосторонний диод, катод которого подключен к выводу № 7, разделяет время выключения, в то время как правый диод, анод которого подсоединен к выводу № 7, разделяет время включения выхода ИС.

Когда ползунок потенциометра находится ближе к левому диоду, это вызывает уменьшение времени разряда из-за более низкого сопротивления на пути разряда конденсатора. Это приводит к увеличению времени включения и уменьшению времени выключения IC PWM.

И наоборот, когда ползунок потенциометра находится ближе к правому диоду, это вызывает уменьшение времени включения из-за уменьшения сопротивления потенциометра на пути зарядки конденсатора.Это приводит к увеличению периода выключения и уменьшению периодов включения выходных ШИМ ИС.

2) IC 555 PWM с использованием внешней модуляции

Второй метод немного сложнее, чем описанный выше, и требует внешнего переменного постоянного тока на выводе № 5 (управляющий вход) IC для реализации пропорционально изменяющейся ширины импульса на выходе IC. .

Давайте изучим следующую простую конфигурацию схемы:

Распиновка IC 555

На схеме показана IC 555, подключенная к простому моностабильному режиму мультивибратора.Мы знаем, что в этом режиме ИС может генерировать положительный импульс на выводе №3 в ответ на каждый отрицательный сигнал запуска на выводе №2.

Импульс на выводе №3 сохраняется в течение некоторого заданного периода времени в зависимости от значений Ra и C. Мы также можем видеть, что выводы №2 и №5 назначены как входы синхронизации и модуляции соответственно.

Выходной сигнал берется с обычного контакта №3 микросхемы.

В приведенной выше простой конфигурации IC 555 полностью настроен для генерации требуемых импульсов ШИМ, ему просто требуется прямоугольный импульс или тактовый вход на его выводе # 2, который определяет выходную частоту, и переменный вход напряжения на выводе # 5, амплитуда или уровень напряжения которого определяют ширину импульса на выходе.

Импульсы на выводе №2 генерируют соответственно чередующиеся треугольные волны на выводах №6 / 7 ИС, ширина которых определяется компонентами синхронизации RA и C.

Эта треугольная волна сравнивается с мгновенной мерой напряжения, приложенного к выводу №5, для измерения импульсов ШИМ на выходе вывода №3.

Проще говоря, нам просто нужно подать последовательность импульсов на вывод №2 и переменное напряжение на выводе №5 для достижения требуемых импульсов ШИМ на выводе №3 ИС.

Амплитуда напряжения на выводе № 5 будет непосредственно отвечать за усиление или ослабление выходных импульсов ШИМ, или просто толще или тоньше.

Напряжение модуляции может быть очень слабым сигналом, но оно даст желаемые результаты.

Например, предположим, что мы подаем прямоугольный сигнал частотой 50 Гц на вывод № 2 и постоянное напряжение 12 В на вывод № 5, результат на выходе будет показывать ШИМ со среднеквадратичным значением 12 В и частотой 50 Гц.

Для уменьшения среднеквадратичного значения нам просто нужно понизить напряжение на выводе №5. Если мы изменим его, результатом будет переменная ШИМ с различными значениями RMS.

Если это изменяющееся среднеквадратичное значение применяется к каскаду драйвера МОП-транзистора на выходе, любая нагрузка, поддерживаемая МОП-транзистором, также будет реагировать с соответствующим изменением высоких и низких результатов.

Если двигатель подключен к МОП-транзистору, он будет реагировать с различной скоростью, лампа с различной интенсивностью света, а инвертор с модифицированными эквивалентами синусоидальной волны.

Форма выходного сигнала

Вышеупомянутое обсуждение можно увидеть и проверить на приведенной ниже иллюстрации формы сигнала:

Самая верхняя форма волны представляет собой напряжение модуляции на выводе 5, выпуклость в форме волны представляет возрастающее напряжение и наоборот.

Вторая осциллограмма представляет собой равномерный тактовый импульс, приложенный к выводу №2.Это просто для того, чтобы позволить ИС переключаться на определенной частоте, без которой ИС не смогла бы работать как устройство генератора ШИМ.

Третья осциллограмма отображает фактическую генерацию ШИМ на выводе №3, мы видим, что ширина импульсов прямо пропорциональна сигналу верхней модуляции.

Ширина импульса, соответствующая «выпуклости», может быть значительно шире и близко расположенна, которая пропорционально становится тоньше и разреженной с падением уровня напряжения модуляции.

Вышеупомянутая концепция может быть очень легко и эффективно применена в приложениях управления мощностью, как обсуждалось ранее в вышеупомянутой статье.