Контроллер мощности ШИМ

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Четыре батареи по 6 вольт.
• Один конденсатор, электролитический 100 мкФ, 35 Вт постоянного тока (каталог Radio Shack № 272-1028 или аналог)
• Один конденсатор, 0,1 мкФ, неполяризованный (каталог Radio Shack № 272-135)
• Одна микросхема таймера 555 (каталог Radio Shack № 276-1723)
• Двойной операционный усилитель, рекомендуется модель 1458 (каталог Radio Shack № 276-038)
• Один силовой транзистор NPN (каталог Radio Shack № 276-2041 или аналог).
• Три выпрямительных диода 1N4001 (каталог Radio Shack № 276-1101)
• Один потенциометр 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715).
• Один резистор 33 кОм.
• Автомобильная задняя фара на 12 В.
• Детектор звука с наушниками

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 8:«Операционные усилители»

Уроки электрических цепей , Том 2, глава 7:«Сигналы переменного тока смешанной частоты»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Чтобы проиллюстрировать, как использовать таймер 555 в качестве нестабильного мультивибратора.
• Чтобы проиллюстрировать, как использовать операционный усилитель в качестве компаратора.
• Чтобы проиллюстрировать, как использовать диоды для снижения нежелательного постоянного напряжения.
• Чтобы проиллюстрировать, как управлять мощностью нагрузки с помощью широтно-импульсной модуляции.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Эта схема использует таймер 555 для генерации волны пилообразного напряжения на конденсаторе, а затем сравнивает этот сигнал с постоянным напряжением, обеспечиваемым потенциометром, используя операционный усилитель в качестве компаратора. Сравнение этих двух сигналов напряжения дает прямоугольный сигнал на выходе операционного усилителя, рабочий цикл которого изменяется в зависимости от положения потенциометра.

Этот сигнал переменного рабочего цикла затем управляет базой силового транзистора, включая и выключая ток через нагрузку. Частота колебаний модели 555 намного выше, чем способность нити накала лампы к термическому циклу (нагрев и охлаждение), поэтому любое изменение рабочего цикла или ширины импульса , имеет эффект управления общей мощностью, рассеиваемой нагрузкой с течением времени.

Управление подачей электроэнергии через нагрузку путем ее быстрого включения и выключения и изменения времени включения называется широтно-импульсной модуляцией . , или ШИМ . Это очень эффективное средство управления электрической мощностью, поскольку управляющий элемент (силовой транзистор) рассеивает сравнительно небольшую мощность при включении и выключении, особенно по сравнению с потерянной мощностью, рассеиваемой реостатом в аналогичной ситуации. Когда транзистор находится в состоянии отсечки, его рассеиваемая мощность равна нулю, потому что через него нет тока.

Когда транзистор насыщен, его рассеивание очень мало, потому что между коллектором и эмиттером падает небольшое напряжение, пока он проводит ток. ШИМ - это концепция, которую легче понять путем экспериментов, чем чтения. Было бы неплохо просматривать напряжение конденсатора, напряжение потенциометра и формы выходных сигналов операционного усилителя на одном (трехканальном) осциллографе, чтобы увидеть, как они соотносятся друг с другом и с мощностью нагрузки. Однако у большинства из нас нет доступа к тройному осциллографу, а тем более к любому осциллографу вообще, поэтому альтернативный метод - замедлить генератор 555 настолько, чтобы эти три напряжения можно было сравнить с простым вольтметром постоянного тока.>

Замените конденсатор 0,1 мкФ на конденсатор емкостью 100 мкФ или больше. Это снизит частоту колебаний как минимум в тысячу раз, что позволит вам медленно измерять напряжение конденсатора. возрастают со временем, а выходной сигнал операционного усилителя меняется с « высокого "На" низкий " ”, Когда напряжение конденсатора становится больше, чем напряжение потенциометра. При такой низкой частоте колебаний мощность нагрузки не будет пропорциональна, как раньше.

Скорее всего, лампа будет включаться и выключаться через равные промежутки времени. Не стесняйтесь экспериментировать с конденсаторами или резисторами других номиналов, чтобы ускорить колебания, чтобы лампа никогда не включалась и не выключалась полностью, а « дросселировалась . ”Быстрым включением и выключением транзистора.

Когда вы изучите схему, вы заметите два операционные усилители, подключенные параллельно. Это сделано для обеспечения максимального выходного тока на базовом выводе силового транзистора. Один операционный усилитель (половина микросхемы 1458 IC) может быть не в состоянии обеспечить достаточный выходной ток, чтобы довести транзистор до насыщения, поэтому два операционных усилителя используются в тандеме.

Это следует делать только в том случае, если операционные усилители, о которых идет речь, защищены от перегрузки, как это делают операционные усилители серии 1458. В противном случае возможно (хотя и маловероятно), что один операционный усилитель может включиться раньше другого, и повреждение возникнет в результате короткого замыкания двух выходов друг друга (один приводит к « высокому », А другой -« низко " одновременно). Встроенная защита от короткого замыкания, предлагаемая 1458, позволяет напрямую управлять базой силового транзистора без необходимости в токоограничивающем резисторе.

Три последовательно соединенных диода, соединяющие выходы операционных усилителей с базой транзистора, предназначены для падения напряжения и обеспечения отключения транзистора, когда выходы операционных усилителей становятся «низкими». Поскольку операционный усилитель 1458 не может полностью переключать свое выходное напряжение до потенциала земли, а только с точностью до 2 В от земли, прямое соединение операционного усилителя с транзистором означало бы, что транзистор никогда не отключится полностью. Добавление трех последовательно соединенных кремниевых диодов снижает примерно 2,1 В (0,7 В, умноженное на 3), чтобы обеспечить минимальное напряжение на базе транзистора, когда выходы операционного усилителя становятся « низкими . . »

Интересно послушать выходной сигнал операционного усилителя через звуковой детектор, поскольку потенциометр регулируется по всему диапазону движения. Регулировка потенциометра не влияет на частоту сигнала, но сильно влияет на рабочий цикл. Обратите внимание на разницу в качестве тона или тембра , поскольку потенциометр изменяет рабочий цикл от 0% до 50% до 100%. Изменение рабочего цикла приводит к изменению гармонического содержания формы волны, что делает звучание тона другим.

Вы можете заметить особую уникальность звука, слышимого через наушники-детектор, когда потенциометр находится в центральном положении (рабочий цикл 50% - мощность нагрузки 50%), по сравнению с подобием звука чуть выше или ниже 50% рабочего цикла. Это связано с отсутствием или наличием четных гармоник. Любая форма волны, которая является симметричной выше и ниже ее центральной линии, например прямоугольная волна с коэффициентом заполнения 50%, содержит нет гармоники с четными номерами, только с нечетными номерами.

Если рабочий цикл ниже или выше 50%, сигнал не демонстрируют эту симметрию, и будут четные гармоники. Человеческое ухо может уловить присутствие этих четных гармонических частот, поскольку некоторые из них соответствуют октавам . основной частоты и, таким образом, « соответствует »Более естественно в тональную схему.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист модуляции сигнала