PWM контроллер мощности: сборка драйвера лампы с пульсирующей шириной модуляции

Детали и материалы

• Четыре 6-вольтовые батареи
• 100 мкФ электролитический конденсатор, 35 WVDC (например, Radio Shack #272-1028)
• 0,1 мкФ неполярный конденсатор (Radio Shack #272-135)
• Таймер 555 (Radio Shack #276-1723)
• Двойной операционный усилитель 1458 (Radio Shack #276-038)
• NPN силовой транзистор (Radio Shack #276-2041 или эквивалент)
• Три выпрямительных диода 1N4001 (Radio Shack #276-1101)
• 10 кОм линейный потенциометр (Radio Shack #271-1715)
• 33 кОм резистор
• 12-вольтовый автомобильный задний фонарь
• Аудио детектор с наушниками

Перекрестные ссылки

• Lessons In Electric Circuits, Vol. 3, Chap. 8: «Операционные усилители»
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 2, Chap. 7: «Смешанные частотные AC сигналы»

Обучающие цели

• Демонстрация таймера 555 как астабильного мультивибратора
• Использование оп-амп как компаратора
• Применение диодов для сброса нежелательного DC напряжения
• Управление мощностью нагрузки через пульсирующую ширину модуляции (PWM)

Схемотехническая диаграмма

Иллюстрация

Инструкции

Эта схема использует таймер 555 для генерации пилообразного напряжения на конденсаторе. Напряжение конденсатора сравнивается с опорным напряжением от потенциометра операционным усилителем-компаратором. Квадрюрная выходная компаратора, чей коэффициент заполнения варьируется с потенциометром, управляет базой силового транзистора. Транзистор быстро включает и выключает 12-В лампу, поэтому средняя мощность лампы пропорциональна коэффициенту заполнения.

Концепция PWM опирается на низкое рассеивание мощности транзистором в отсеченном состоянии (нет тока) и в насыщении (минимальное падение напряжения). По сравнению с реостатом, PWM достигает точного, энергоэффективного управления мощностью.

Для наблюдения соотношений волновых форм без трехлучевого осциллографа замените 0,1 мкФ конденсатор на 100 мкФ. Это замедляет частоту 555 примерно в 1000 раз, позволяя вольтметру постоянного тока отслеживать подъем конденсатора и переход оп-амп. Лампа тогда будет заметно включаться и выключаться с низкой скоростью; это демонстрирует базовый механизм PWM.

Два идентичных оп-амп соединены параллельно для обеспечения необходимого тока в базу транзистора. Серия 1458 предлагает защиту от короткого замыкания, предотвращая повреждение, если один усилитель начинает драйвить высоко, пока другой драйвит низко. Три кремниевых диода в серии падают ~2,1 В, гарантируя, что транзистор полностью отключается, когда выход оп-амп низок, так как 1458 не может достичь точно нуля.

Прослушивание выхода оп-амп через наушники при регулировке потенциометра раскрывает, как коэффициент заполнения формирует гармоническое содержимое. При 50% коэффициенте заполнения волновая форма — идеальная прямоугольная волна с только нечетными гармониками, производящая отдельный тональный качества. Отклонение от 50% вводит четные гармоники, тонко меняя звук.

Связанный рабочий лист

• Рабочий лист модуляции сигнала