Электроника:Эксперименты/Аналоговые интегральные схемы/ШИМ-контроллер мощности

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


ШИМ-контроллер мощности[1]

Оборудование и материалы

Ссылки по теме

Цели эксперимента

Проиллюстрировать, как …

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: ШИМ-контроллер мощности.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: ШИМ-контроллер мощности.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: ШИМ-контроллер мощности.
Рис. 2. Иллюстрация: ШИМ-контроллер мощности.

Ход эксперимента

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

Затем этот сигнал с переменным рабочим циклом управляет базой силового транзистора, включая/выключая ток через нагрузку. Частота колебаний 555 намного выше, чем способность нити накала лампы к тепловому циклу (нагреву и охлаждению), поэтому любое изменение рабочего цикла или ширины импульса влияет на контроль общей мощности, рассеиваемой нагрузкой с течением времени.

Рис. 3. Изменение рабочего цикла или ширины импульса влияет на контроль общей мощности.
Рис. 3. Изменение рабочего цикла или ширины импульса влияет на контроль общей мощности.

Управление электроэнергией через нагрузку посредством быстрого включения/выключения и изменения времени «включения» известно как широтно-импульсная модуляция или сокращённо ШИМ. Это очень эффективное средство управления электрической мощностью, потому что управляющий элемент (мощный транзистор) рассеивает сравнительно небольшую мощность при включении и выключении, особенно по сравнению с мощностью, рассеиваемой реостатом в аналогичной ситуации. Когда транзистор находится в состоянии отсечки, его рассеиваемая мощность равна нулю, поскольку через него не течёт ток.

Когда транзистор насыщен, его рассеяние очень мало, потому что между коллектором и эмиттером падает небольшое напряжение, пока он проводит ток. ШИМ – это концепция, которую проще понять на собственном опыте, чем при чтении описания эксперимента. Было бы неплохо просмотреть напряжение конденсатора, напряжение потенциометра и выходные сигналы операционного усилителя на одном (с тремя дорожками) осциллографе, чтобы увидеть, как они соотносятся друг с другом и с мощностью нагрузки. Однако у большинства из нас нет доступа к осциллографу с тремя трассами, не говоря уже о каком-либо осциллографе вообще, поэтому альтернативным методом является замедление генератора 555 настолько, чтобы три напряжения можно было сравнить с простым вольтметром постоянного тока.

Замените конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ на конденсатор ёмкостью 100 мкФ или больше. Это снизит частоту генерации как минимум в тысячу раз, что позволит вам измерить напряжение на конденсаторе, медленно возрастающее с течением времени, и переход выходного сигнала операционного усилителя с «высокого» на «низкий» уровень, когда напряжение на конденсаторе превысит напряжение потенциометра. При такой медленной частоте колебаний мощность нагрузки не будет пропорциональна, как раньше.

Вместо этого лампа будет включаться и выключаться через равные промежутки времени. Не стесняйтесь экспериментировать с другими значениями конденсатора или резистора, чтобы ускорить колебания настолько, чтобы лампа никогда полностью не включалась и не выключалась, а была «дросселирована» быстрыми импульсами включения и выключения транзистора.

Изучив схему, вы заметите, что два операционных усилителя подключены параллельно. Это делается для того, чтобы обеспечить максимальный выходной ток на вывод базы силового транзистора. Один операционный усилитель (половина микросхемы 1458) может быть не в состоянии обеспечить достаточный выходной ток для насыщения транзистора, поэтому два операционных усилителя используются в тандеме.

Это следует делать только в том случае, если рассматриваемые операционные усилители защищены от перегрузки, каковыми являются операционные усилители серии 1458. В противном случае возможно (хотя и маловероятно), что один операционный усилитель может включиться раньше другого, что приведёт к повреждению из-за короткого замыкания двух выходов (одновременно на одном будет «высокий» уровень, а на другом — «низкий»). Встроенная защита от короткого замыкания, предлагаемая 1458, позволяет напрямую управлять базой силового транзистора без необходимости использования токоограничивающего резистора.

Три последовательно соединённых диода, соединяющие выходы операционных усилителей с базой транзистора, предназначены для сброса напряжения и обеспечения отключения транзистора, когда выходы операционных усилителей становятся «низкими». Поскольку операционный усилитель 1458 не может полностью качнуть своё выходное напряжение до потенциала «земли», а только в пределах примерно 2 вольт от «земли», прямое подключение операционного усилителя к транзистору означало бы, что транзистор никогда полностью не выключится. Последовательное добавление трёх кремниевых диодов падает примерно на 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 аудио детектор, поскольку потенциометр настраивается по всему диапазону его движения. Регулировка потенциометра не влияет на частоту сигнала, но сильно влияет на рабочий цикл. Обратите внимание на разницу в качестве тона или тембре, поскольку потенциометр изменяет рабочий цикл от 0% до 50% и до 100%. Изменение рабочего цикла приводит к изменению гармонического содержания формы волны, что приводит к другому звучанию тона.

Вы можете заметить особую уникальность звука, слышимого через наушники детектора, когда потенциометр находится в центральном положении (50% рабочего цикла – 50% мощности нагрузки), по сравнению с некоторым сходством звука чуть выше или ниже 50% рабочего цикла. Это связано с отсутствием или наличием гармоник с чётными номерами. Любая форма волны, симметричная выше и ниже её центральной линии, например прямоугольная волна с коэффициентом заполнения 50%, не содержит гармоник с чётными номерами, а только с нечётными.

Если рабочий цикл ниже или выше 50%, форма волны не будет демонстрировать эту симметрию, и будут гармоники с чётными номерами. Присутствие этих гармонических частот с чётными номерами может быть обнаружено человеческим ухом, поскольку некоторые из них соответствуют октавам основной частоты и, таким образом, более естественно «вписываются» в тональную схему.

См.также

Внешние ссылки