Схема линейного ШИМ-контроллера (регулятора мощности) на логическом элементе CD4069
Простой ШИМ регулятор мощности – преобразователь входного напряжения в
длительность (скважность) без использования специализированных микросхем
Чем больше длительность импульса – тем выше действующее (эффективное) значение выходного напряжения, а соответственно, и мощность, поступающая в нагрузку.
Управление длительностью импульсов в ШИМ-регуляторах можно производить как при помощи переменного резистора, так и посредством подачи на управляющий вход
регулирующего напряжения, причём зависимость преобразования (в большинстве случаев) желательно иметь линейной.
И если в первом случае никаких сложностей с поиском схемотехнических решений таких преобразователей не возникает, то во втором – источники, как правило, отсылают
нас к применению специализированных ИМС ШИМ-контроллеров.
Ликвидируем данный пробел в информации, изобразив схему простого линейного ШИМ-контроллера – регулятора мощности, выполненного всего на одном элементе
базовой КМОП логики.
Рис.1 Схема линейного ШИМ-контроллера и регулятора мощности на логическом элементе
Контроллер выполнен на логическом элементе CD4069 (К561ЛН5), содержащем внутри себя 6 инверторов стандартной КМОП логики. Диапазон напряжений питания микросхемы: +3…15V, корпус – DIP-14/SO-14.
Триггер Щмитта (на DD1.1, DD1.2) и интегратор (DD1.3) образуют генератор треугольного напряжения с выходной амплитудой ~ ±Еп/4. Подстроечный резистор
R2 позволяет установить точное значение этой амплитуды.
При указанных на схеме номиналах элементов частота колебаний генератора составляет около 10 кГц.
Вентили DD1.4 и DD1.5 образуют компаратор с напряжением срабатывания ~ ±Еп/2. С одной стороны на вход этого компаратора поступает переменное напряжение
генератора треугольной формы, с другой – напряжение, идущее через резистор R5 с управляющего входа ШИМ-контроллера (Евх).
Номиналы резисторов R5 и R6
подобраны таким образом, чтобы при нулевом напряжении на управляющем входе компаратор находился на грани срабатывания, т. е. длительность импульсного
сигнала на 10 выводе CD4069 имела минимальную длительность, близкую к нулю.
Проиллюстрируем работу ШИМ-регулятора диаграммами:
Рис.2 Диаграммы, поясняющие работу ШИМ-контроллера при Еп = 10 В
Как можно увидеть, при Евх = 0 длительность выходных импульсов минимальна (практически равна нулю), скважность максимальна (стремится к ∞) – мощность в нагрузку не поступает.
При Евх ≈ 0,66Еп длительность выходных импульсов максимальна и практически равна периоду колебаний генератора, скважность минимальна (близка к 1) – вся мощность от источника питания без ослабления поступает в нагрузку.
Поскольку ШИМ-регулятор осуществляет линейное преобразование, то и длительность выходных импульсов в промежуточных точках линейно зависит от значения подаваемого
на управляющий вход напряжения, т.
е. при Евх = 0,33Еп длительность равна половине периода колебаний, а скважность рана 2 (меандр).
Посредством импульсов, сформированных на выходе DD1.6 (12 вывод), можно осуществлять инверсную регулировку ШИМ, то есть при нулевом напряжении на управляющем входе мощность в нагрузке будет максимальной.
Цепь на транзисторах VT1…VT3, изображённая на Рис.1, предназначена для управления мощной нагрузкой. При подобном построении мощность нагрузки
ограничена лишь параметрами выходного транзистора VT3 и может составлять многие сотни ватт. При этом верхний (по схеме) вывод нагрузки никто не мешает
подключить и к отдельному источнику питания с любым (допустимым для выходного транзистора) значением напряжения.
Если напряжение питания ШИМ-контроллера ниже 8…9 вольт, то выходной транзистор желательно выбирать из числа MOSFET-ов с низким напряжением отсечки.
Настройка контроллера сводится к установке подстроечного резистора в положение, при котором при нулевом напряжении на управляющем входе, длительность выходных импульсов будет минимальной, но всё ж таки возможной для визуальной фиксации на осциллографе.
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:
- Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме. – Электроника, 1977, №13, С.55.
- Генераторы на элементах КМОП. – Схемотехника, 2007, №6, С.37.
[Analog Devices Wiki]
Эта версия (27 января 2021 г., 22:41) была одобрена Робином Гетцем. Доступна ранее утвержденная версия (3 января 2021 г.
, 22:21).
Содержание
Действие: широтно-импульсная модуляция
Объектив
Материалы
Модулятор ширины импульса — принцип работы
Настройка оборудования
Процедура
Управление шириной импульса с использованием напряжения модуляции постоянного тока
Фон
Настройка оборудования
Процедура
Фиксированный 50% ШИМ с нестабильным мультивибратором
Фон
Настройка оборудования
Процедура
Дополнительная активность
Настройка оборудования
Процедура
Дальнейшее развитие с лабораторией
Дополнительная литература
Объектив
В этой лаборатории мы изучаем 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, определяющих его поведение: коэффициент заполнения и частота.
Он используется при передаче информации путем кодирования сообщения в пульсирующий сигнал, а также для управления мощностью электронных устройств, таких как двигатели, и в качестве основного алгоритма для зарядных устройств фотоэлектрических солнечных батарей.
Рабочий цикл описывает количество времени, в течение которого сигнал находится в высоком (включенном) состоянии, в процентах от общего времени, необходимого для завершения одного цикла.
На следующей диаграмме показаны последовательности импульсов при рабочем цикле 0 %, 25 % и 100 %.
Частота определяет, как быстро ШИМ завершает цикл и, следовательно, как быстро он переключается между высоким и низким состояниями.
При изменении цифрового сигнала с достаточно высокой скоростью и с определенным рабочим циклом выход будет вести себя как аналоговый сигнал с постоянным напряжением при подаче питания на устройства, которые реагируют намного медленнее, чем частота ШИМ, например, звуковые динамики, электродвигатели и электромагнитные приводы.
Материалы
Активный обучающий модуль 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. При быстром переключении выходного напряжения ветви инвертора между верхним и нижним напряжениями шины постоянного тока низкочастотный выход можно рассматривать как среднее значение напряжения за период переключения.
Кроме того, существует несколько других способов генерации сигналов с широтно-импульсной модуляцией, включая аналоговые методы, сигма-дельта модуляцию и прямой цифровой синтез.
Один из простейших методов генерации ШИМ-сигнала состоит в сравнении двух управляющих сигналов, несущего сигнала и сигнала модуляции. Это известно как PWM на основе несущей. Несущий сигнал представляет собой высокочастотный сигнал (частота переключения) треугольной формы.
Сигнал модуляции может быть любой формы.
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 высокому уровню выходного сигнала в течение большей части периода ШИМ.
Настройка оборудования
Соберите следующую макетную схему для широтно-импульсной модуляции.
Рис. 2. Принцип работы ШИМ — макетная схема
Процедура
Используйте первый генератор сигналов в качестве несущего сигнала, обеспечивающего возбуждение цепи треугольной волной с амплитудой 4 В от пика до пика, смещением 2,5 В, частотой 1 кГц и частотой 90 157.
Используйте второй генератор сигналов в качестве сигнала модуляции с амплитудой 3 В от пика до пика, смещением 2,5 В, синусоидой 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 – несущий сигнал, фиолетовый – сигнал модуляции).
Рисунок 3. Входные сигналы
График выходного сигнала на канале 2 осциллографа представлен на рисунке 4.
Рисунок 4. Выход ШИМ
Если мгновенная величина сигнала модуляции больше, чем сигнал несущей в момент времени, выходной сигнал будет высоким. Если сигнал модуляции ниже, чем сигнал несущей, выходной сигнал будет низким.
Если пик модуляции меньше пика несущего сигнала, выходным сигналом будет точное ШИМ-представление сигнала модуляции. Редактировать
Регулирование ширины импульса с помощью модуляции постоянного напряжения
Фон
Для этого конкретного приложения мы будем использовать простой операционный усилитель в конфигурации режима переключения (подробности см.
в разделе Упражнение: Операционный усилитель в качестве компаратора), чтобы продемонстрировать широтно-импульсную модуляцию постоянного напряжения.
Рассмотрим схему на рисунке 5.
Рис. 5. Управление длительностью импульса с использованием напряжения модуляции постоянного тока.
Схема работает как простой компаратор, где отрицательный вход операционного усилителя подключен к несущей, в то время как положительный вход действует как пороговое напряжение, которое устанавливается, когда происходят переходы между выходом высокого напряжения и выходом низкого напряжения. Потенциометр действует как делитель входного опорного напряжения, регулируя пороговое напряжение и неявно коэффициент заполнения выходного сигнала.
Настройка оборудования
Создайте следующую макетную схему для управления шириной импульса с использованием напряжения модуляции постоянного тока.
Рис. 6. Управление длительностью импульса с использованием напряжения модуляции постоянного тока — макетная схема
Процедура
Используйте первый генератор сигналов в качестве источника Vin, чтобы обеспечить возбуждение цепи треугольной волной с амплитудой 5 В и частотой 1 90 156 кГц 90 157.
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 график представлен на рисунке 7.
Рис. 7. Управление длительностью импульса с использованием напряжения модуляции постоянного тока — осциллограммы
Выходной сигнал представляет собой ШИМ-представление входного напряжения. Обратите внимание, что при изменении значения потенциометра рабочий цикл сигнала изменяется, а частота остается постоянной.
Фиксированный 50% ШИМ с нестабильным мультивибратором
Фон
Рассмотрим схему на рисунке 8.
Рис. 8. ШИМ с нестабильным мультивибратором
На схеме показан нестабильный мультивибратор с использованием одного операционного усилителя. Функциональность легко понять, если рассмотреть принцип работы триггера Шмитта (схема компаратора с гистерезисом, изученная в разделе Упражнение: Операционный усилитель в качестве компаратора):
Вход триггера Шмитта, идентичный инвертирующему входу операционного усилителя, соединен с выходом схемы через резисторно-конденсаторную сеть.
Пока 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 до тех пор, пока напряжение на этих устройствах не достигнет нижнего порога триггера Шмитта. Выходное напряжение операционного усилителя устанавливается на положительное напряжение питания, и весь процесс начинается снова.
Преимущество этой схемы в том, что она не требует M2K для генерации несущей (но рабочий цикл фиксируется на уровне 50%).
Настройка оборудования
Соберите следующую макетную схему для ШИМ с нестабильным мультивибратором.
Рис. 9. ШИМ с макетной схемой нестабильного мультивибратора
Процедура
Подайте на схему +/-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.
Рис. 10. ШИМ с нестабильным выходным сигналом мультивибратора.
Обратите внимание, что рабочий цикл выходного сигнала составляет приблизительно около 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%, используя нестабильные мультивибраторы. Но как мы можем настроить рабочий цикл? Для этого нам нужно будет немного изменить схему.
Рассмотрим схему, представленную на рисунке 11.
Рисунок 11. Настройка рабочего цикла для ШИМ с мультивибратором
Резистор R 3 на рисунке 8 был заменен потенциометром и вставлены два диода. Теперь зарядный ток конденсатора протекает через D 1 , а ток разряда — через D 2 .
В зависимости от настройки потенциометра ВР 1 сопротивление зарядного тока, протекающего по верхней ветви цепи, отличается от сопротивления тока разрядки, протекающего по нижней ветви.
Настройка оборудования
Соберите следующую макетную схему для регулировки рабочего цикла ШИМ с мультивибраторами.
Рис. 12. Настройка рабочего цикла для ШИМ с помощью макетной платы мультивибратора.
Процедура
Подайте на схему +/-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.
Рис. 13. Настройка коэффициента заполнения для ШИМ с сигналами нестабильного мультивибратора.
В этом примере рабочий цикл был установлен примерно на 25%.
Всякий раз, когда изменяется рабочий цикл, неизбежно небольшое изменение частоты переключения, потому что две цепи связи на инвертирующем и неинвертирующем входе подключены к выходу операционного усилителя.
Дальнейшее развитие с лабораторией
Все действия в этой лаборатории основаны на простом операционном усилителе (OP97), сконфигурированном как компаратор. В комплект деталей ADALP2000 также входит компаратор AD8561, предназначенный только для этой цели. Следовательно, производительность цепей ШИМ может быть увеличена за счет использования этой детали.
Соберите описанные выше схемы, используя AD8561 из комплекта деталей, и обсудите любые заметные изменения поведения схемы и входных/выходных сигналов.
Ресурсы лаборатории:
Fritzing файлы: pwm_lab_bb
Файлы LTspice: pwm_lab_ltspice
Дополнительная литература
Некоторые дополнительные ресурсы:
Широтно-импульсная модуляция
Действие: широтно-импульсная модуляция
Почему и как контролировать скорость вращения вентилятора для охлаждения электронного оборудования
Вернуться к лабораторной работе Оглавление
университет/курсы/электроника/электроника-лаборатория-импульсная широтно-импульсная модуляция.
txt · Последнее изменение: 27 января 2021 г., 22:36, Robin Getz назад от Ayesha Khan
Введение:
Метод, который используется для снижения средней мощности путем разделения входной электрической мощности на дискретные значения, называется широтно-импульсной модуляцией или широтно-импульсной модуляцией. ШИМ — это современная цифровая технология, которая с помощью цифровых сигналов производит аналоговые сигналы. Выход представляет собой непрерывный сигнал прямоугольной формы, генерируемый быстрой сменой состояний ВКЛ и ВЫКЛ. Поведение выходного сигнала определяется его частотой и рабочим циклом.
Рабочий цикл ШИМ: это отношение периода времени, в течение которого сигнал находится в состоянии ВКЛ, к общему времени прохождения сигнала для завершения одного цикла, называется рабочим циклом. Рабочий цикл в процентах указывает, сколько времени сигнал находится в ВЫСОКОМ состоянии, а в остальное время он остается в НИЗКОМ состоянии.
Частота ШИМ: Частота обратно пропорциональна периоду времени. Общее количество повторений периода в единицу времени называется частотой и говорит о скорости переключения состояний ВКЛ и ВЫКЛ. Цифровой сигнал ведет себя как аналоговый, постоянно включая и выключая его.
Buy From Amazon
Hardware Components
The following components are required to make PWM Circuit
| S. No | Components | Value | Quantity |
|---|---|---|---|
| 1. | 555 timer IC | 1 | |
| 2. | Resistor | 10KΩ, 220KΩ | 2, 1 |
| 3. | Battery | 9V | 1 |
4. | Variable Resistor | 100KΩ | 1 |
| 5. | Capacitor | 47nF, 10nF | 1 |
| 6. | Diode | 1N4007 | 2 |
| 7. | Светодиод | 1 |
NE555 Распиновка
Для получения подробного описания схемы выводов, размеров и технических характеристик загрузите техническое описание 555 Timer
Схема ШИМ
Конструкция и работа:
В качестве основного компонента в этой схеме используется микросхема таймера 555, она настроена на режим нестабильного мультивибратора .
Амплитуда входного сигнала зависит от ширины импульса, генерируемого на выходе. При наибольшем значении амплитуды достигается максимальный уровень скважности импульса, а при наименьшем значении амплитуды скважность снижается до минимального значения. Схема выдает непрерывный прямоугольный импульс. Переменный резистор используется для изменения выходной частоты ШИМ-регулятора.
Ширина импульса изменяется в зависимости от амплитуды входного сигнала. Следовательно, когда амплитуда максимальна, рабочий цикл достигает максимального уровня, и наоборот. На рисунке ниже показан график зависимости амплитуды от времени.
Применение:
ШИМ — это современная технология, используемая во многих приложениях, включая:
- Широтно-импульсная модуляция используется в системах связи для кодирования сигналов.
- ШИМ-контроллеры используются для управления яркостью светодиода.
- Регулировка напряжения — это функция ШИМ, которая помогает контролировать скорость двигателей, используемых в промышленности.
