Shim na 555 se zpětnou vazbou. Výkonný PWM regulátor

Další elektronické zařízení s širokým uplatněním.
Jedná se o výkonný PWM (PWM) regulátor s plynulým ručním ovládáním. Pracuje při konstantním napětí 10-50V (raději nepřekračujte rozsah 12-40V) a je vhodný pro regulaci výkonu různých spotřebičů (lampy, LED, motory, topidla) s maximálním odběrem proudu 40A.

Odesláno ve standardní polstrované obálce




Pouzdro drží pohromadě pomocí západek, které se snadno zlomí, proto jej otevírejte opatrně.


Uvnitř obvodové desky a vyjmutého knoflíku regulátoru


Plošný spoj je oboustranný sklolaminát, pájení a instalace jsou v pořádku. Připojení přes výkonnou svorkovnici.




Větrací štěrbiny v pouzdře jsou neúčinné, protože... téměř zcela zakryta deskou s plošnými spoji.


Po sestavení to vypadá asi takto


Skutečné rozměry jsou o něco větší než udávané: 123x55x40mm

Schematické schéma zařízení


Deklarovaná frekvence PWM je 12 kHz. Skutečná frekvence se při úpravě výstupního výkonu pohybuje v rozsahu 12-13kHz.
V případě potřeby lze pracovní frekvenci PWM snížit připájením požadovaného kondenzátoru paralelně s C5 (počáteční kapacita 1nF). Není vhodné zvyšovat frekvenci, protože spínací ztráty se zvýší.
Variabilní odpor má vestavěný vypínač v levé krajní poloze, který umožňuje vypnout zařízení. Na desce je také červená LED, která se rozsvítí, když je regulátor v provozu.
Z nějakého důvodu byly značky na čipu řadiče PWM pečlivě vymazány, i když je snadné uhodnout, že jde o analog NE555 :)
Rozsah regulace se blíží udávaným 5-100%
Element CW1 vypadá jako proudový stabilizátor v těle diody, ale nejsem si jistý přesně...
Stejně jako u většiny regulátorů výkonu se regulace provádí přes záporný vodič. Neexistuje žádná ochrana proti zkratu.
Na sestavě mosfetů a diod zpočátku nejsou žádné značky, jsou umístěny na jednotlivých radiátorech s tepelnou pastou.
Regulátor může pracovat na indukční zátěži, protože Na výstupu je sestava ochranných Schottkyho diod, která potlačuje samoindukci EMF.
Test s proudem 20A ukázal, že radiátory se mírně zahřívají a mohou odebírat více, pravděpodobně až 30A. Naměřený celkový odpor otevřených kanálů terénních pracovníků je pouze 0,002 Ohm (pokles 0,04 V při proudu 20 A).
Pokud snížíte frekvenci PWM, vytáhnete všech deklarovaných 40A. Promiň, nemůžu to zkontrolovat...

Integrovaný časový obvod NE555 (domácí analog KR1006VI1) našel široké uplatnění v řídicích zařízeních a zejména v PWM regulátorech otáček pro stejnosměrné motory.

Existuje několik způsobů, jak regulovat rychlost stejnosměrných motorů (DCM):
1. Reostatická regulace.
2. Pulzní regulace.
Použití reostatické regulace rychlosti DPT vede k potřebě instalovat výkonné reostaty, které generují velké množství tepla. Za nejekonomičtější způsob lze považovat PWM řízení rychlosti DFC (obrázek 1).

Obrázek 1.

Základem obvodu řízení otáček pulzního motoru je multivibrátor na bázi časovače NE555. Výše uvedený obvod umožňuje upravit pracovní cyklus impulsů, určený poměrem doby nabíjení a vybíjení kondenzátoru C1.

Kondenzátor C1 se nabíjí přes obvod: +12V - R1 - D1 - levá strana rezistoru P1 - C1 - GND. Obvod vybíjení kondenzátoru:: horní deska C1 - pravá strana rezistoru P1 - D2 - pin 7 časovače - spodní deska C1. Doba nabíjení a vybíjení je dána hodnotou aktivního odporu P1 v obvodu (poloha motoru s proměnným odporem).

Další možnost realizace obvodu řízení otáček stejnosměrného motoru je na obrázku 2. Charakteristickým rysem tohoto obvodu je přítomnost diody D4, která zabraňuje vybití časovacího kondenzátoru přes zátěž (motor).

Obrázek 2

Změna pracovního cyklu řídicího impulsu vede ke změně napětí na kotvě stejnosměrného motoru (obrázek 3).

Obrázek 3

Vzhled PWM regulátoru otáček pro stejnosměrný motor založený na integrovaném čipu časovače NE555 je znázorněn na obrázku 4.

Obrázek 4.

Další možností pro implementaci dříve diskutovaného principu řízení DPT může být následující schéma:

Obrázek 5.

Ve výše uvedeném schématu je tranzistorový spínač připojen ke „kladnému vodiči“ napájecího zdroje. Otevření tranzistoru ve výstupní fázi obvodu bude vyžadovat další zdroj energie. Ve výše uvedeném obvodu jeho funkci plní kondenzátor C1. Otevření tranzistoru VT1 se provádí pouze tehdy, když je tranzistor VT2 otevřen obvodem kondenzátoru C2. Výstupní tranzistor je vypnut, když je jeho hradlo připojeno ke zdroji (tranzistor VT3 je otevřen). Zapínání a vypínání výstupního tranzistoru vede k přemostění optočlenu OP1 a vypnutí/zapnutí zátěže.

Nedávno vyvstala potřeba upravit nabíjecí proud v nabíječce a jak to má v takových případech být, trochu jsem hledal na internetu a našel jednoduché schémaPWM regulátor zapnutý časovač 555.

Tento regulátor PWM je vhodný pro nastavení:

Rychlost motoru

jas LED

Úprava proudu v nabíječce

Obvod funguje perfektně v rozsahu do 16V bez úprav. Tranzistor s efektem pole se při zátěži do 7A prakticky nezahřívá, takže nepotřebuje radiátor.

Můžete použít libovolné diody, kondenzátory přibližně stejné hodnoty jako na schématu. Odchylky v rámci jednoho řádu významně neovlivňují činnost zařízení. Při 4,7 nanofaradách nastavených například v C1 klesne frekvence na 18 kHz, ale není téměř slyšet.

Pokud se po sestavení obvodu klíčový řídicí tranzistor zahřeje, pravděpodobně se zcela neotevře. To znamená, že na tranzistoru je velký úbytek napětí (je částečně otevřený) a protéká jím proud. V důsledku toho se mnoho energie rozptýlí na vytápění. Je vhodné paralelně zapojit obvod na výstupu s velkými kondenzátory, jinak bude zpívat a bude se špatně regulovat. Abyste se vyhnuli pískání, zvolte C1, pískání často pochází právě z něj.

Pokud potřebujete plynule upravit rychlost elektromotoru nebo jas lampy, měli byste se poohlédnout po PWM řízení. PWM je zkratka pro dlouhý a děsivý název „pulse width modulation“. Co je to hrozné jméno, později snadno pochopíte z fotografií obrazovky osciloskopu, ale nyní se podívejme na schéma budoucího zařízení (regulátoru).

Schéma je klasické, najít autora je asi nemožné. V každém případě mu děkujeme za tento spolehlivý, časem prověřený obvod! Srdcem regulátoru je generátor sestavený na zařízení známém pod tuctem jmen. Pro začátek byste měli vzít čip v DIP obalu, je snazší jej připájet na prkénko (například používáme nepájivé prkénko).

Prvky shromažďujeme podle schématu. Ukázalo se něco takového:

Nyní podrobněji o prvcích obvodu:

Kondenzátor C1 je hlavním prvkem, který nastavuje pracovní frekvenci našeho PWM regulátor. V tomto případě jsme nainstalovali kondenzátor o kapacitě 10nF nebo 0,001 μF (na pouzdru označeno číslem 102). V tomto případě bude frekvence generátoru asi 35 kHz. Možná budete muset snížit pracovní frekvenci obvodu, abyste to udělali, musíte ZVÝŠIT kapacitu kondenzátoru C1.

Dioda D3 je potřeba k „resetování“ zpětných indukčních rázů, odkud pocházejí - zatím na to nemyslete, na školní fyziku si vzpomeneme později... Hlavní věc, pozor - dioda musí být Schottky!!! Jednoduchá usměrňovací dioda (ne rychlá) není schopna kvalitního provozu na takových frekvencích a rychle odejde do jiného světa, do křemíkového údolí.

Pokud jde o tranzistor MOSFET... Postačí jakýkoli tranzistor, který vyhovuje vaší aktuální hodnotě. Není třeba zkoušet instalovat tranzistor s pětinásobnou proudovou rezervou, mějte na paměti, že čím výkonnější je mosfet, tím větší je kapacita jeho brány a tím déle trvá nabíjení brány. Při dlouhodobém nabíjení brány tranzistor pracuje v těžkém přechodovém režimu a začíná způsobovat globální oteplování na Zemi, to však rychle končí smrtí tranzistoru. V tomto případě je nutné snížit frekvenci generátoru zvýšením kapacity C1.

Obvod je funkční s napájením od 5 do 18 Voltů pro vyšší napětí je nutné snížit napájecí napětí na čip časovače např. přes integrovaný obvod.

V tomto tutoriálu vám ukážu, jak vytvořit jednoduchý PWM (Pulse Width Modulation) řadič z čipu 555, časovače a některých dalších komponent. Je to velmi jednoduché a obvody NE555 fungují dobře pro ovládání LED, žárovek, servomotorů nebo stejnosměrných motorů.

Můj regulátor 555 PWM může změnit pracovní cyklus pouze z 10% na 90%.

Krok 1: Co je PWM

Pulzní šířková modulace (PWM) signálu nebo napájecího zdroje zahrnuje modulaci jeho pracovního cyklu, aby buď předával informace komunikačním kanálem, nebo řídil odesílaný výkon. Nejjednodušší metoda generování PWM signálu vyžaduje pouze pilový nebo trojúhelníkový průběh (snadno generovaný pomocí jednoduchého oscilátoru) a komparátor.

Když je hodnota referenčního signálu (zelená sinusovka na obrázku 2) větší než modulační signál (modrá), je signál PWM (purpurová) ve vysokém stavu, v opačném případě je v nízkém stavu. Ale v mém PWM nebudu používat komparátor.

Krok 2: Typy PWM

Existují tři typy PWM:

1. Střed zvlnění může být fixován uprostřed časového okna a oba okraje pulzu jsou posunuty, aby se zkrátila nebo rozšířila šířka.
2. Náběžná hrana zvlnění může být ponechána na náběžné hraně časového okna a sestupná hrana bude modulována.
3. Koncová hrana pulzace může být pevná, zatímco náběžná hrana bude modulována.

Tři typy signálů PWM (modrá): modulace náběžné hrany (horní řada), modulace odtokové hrany (střední řada) a střední zvlnění (modulace obou hran, spodní řada). Zelené čáry jsou pilovité signály používané ke generování signálů PWM pomocí metody průniku.

Krok 3: Jak nám může PWM pomoci?

Výživa:
PWM lze použít ke snížení celkového množství energie dodávané do LOAD bez ztrát, které obvykle vznikají při omezování napájení odporovými prostředky. Je to proto, že průměrný dodávaný výkon je úměrný modulačnímu cyklu.

Při dostatečně vysoké modulační rychlosti lze použít pasivní elektronické filtry k vyhlazení sledu pulzů a obnovení průměrného analogového signálu.

Vysokofrekvenční řídicí systémy PWM lze snadno implementovat pomocí polovodičových spínačů. Stavy zapnutí/vypnutí diskrétní modulace se používají k ovládání stavu spínače(ů), které podle toho řídí napětí. Hlavní výhodou tohoto systému je, že spínače jsou buď vypnuté a neprotékají proudem, nebo zapnuté a (v ideálním případě) nemají kolem sebe žádné ztráty napětí. Součin proudu a napětí v libovolném okamžiku určuje výkon, který je odpojen spínačem, takže (v ideálním případě) není ztrátový výkon vůbec žádný.

Ve skutečnosti polovodičové spínače nejsou ideální, ale přesto je možné s nimi postavit vysoce výkonné regulátory.

PWM se také často používá k řízení toku elektrické energie do jiného zařízení, například při ovládání rychlosti elektromotorů, úpravě hlasitosti audio zesilovačů třídy D nebo úpravě jasu světelných zdrojů a mnoha dalších aplikacích výkonové elektroniky. Například stmívače světla pro domácí použití používají nějaký typ PWM řízení.

Domácí stmívače světla obvykle obsahují elektronické obvody, které potlačují proud v určitých částech každého cyklu střídavého síťového napětí. Úprava jasu světla vyzařovaného světelným zdrojem je jednoduše otázkou úpravy napětí (nebo fáze) v cyklu střídavého proudu, ve kterém stmívač začne přivádět elektrický proud do světelného zdroje (například pomocí elektronického spínače, jako je např. triak). V tomto případě je pracovní cyklus PWM určen frekvencí síťového napětí (50 Hz nebo 60 Hz v závislosti na zemi). Tyto poměrně jednoduché typy stmívačů lze efektivně používat s inertními (nebo relativně pomalu reagujícími) světelnými zdroji, jako jsou například žárovky, u kterých dodatečná modulace dodávané elektrické energie způsobená stmívačem způsobuje pouze malé dodatečné změny vyzařované světlo.

Některé jiné světelné zdroje, jako jsou LED, se však zapínají a vypínají velmi rychle a zdá se, že blikají, pokud jsou dodávány s nízkým napětím. Reprodukovatelné efekty blikání z takových zdrojů s rychlou odezvou lze snížit zvýšením spínací frekvence. Pokud jsou kolísání světla dostatečně rychlé, lidský zrakový systém je již nedokáže registrovat a oko vnímá průměrnou intenzitu času bez blikání (viz práh splynutí blikání).

Regulace napětí:
PWM se také používá v účinných regulátorech napětí. Přepnutím napětí na zátěž s příslušným pracovním cyklem se výstup přiblíží napětí na požadovanou úroveň. Spínací šum je obvykle filtrován induktorem a kondenzátorem.

Jedna metoda měří výstupní napětí. Když je pod požadovaným napětím, zapne spínač. Když je výstupní napětí vyšší než požadované napětí, vypne spínač.

Počítačové regulátory otáček ventilátoru obvykle používají PWM, protože je mnohem účinnější než potenciometr.

PWM se někdy používá při syntéze zvuku, zejména v subtraktivní syntéze, protože vytváří zvukový efekt podobný společnému hraní sboru nebo mírně rozladěných oscilátorů. (PWM je ve skutečnosti ekvivalentní rozdílu dvou pilovitých vln.) Vztah mezi vysokou a nízkou úrovní je obvykle modulován nízkofrekvenčním oscilátorem nebo LFO.

Populární se stala nová třída audio zesilovačů na principu PWM. Tyto zesilovače nazývané "zesilovače třídy D" produkují ekvivalent PWM analogového vstupního signálu, který je přiváděn do reproduktoru přes vhodnou síť filtrů, aby zablokoval nosnou a obnovil původní zvukový signál. Tyto zesilovače se vyznačují velmi dobrými hodnotami účinnosti (kolem 90 %) a kompaktními rozměry/nízkou hmotností pro vysoké výstupní výkony.

Historicky byla hrubá forma PWM používána k reprodukci PCM digitálního zvuku na PC reproduktoru, který je schopen produkovat pouze dvě úrovně zvuku. Pečlivým stanovením doby trvání pulsů a spoléháním se na fyzikální filtrační vlastnosti reproduktoru (omezená frekvenční charakteristika, vlastní indukčnost atd.) je možné získat přibližné reprodukce mono PCM vzorků, i když ve velmi nízké kvalitě a s velmi rozdílnými výsledky mezi implementacemi.

V novější době byla představena technika digitálního kódování Digital Stream, která využívá zobecněnou formu modulace šířky pulzu nazývanou modulace hustoty pulzu při dostatečně vysoké vzorkovací frekvenci (typicky v řádu MHz), aby pokryla všechny akustické frekvence s dostatečnou přesností. Tato metoda se používá ve formátu SACD a reprodukce kódovaného audio signálu je v podstatě stejná jako metoda používaná u zesilovačů třídy D.

Reproduktor: Pomocí PWM lze modulovat oblouk (plazma) a pokud je v dosahu sluchu, lze jej použít jako reproduktor. Tento typ reproduktoru se používá v Hi-Fi zvukovém systému jako výškový reproduktor.

Skvělé, že?

Krok 4: Požadované komponenty

Je to jednoduchý obvod s jedním čipem, takže nebudete potřebovat mnoho součástek

• NE555, LM555 nebo 7555 (CMOS)
• Doporučuji použít dvě diody 1n4148, ale budou fungovat i diody řady 1n40xx
• Potenciometr 100K
• Zelený kondenzátor 100nf
• Keramický kondenzátor 220pf
• Tištěný spoj
• Polovodičový tranzistor

Krok 5: Sestavení zařízení

Postupujte podle schématu a umístěte všechny díly na rozvržení. Před zapnutím zařízení dvakrát zkontrolujte umístění každé součásti. Pokud chcete efektivně ovládat a ovládat jas světelného zdroje nebo motoru, můžete na jeho výstup dát pouze výkonový tranzistor, ale pokud chcete ovládat pouze světelný zdroj nebo motor, pak se doporučuje dát kondenzátorový kondenzátor , například 2200uf. Pokud nainstalujete tento kondenzátor a zapnete motor při zatížení 40 %, bude motor o 60 % účinnější při stejných otáčkách a točivém momentu.

Jsou zde dvě videa, která ukazují, jak moje PWM funguje. V prvním z nich můžete vidět, že se ventilátor začne točit při 90% pracovním cyklu. Na druhém vidíte, že LED diody blikají a ventilátor běží na 80%.