Shim na 555 so spätnou väzbou. Výkonný PWM regulátor

Ďalšie elektronické zariadenie so širokým využitím.
Ide o výkonný PWM (PWM) regulátor s plynulým manuálnym ovládaním. Pracuje pri konštantnom napätí 10-50V (radšej neprekračujte rozsah 12-40V) a je vhodný na reguláciu výkonu rôznych spotrebičov (svietidlá, LED, motory, ohrievače) s maximálnym odberom prúdu 40A.

Zaslané v štandardnej polstrovanej obálke




Puzdro drží pokope pomocou západiek, ktoré sa ľahko zlomia, preto ho otvárajte opatrne.


Vo vnútri dosky plošných spojov a odstráneného gombíka regulátora


Plošný spoj je obojstranný sklolaminát, spájkovanie a inštalácia sú úhľadné. Pripojenie cez výkonnú svorkovnicu.




Vetracie štrbiny v puzdre sú neúčinné, pretože... takmer úplne zakryté doskou plošných spojov.


Po zložení to vyzerá asi takto


Skutočné rozmery sú o niečo väčšie ako uvádzané: 123x55x40mm

Schematický diagram zariadenia


Deklarovaná frekvencia PWM je 12 kHz. Skutočná frekvencia sa mení v rozsahu 12-13kHz pri nastavovaní výstupného výkonu.
Ak je to potrebné, pracovná frekvencia PWM sa môže znížiť spájkovaním požadovaného kondenzátora paralelne s C5 (počiatočná kapacita 1nF). Nie je vhodné zvyšovať frekvenciu, pretože straty pri spínaní sa zvýšia.
Variabilný rezistor má vstavaný spínač v polohe úplne vľavo, ktorý umožňuje vypnúť zariadenie. Na doske je tiež červená LED dióda, ktorá sa rozsvieti, keď regulátor pracuje.
Z nejakého dôvodu boli značky na čipe regulátora PWM starostlivo vymazané, aj keď je ľahké uhádnuť, že ide o analóg NE555 :)
Rozsah regulácie sa blíži k uvedeným 5-100%
Prvok CW1 vyzerá ako prúdový stabilizátor v tele diódy, ale nie som si istý presne...
Ako u väčšiny regulátorov výkonu, regulácia sa vykonáva cez záporný vodič. Neexistuje žiadna ochrana proti skratu.
Na zostave mosfetov a diód spočiatku nie sú žiadne označenia, sú umiestnené na jednotlivých radiátoroch s tepelnou pastou.
Regulátor môže pracovať s indukčnou záťažou, pretože Na výstupe je zostava ochranných Schottkyho diód, ktorá potláča samoindukciu EMF.
Test s prúdom 20A ukázal, že radiátory sa mierne zahrievajú a môžu odoberať viac, vraj až 30A. Nameraný celkový odpor otvorených kanálov terénnych pracovníkov je iba 0,002 Ohm (pokles 0,04 V pri prúde 20 A).
Ak znížite frekvenciu PWM, vytiahnete všetkých deklarovaných 40A. Prepáč, nemôžem to skontrolovať...

Integrovaný časový obvod NE555 (domáci analóg KR1006VI1) našiel široké uplatnenie v riadiacich zariadeniach a najmä v PWM regulátoroch otáčok pre jednosmerné motory.

Existuje niekoľko spôsobov, ako regulovať rýchlosť jednosmerných motorov (DCM):
1. Reostatická regulácia.
2. Regulácia impulzov.
Použitie reostatickej regulácie rýchlosti DPT vedie k potrebe inštalácie výkonných reostatov, ktoré generujú veľké množstvo tepla. Za najhospodárnejší spôsob možno považovať PWM riadenie rýchlosti DFC (obrázok 1).

Obrázok 1.

Základom obvodu riadenia rýchlosti impulzného motora je multivibrátor založený na časovači NE555. Vyššie uvedený obvod umožňuje nastaviť pracovný cyklus impulzov, určený pomerom doby nabíjania a vybíjania kondenzátora C1.

Kondenzátor C1 sa nabíja cez obvod: +12V - R1 - D1 - ľavá strana odporu P1 - C1 - GND. Obvod vybíjania kondenzátora:: horná doska C1 - pravá strana rezistora P1 - D2 - kolík 7 časovača - spodná doska C1. Čas nabíjania a vybíjania je určený hodnotou aktívneho odporu P1 v obvode (polohou motora s premenlivým odporom).

Ďalšia možnosť implementácie obvodu riadenia otáčok jednosmerného motora je znázornená na obrázku 2. Charakteristickým znakom tohto obvodu je prítomnosť diódy D4, ktorá zabraňuje vybitiu časovacieho kondenzátora cez záťaž (motor).

Obrázok 2

Zmena pracovného cyklu riadiaceho impulzu vedie k zmene napätia na kotve jednosmerného motora (obrázok 3).

Obrázok 3.

Vzhľad regulátora otáčok PWM pre jednosmerný motor založený na integrovanom čipe časovača NE555 je znázornený na obrázku 4.

Obrázok 4.

Ďalšou možnosťou implementácie vyššie diskutovaného princípu riadenia DPT môže byť nasledujúca schéma:

Obrázok 5.

Vo vyššie uvedenom diagrame je tranzistorový spínač pripojený k „kladnému vodiču“ zdroja energie. Otvorenie tranzistora vo výstupnom stupni obvodu bude vyžadovať dodatočný zdroj energie. Vo vyššie uvedenom obvode je jeho funkcia vykonávaná kondenzátorom C1. Otváranie tranzistora VT1 sa vykonáva iba vtedy, keď je tranzistor VT2 otvorený cez obvod kondenzátora C2. Výstupný tranzistor je vypnutý, keď je jeho brána pripojená k zdroju (tranzistor VT3 je otvorený). Zapnutie a vypnutie výstupného tranzistora vedie k premosteniu optočlena OP1 a vypnutiu/zapnutiu záťaže.

Nedávno vznikla potreba upraviť nabíjací prúd v nabíjačke a ako to má v takýchto prípadoch byť, trochu som pátral na internete a našiel som jednoduchú schémuPWM regulátor zapnutý časovač 555.

Tento regulátor PWM je vhodný na nastavenie:

Otáčky motora

jas LED

Úprava prúdu v nabíjačke

Obvod funguje perfektne v rozsahu do 16V bez úpravy. Tranzistor s efektom poľa sa pri záťaži do 7A prakticky nezohrieva, takže nepotrebuje radiátor.

Môžete použiť akékoľvek diódy, kondenzátory približne rovnakej hodnoty ako v diagrame. Odchýlky v rámci jedného rádu výrazne neovplyvňujú činnosť zariadenia. Pri 4,7 nanofaradoch nastavených napríklad v C1 klesne frekvencia na 18 kHz, no nie je takmer počuť.

Ak sa po zostavení obvodu kľúčový riadiaci tranzistor zahreje, pravdepodobne sa úplne neotvorí. To znamená, že na tranzistore je veľký úbytok napätia (je čiastočne otvorený) a preteká ním prúd. V dôsledku toho sa veľa energie rozptýli na vykurovanie. Je vhodné paralelne zaradiť obvod na výstupe s vysokokapacitnými kondenzátormi, inak bude spievať a bude zle regulovaný. Aby ste sa vyhli pískaniu, zvoľte C1, pískanie často pochádza práve z neho.

Ak potrebujete plynulo nastaviť rýchlosť elektromotora alebo jas lampy, mali by ste sa zamerať na PWM riadenie. PWM je skratka pre dlhý a desivý názov „modulácia šírky impulzu“. Čo je toto hrozné meno, ľahko pochopíte neskôr z fotografií obrazovky osciloskopu, ale teraz sa pozrime na schému budúceho zariadenia (regulátora).

Schéma je klasická, asi už nie je možné nájsť autora. V každom prípade mu ďakujeme za tieto spoľahlivé, časom overené obvody! Srdcom regulátora je generátor zostavený na zariadení známom pod tuctom mien. Na začiatok by ste si mali vziať čip v obale DIP, je jednoduchšie ho spájkovať na doštičku (napríklad používame nepájkovú dosku).

Prvky zhromažďujeme podľa schémy. Dopadlo to asi takto:

Teraz podrobnejšie o prvkoch obvodu:

Kondenzátor C1 je hlavným prvkom, ktorý nastavuje prevádzkovú frekvenciu nášho PWM regulátor. V tomto prípade sme nainštalovali kondenzátor s kapacitou 10nF alebo 0,001 μF (označený na puzdre číslom 102). V tomto prípade bude frekvencia generátora približne 35 kHz. Možno budete musieť znížiť prevádzkovú frekvenciu obvodu, aby ste to dosiahli, musíte ZVÝŠIŤ kapacitu kondenzátora C1.

Dióda D3 je potrebná na „resetovanie“ reverzných indukčných napäťových rázov, odkiaľ pochádzajú – zatiaľ na to nemyslite, na školský kurz fyziky si spomenieme neskôr... Hlavná vec, pozor – dióda musí byť Schottky!!! Jednoduchá usmerňovacia dióda (nie rýchla) nie je schopná kvalitne fungovať na takýchto frekvenciách a rýchlo odíde do iného sveta, do silicon valley.

Pokiaľ ide o tranzistor mosfet... Postačí akýkoľvek tranzistor, ktorý vyhovuje vašej aktuálnej hodnote. Nie je potrebné pokúšať sa inštalovať tranzistor s päťnásobnou prúdovou rezervou, majte na pamäti, že čím výkonnejší je mosfet, tým väčšia je kapacita jeho brány, a teda tým dlhšie trvá nabíjanie brány. Pri dlhom nabíjaní brány tranzistor pracuje v ťažkom prechodovom režime a začína spôsobovať globálne otepľovanie na Zemi, čo však rýchlo končí smrťou tranzistora. V tomto prípade je potrebné znížiť frekvenciu generátora zvýšením kapacity C1.

Obvod je funkčný s napájaním od 5 do 18 Voltov pre vyššie napätia je potrebné znížiť napájacie napätie na čip časovača napríklad cez integrovaný obvod.

V tomto návode vám ukážem, ako vytvoriť jednoduchý regulátor PWM (Pulse Width Modulation) z čipu 555, časovača a niektorých ďalších komponentov. Je to veľmi jednoduché a obvody NE555 fungujú dobre na ovládanie LED diód, žiaroviek, servomotorov alebo jednosmerných motorov.

Môj regulátor 555 PWM môže zmeniť pracovný cyklus iba z 10% na 90%.

Krok 1: Čo je PWM

Modulácia šírky impulzov (PWM) signálu alebo napájacieho zdroja zahŕňa moduláciu jeho pracovného cyklu buď na prenos informácií cez komunikačný kanál, alebo na riadenie odosielaného napájania. Najjednoduchší spôsob generovania signálu PWM vyžaduje iba pílovitý alebo trojuholníkový priebeh (ľahko generovaný pomocou jednoduchého oscilátora) a komparátor.

Keď je hodnota referenčného signálu (zelená sínusoida na obrázku 2) väčšia ako modulačný signál (modrá), signál PWM (purpurová) je vo vysokom stave, inak je v nízkom stave. Ale v mojom PWM nebudem používať komparátor.

Krok 2: Typy PWM

Existujú tri typy PWM:

1. Stred zvlnenia môže byť fixovaný v strede časového okna a oba okraje impulzu sú posunuté, aby sa stlačila alebo rozšírila šírka.
2. Predná hrana vlnenia môže byť ponechaná na prednej hrane časového okna a zadná hrana bude modulovaná.
3. Zadná hrana pulzácie môže byť pevná, zatiaľ čo predná hrana bude modulovaná.

Tri typy signálov PWM (modré): modulácia nábežnej hrany (horný riadok), modulácia zadnej hrany (stredný riadok) a stredné zvlnenie (modulované obidva okraje, spodný rad). Zelené čiary sú pílovité signály používané na generovanie signálov PWM pomocou priesečníkovej metódy.

Krok 3: Ako nám môže PWM pomôcť?

Výživa:
PWM možno použiť na zníženie celkového množstva energie dodávanej do LOAD bez strát, ktoré zvyčajne vznikajú pri obmedzovaní napájania odporovými prostriedkami. Je to preto, že priemerný dodávaný výkon je úmerný cyklu modulácie.

Pri dostatočne vysokej modulačnej rýchlosti je možné použiť pasívne elektronické filtre na vyhladenie sledu impulzov a obnovenie priemerného analógového signálu.

Vysokofrekvenčné systémy riadenia výkonu PWM sa jednoducho implementujú pomocou polovodičových spínačov. Stavy zapnutia/vypnutia diskrétnej modulácie sa používajú na ovládanie stavu spínača (prepínačov), ktorý podľa toho riadi napätie. Hlavnou výhodou tohto systému je, že spínače sú buď vypnuté a nepreteká nimi žiadny prúd, alebo zapnuté a (v ideálnom prípade) nemajú okolo seba stratu napätia. Súčin prúdu a napätia v akomkoľvek danom čase určuje výkon rozptýlený spínačom, takže (v ideálnom prípade) sa nestratí vôbec žiadny výkon.

V skutočnosti polovodičové spínače nie sú ideálne, ale stále je možné s nimi postaviť vysokovýkonné regulátory.

PWM sa tiež často používa na riadenie toku elektrickej energie do iného zariadenia, napríklad pri riadení rýchlosti elektromotorov, úprave hlasitosti audio zosilňovačov triedy D alebo úprave jasu svetelných zdrojov a mnohých ďalších aplikáciách výkonovej elektroniky. Napríklad stmievače svetla pre domáce použitie používajú nejaký typ PWM riadenia.

Domáce stmievače svetla zvyčajne obsahujú elektronické obvody, ktoré potláčajú prúd v špecifických častiach každého cyklu striedavého sieťového napätia. Úprava jasu svetla vyžarovaného svetelným zdrojom je jednoducho záležitosťou úpravy napätia (alebo fázy) v striedavom cykle, v ktorom stmievač začne privádzať elektrický prúd do svetelného zdroja (napríklad pomocou elektronického spínača ako napr. triak). V tomto prípade je pracovný cyklus PWM určený frekvenciou sieťového napätia (50 Hz alebo 60 Hz v závislosti od krajiny). Tieto pomerne jednoduché typy stmievačov možno efektívne použiť s inertnými (alebo relatívne pomaly reagujúcimi) svetelnými zdrojmi, ako sú napríklad žiarovky, u ktorých dodatočná modulácia dodávanej elektrickej energie spôsobená stmievačom spôsobuje len malé dodatočné zmeny v vyžarované svetlo.

Niektoré iné svetelné zdroje, ako napríklad LED diódy, sa však zapínajú a vypínajú veľmi rýchlo a zdá sa, že blikajú, ak sú dodávané s nízkym napätím. Reprodukovateľné efekty blikania z takýchto zdrojov s rýchlou odozvou možno znížiť zvýšením spínacej frekvencie. Ak sú kolísanie svetla dostatočne rýchle, ľudský zrakový systém ich už nedokáže zaregistrovať a oko vníma priemernú intenzitu času bez blikania (pozri prah fúzie blikania).

Regulácia napätia:
PWM sa používa aj v účinných regulátoroch napätia. Prepnutím napätia na záťaž s príslušným pracovným cyklom sa výstup priblíži napätiu na požadovanú úroveň. Spínací šum je zvyčajne filtrovaný induktorom a kondenzátorom.

Jedna metóda meria výstupné napätie. Keď je pod požadovaným napätím, zapne spínač. Keď je výstupné napätie vyššie ako požadované napätie, vypínač sa vypne.

Počítačové regulátory rýchlosti ventilátora zvyčajne používajú PWM, pretože je oveľa efektívnejšie ako potenciometer.

PWM sa niekedy používa pri syntéze zvuku, najmä pri subtraktívnej syntéze, pretože vytvára zvukový efekt podobný spoločnému zboru alebo mierne rozladeným oscilátorom. (PWM je v skutočnosti ekvivalentom rozdielu dvoch pílovitých vĺn.) Vzťah medzi vysokou a nízkou úrovňou je zvyčajne modulovaný nízkofrekvenčným oscilátorom alebo LFO.

Populárnou sa stala nová trieda audio zosilňovačov na princípe PWM. Tieto zosilňovače nazývané "zosilňovače triedy D" produkujú ekvivalent PWM analógového vstupného signálu, ktorý sa privádza do reproduktora cez vhodnú sieť filtrov, aby sa zablokoval nosič a obnovil sa pôvodný zvukový signál. Tieto zosilňovače sa vyznačujú veľmi dobrými hodnotami účinnosti (okolo 90%) a kompaktnými rozmermi/nízkou hmotnosťou pre vysoké výstupné výkony.

Historicky sa hrubá forma PWM používala na reprodukciu digitálneho zvuku PCM na reproduktore PC, ktorý je schopný produkovať iba dve úrovne zvuku. Starostlivým stanovením trvania impulzov a spoliehaním sa na fyzikálne filtračné vlastnosti reproduktora (obmedzená frekvenčná odozva, vlastná indukčnosť atď.) je možné získať približné reprodukcie mono PCM vzoriek, aj keď vo veľmi nízkej kvalite a s veľmi rozdielnymi výsledkami medzi implementáciami.

V nedávnej dobe bola zavedená technika digitálneho kódovania Digital Stream, ktorá využíva všeobecnú formu modulácie šírky impulzov nazývanú modulácia hustoty impulzov pri dostatočne vysokej vzorkovacej frekvencii (zvyčajne rádovo MHz), aby pokryla všetky akustické frekvencie s dostatočnou presnosťou. Táto metóda sa používa vo formáte SACD a reprodukcia kódovaného zvukového signálu je v podstate rovnaká ako metóda používaná v zosilňovačoch triedy D.

Reproduktor: Pomocou PWM je možné modulovať oblúk (plazmu) a ak je v dosahu sluchu, možno ho použiť ako reproduktor. Tento typ reproduktorov sa používa v Hi-Fi zvukovom systéme ako výškový reproduktor.

V pohode, nie?

Krok 4: Požadované komponenty

Je to jednoduchý obvod s jedným čipom, takže nebudete potrebovať veľa komponentov

• NE555, LM555 alebo 7555 (CMOS)
• Odporúčam použiť dve diódy 1n4148, ale budú fungovať aj diódy série 1n40xx
• Potenciometer 100K
• Zelený kondenzátor 100nf
• Keramický kondenzátor 220pf
• Vytlačená obvodová doska
• Polovodičový tranzistor

Krok 5: Zostavenie zariadenia

Postupujte podľa schémy a umiestnite všetky časti na rozloženie. Pred zapnutím zariadenia dvakrát skontrolujte umiestnenie každého komponentu. Ak chcete efektívne ovládať a ovládať jas svetelného zdroja alebo motora, môžete na jeho výstup umiestniť iba výkonový tranzistor, ale ak chcete ovládať iba svetelný zdroj alebo motor, potom sa odporúča umiestniť kondenzátorový kondenzátor , napríklad 2200uf. Ak nainštalujete tento kondenzátor a zapnete motor pri zaťažení 40%, motor bude o 60% účinnejší pri rovnakej rýchlosti a krútiacom momente.

Tu sú dve videá, ktoré ukazujú, ako moje PWM funguje. V prvom môžete vidieť, že ventilátor sa začne otáčať pri 90% pracovnom cykle. Na druhom môžete vidieť, že LED diódy blikajú a ventilátor beží na 80%.