Простой ШИМ-регулятор на таймере NE555

Мой ШИМ регулятор на 555 может лишь изменять коэффициент заполнения с 10% до 90%.

Шаг 1: Что такое ШИМ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала или источника питания включает в себя модуляцию его рабочего цикла, чтобы либо передавать информацию по каналу связи, либо управлять посылаемой мощностью. Самый простой способ генерации сигнала ШИМ требует только пилообразного или треугольного сигнала (легко генерируемого с использованием простого осциллятора) и компаратора.

Когда значение опорного сигнала (зеленый синусоидальной волны на рисунке 2) больше, чем сигнал модуляции (синий), ШИМ сигнал (пурпурный) находится в высоком состоянии, в противном случае она находится в низком состоянии. Но в моем ШИМ я не буду использовать компаратор.

Шаг 2: Типы ШИМ

Существует три типа ШИМ:

Центр пульсации может быть зафиксирован в середине временного окна, и оба края импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
Передняя кромка пульсации может удерживаться у передней кромки временного окна, а хвостовая кромка будет модулироваться.
Хвостовая кромка пульсации может быть зафиксирована, а передняя кромка будет модулироваться.

Три типа сигналов ШИМ (синий): модуляция передней кромки (верхняя строка), модуляция задней кромки (средняя строка) и пульсация в середине (обе кромки модулируются, нижняя строка). Зеленые линии — это пилообразные сигналы, используемые для генерации сигналов ШИМ с использованием метода пересечения.

Шаг 3: Как нам поможет ШИМ?

При достаточно высокой скорости модуляции пассивные электронные фильтры могут использоваться для сглаживания последовательности импульсов и восстановления среднего аналогового сигнала.

Высокочастотные системы управления мощностью при помощи ШИМ легко реализуются с использованием полупроводниковых переключателей. Дискретные состояния включения/выключения модуляции используются для управления состоянием переключателя (переключателей), которые соответственно управляют напряжением. Основным преимуществом этой системы является то, что переключатели либо выключены и не имеют ток, либо включены и (в идеале) не имеют потерь напряжения вокруг них. Произведение тока и напряжение в любое заданное время определяет мощноость, рассеиваемую переключателем, таким образом (в идеале), мощность вообще не рассеивается.

На самом деле, полупроводниковые переключатели не являются идеальными, но на них все же возможно построить контроллеры высокой эффективности.

ШИМ также часто используется для управления подачи электроэнергии на другое устройство, например, при управлении скоростью электродвигателей, регулирования громкости аудиоусилителей класса D или регулировании яркости источников света и многих других приложений силовой электроники. Например, световые диммеры для домашнего использования используют определенный тип управления ШИМ.

Домашние световые диммеры обычно включают в себя электронные схемы, которые подавляют ток в определенных частях каждого цикла напряжения сети переменного тока. Регулировка яркости света, испускаемого источником света, — это просто вопрос настройки напряжения (или фазы) в цикле переменного тока, в котором диммер начинает подавать электрический ток на источник света (например, с помощью электронного переключателя, такого как симистор ). В этом случае рабочий цикл ШИМ определяется частотой сетевого напряжения (50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны). Эти довольно простые типы диммеров могут эффективно использоваться с инертными (или относительно медленно реагирующими) источниками света, такими как лампы накаливания, например, для которых дополнительная модуляция в подаваемой электрической энергии, вызванная диммером, вызывает лишь незначительные дополнительные колебания в испускаемый свет.

Твердотельное реле: виды, практическое применение, схемы подключения

Однако некоторые другие источники света, такие как светодиоды, очень быстро включаются и выключаются и, по-видимому, мерцают, если они поставляются с низким напряжением. Воспроизводимые эффекты мерцания от таких источников быстрого реагирования могут быть уменьшены за счет увеличения частоты ШИМ. Если флуктуации света достаточно быстры, зрительная система человека больше не может их фиксировать, и глаз воспринимает среднюю интенсивность времени без мерцания (см. Порог слияния фликкера).

Один метод измеряет выходное напряжение. Когда он ниже желаемого напряжения, он включает переключатель. Когда выходное напряжение выше желаемого напряжения, оно отключает переключатель.

Регуляторы частоты вращения вентиляторов для компьютеров обычно используют ШИМ, так как она намного эффективнее по сравнению с потенциометром.

ШИМ иногда используется в синтезе звука, в частности в субтрактивном синтезе, поскольку она дает звуковой эффект, подобный хору или слегка расстроенным осцилляторам, которые играют вместе. (На самом деле PWM эквивалентна разности двух пилообразных волн.) Отношение между высоким и низким уровнем обычно модулируется низкочастотным генератором или LFO.

Популярным стал новый класс аудиоусилителей, основанный на принципе ШИМ. Называемые «усилители класса D», эти усилители создают эквивалент ШИМ аналогового входного сигнала, который подается на громкоговоритель через подходящую фильтрующую сеть для блокировки несущей и восстановления исходного аудиосигнала. Эти усилители характеризуются очень хорошими показателями эффективности (около 90%) и компактными размерами / малым весом для больших выходных мощностей.

Исторически сложилось, что грубая форма ШИМ используется для воспроизведения цифрового звука PCM на динамике ПК, который способен воспроизводить только два уровня звука. Тщательно определяя длительность импульсов и полагаясь на физические свойства фильтрации динамика (ограниченный частотный отклик, самоиндуктивность и т. д.), можно получить приблизительное воспроизведение образцов моно PCM, хотя и при очень низком качестве, и с очень разными результатами между реализациями.

В более поздние времена был введен метод цифрового кодирования прямого потока Digital Stream, который использует обобщенную форму широтно-импульсной модуляции, называемую модуляцией плотности импульса, при достаточно высокой частоте дискретизации (как правило, порядка МГц) для покрытия всех акустических частот с достаточной точностью. Этот метод используется в формате SACD, а воспроизведение кодированного аудиосигнала по существу аналогично методу, используемому в усилителях класса D.

Динамик: Используя ШИМ, можно модулировать дугу (плазму), и если она находится в диапазоне слуха, ее можно использовать в качестве динамика. Такой динамик используется в звуковой системе Hi-Fi в качестве высокочастотного динамика.

Круто, не так ли?

Шунты для амперметра: подключение, применение и изготовление

Шаг 4: Необходимые компоненты

Это простая схема с одним чипом, поэтому вам не понадобится много компонентов

NE555, LM555 или 7555 (cmos)
Рекомендую использовать два диода 1n4148, но подойдут и диоды серии 1n40xx
Потенциометр 100К
Зеленый конденсатор 100nf
Керамический конденсатор 220pf
Печатная плата
Полупроводниковый транзистор

Шаг 5: Построение устройства

Просто следуйте диаграмме и поместите все детали на макет. Проверьте дважды расположение каждого компонента перед тем, как включить устройство. Если вы хотите эффективно управлять и контролировать яркость источника света или двигатель, вы можете поставить на его выход только силовой транзистор, но если вы хотите лишь управлять источником света или двигателем, тогда рекомендуется поставить ёмкий конденсатор, например, 2200uf. Если поставить этот конденсатор и включить мотор на нагрузке в 40%, то двигатель будет на 60% эффективнее на той же скорости и крутящем моменте.

Здесь есть два видео, на которых показано, как работает моя ШИМ. На первом вы можете видеть, что вентилятор начинает вращаться на 90% рабочем цикле. На втором вы можете видеть, что светодиоды мигают, а вентилятор работает на 80%.

Файлы

Цена: $0.75

Попросили меня изготовить простенький регулятор оборотов коллекторного двигателя постоянная нагрузка 10А, у меня были в наличии NE555 давно заказаны и валялись без дела. Все остальные компоненты взял из старых плат ИБП и дело закипело. Вот само устройство Силовая часть

Модуль управления

Схема Кратко о деталях. C1 с помощью данного конденсатора задается частота работы генератора. RV1 изменяет скважность импульсов его номиналы могут быть от 20K и до 200K Номиналы остальных элементов можно изменять в широких пределах. На схеме присутствует С9 но на плате он не установлен. Тестировал устройство при напряжениях от 10V и до 30V все работало стабильно В качестве нагрузки использовал мотор 12V и 5А плюс 100W лампочками за 30 мин. роботы радиатор был холодный. На фото сдвоенный резистор но в действительности он одинарный вторая группа поломана. Вот ссылка на печатку Google drive.google.com/drive/folders/0BxJrA6icvhlSLXRzQXVUUW1RZHc?usp=sharing Dropbox www.dropbox.com/sh/ik2qw18lf8bch7l/AACx_m17nD31dfMXcVusEo1ba?dl=0 Печатные платы в формате lay toozpickЭлектроникаДобавлено 6 комментариев Приветствую, Самоделкины!Совсем недавно Роману, автору YouTube канала «Open Frime TV», понадобился мощный ШИМ-регулятор. Начались поиски и проверки разных схем. В итоге он остановился на данном варианте:Автор уже не однократно снимал ролики про шим-регуляторы, но на момент их создания не особо разбирался в схемотехнике, да и не было оборудования для того, чтобы полностью протестировать получившиеся устройства. Теперь же у автора появился осциллограф, с помощью которого можно увидеть все косяки.Давайте разберемся в ошибках, чтобы в дальнейшем их не допускать. Самая важная ошибка — это непонимание принципа работы полевого транзистора. Те, кто не первый год занимается электроникой знают, что для открытия полевика нужно не только напряжение, но некий ток.Это же касается и закрытия. Если этого тока недостаточно, то транзистор будет медленнее открываться и, следовательно, сильнее греться.Нагрев мосфетов в ключевом режиме появляется именно в моменты переключения, и чем быстрее мы будем коммутировать транзистор, тем меньше он будет нагреваться. Большинство новичков этого не знают и поэтому, в некоторых схемах, силовой транзистор довольно сильно нагревается. У автора было точно также и на тот момент ему было непонятно почему так происходит. Думаю, все кто искал схему шим-регулятора, натыкались на вариант с микросхемой ne555 и кучей транзисторов, но стоит заглянуть в ее datasheet и мы увидим максимальный выходной ток 200 мА.Этого тока явно недостаточно для корректной работы устройства. Как же тогда собрать отличный шим-регулятор и уменьшить его нагрев? Все очень просто, необходимо на выход управляющей микросхемы поставить драйвер, который сможет обеспечить достаточный ток для открытия и закрытия мосфетов.На осциллограммах четко видно, как переключается транзистор без драйвера и когда он есть. Тут даже невооруженным взглядом можно увидеть преимущества драйвера.Теперь давайте взглянем на схему устройства:Как видим, в качестве задающий микросхемы, автор применил TL494. Почему именно ее? Да потому, что она очень популярна и легка в настройке.Автор также пробовал собирать ШИМ на Uc3843, но там есть свои особенности, которые затрудняют сборку. Делал и на 555-ой, но больше всего приглянулась именно 494-ая. В нее можно без особых проблем добавить ограничитель тока, но это уже будете делать под ваши нужды.Теперь пару слов про работу схемы. TL494 генерирует прямоугольные импульсы, частота которых задается с помощью вот этого конденсатора и резистора:Потом эти импульсы усиливаются драйвером и поступают на затворы транзисторов.У каждого транзистора на затворе свой резистор. Это сделано с целью убрать звон при закрытии.Так как это полевые транзисторы, то при параллельном включении им не нужны токоограничивающие резисторы, что повышает КПД схемы. Также на схеме можем видеть 2 входных напряжения.Это сделано с целью расширения пределов работы самого шим-регулятора. Если входное напряжение находится в районе 13-30В, то можно установить перемычку и питать схему одним напряжением.Также нужно сказать пару слов про транзисторы.IRFZ44N рассчитан на напряжение 50В. Если вам нужно управлять более высоким напряжением, то необходимо заменить транзисторы под ваши параметры. К примеру, IRF540 рассчитаны уже на напряжение 100В.Со схемой закончили, рассмотрим печатную плату.Тут в глаза бросаются силовые дорожки. Они не очень большие, но все компенсируется после сборки устройства. Их придется пропаять медным проводом для повышения токопроводимости. Это будет лучшим решением, так как делать саму дорожку еще больше нету смысла, она имеет маленькое сечение и не сможет провести большой ток.С платой тоже разобрались. Давайте ее соберем. Это не составит трудностей, деталей немного и сложность минимальная.эС обратной стороны пропаяли силовые дорожки. Теперь необходимо установить транзисторы на радиатор, вы же не думаете, что мы полностью избавились от нагрева.При установке можно не использовать изолирующие подложки, так как транзисторы включены параллельно.С таким радиатором можно коммутировать токи до 20А. При б0льших токах требуется б0льший радиатор.Ну и в конце можно производить тесты. Подаем напряжение на схему (в данном случае оно составляет 28В) и производим включение.Для начала подключаем 2 лампы накаливания мощностью 100Вт, рассчитанные на напряжение 36В.Но это такое, детский сад, схема справляется на раз-два. Теперь можно взять нагрузку помощнее, к примеру, вот такую нихромовую спираль.Как видим ток идет довольно таки большой, но схема держится молодцом. Саму плату автор собирал одному человеку для мощного двигателя постоянного тока. Пока жалоб не было, поэтому можно советовать ее к повторению. Ну а на этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!Видео:Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь. Используемые источники: