PWM-vermogenscontroller

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Vier 6 volt batterijen
• Eén condensator, 100 µF elektrolytisch, 35 WVDC (Radio Shack-catalogus # 272-1028 of gelijkwaardig)
• Eén condensator, 0,1 µF, niet-gepolariseerd (Radio Shack-catalogus # 272-135)
• Eén 555 timer-IC (Radio Shack-catalogus # 276-1723)
• Dubbele operationele versterker, model 1458 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-038)
• Eén NPN-vermogenstransistor—(Radio Shack-catalogus # 276-2041 of gelijkwaardig)
• Drie 1N4001 gelijkrichtdiodes (Radio Shack-catalogus # 276-1101)
• Eén 10 kΩ potentiometer, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)
• Eén weerstand van 33 kΩ
• 12-volt achterlichtlamp voor auto's
• Audiodetector met koptelefoon

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 8:"Operationele versterkers"

Lessen in elektrische circuits , Volume 2, hoofdstuk 7:"AC-signalen met gemengde frequentie"

LEERDOELSTELLINGEN

• Om te illustreren hoe de 555-timer als een astabiele multivibrator kan worden gebruikt
• Om te illustreren hoe je een op-amp als comparator gebruikt
• Om te illustreren hoe diodes te gebruiken om ongewenste gelijkspanning te verlagen
• Om te illustreren hoe het vermogen naar een belasting te regelen door middel van pulsbreedtemodulatie

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Dit circuit gebruikt een 555-timer om een ​​zaagtandspanningsgolfvorm over een condensator te genereren en vergelijkt dat signaal vervolgens met een constante spanning die wordt geleverd door een potentiometer, met behulp van een op-amp als comparator. De vergelijking van deze twee spanningssignalen produceert een blokgolfuitgang van de op-amp, variërend in duty-cycle volgens de positie van de potentiometer.

Dit variabele duty cycle-signaal drijft vervolgens de basis van een vermogenstransistor aan, waarbij de stroom door de belasting wordt in- en uitgeschakeld. De oscillatiefrequentie van de 555 is veel hoger dan het vermogen van de lampgloeidraad om thermisch te wisselen (verwarmen en koelen), dus elke variatie in duty cycle of pulsbreedte , heeft het effect dat het totale vermogen dat door de belasting in de loop van de tijd wordt gedissipeerd, wordt gecontroleerd.

Het regelen van elektrische stroom door een belasting door deze snel aan en uit te zetten en de "aan"-tijd te variëren, staat bekend als pulsbreedtemodulatie , of PWM . Het is een zeer efficiënt middel om elektrisch vermogen te regelen, omdat het besturingselement (de vermogenstransistor) relatief weinig vermogen dissipeert bij het in- en uitschakelen, vooral in vergelijking met het verspilde vermogen dat wordt gedissipeerd van een regelweerstand in een vergelijkbare situatie. Wanneer de transistor is uitgeschakeld, is zijn vermogensdissipatie nul omdat er geen stroom doorheen loopt.

Wanneer de transistor verzadigd is, is de dissipatie erg laag omdat er weinig spanning valt tussen collector en emitter terwijl deze stroom geleidt. PWM is een concept dat gemakkelijker te begrijpen is door middel van experimenten dan lezen. Het zou leuk zijn om de condensatorspanning, potentiometerspanning en op-amp-uitgangsgolfvormen allemaal op één (triple-trace) oscilloscoop te bekijken om te zien hoe ze zich tot elkaar en tot het belastingsvermogen verhouden. De meesten van ons hebben echter geen toegang tot een triple-trace-oscilloscoop, laat staan ​​een oscilloscoop, dus een alternatieve methode is om de 555-oscilloscoop voldoende te vertragen zodat de drie spanningen kunnen worden vergeleken met een eenvoudige DC-voltmeter.

Vervang de condensator van 0,1 µF door een condensator van 100 µF of groter. Dit vertraagt ​​de oscillatiefrequentie met een factor van minstens duizend, waardoor je de condensatorspanning langzaam kunt meten stijgen in de loop van de tijd, en de overgang van de op-amp-uitgang van "hoog ” tot “laag ” wanneer de condensatorspanning groter wordt dan de potentiometerspanning. Met zo'n langzame oscillatiefrequentie zal het belastingsvermogen niet worden geproportioneerd zoals voorheen.

In plaats daarvan gaat de lamp met regelmatige tussenpozen aan en uit. Voel je vrij om te experimenteren met andere condensator- of weerstandswaarden om de oscillaties voldoende te versnellen, zodat de lamp nooit volledig aan of uit gaat, maar "geknepen is ” door snel aan-en-uit pulseren van de transistor.

Als je het schema bekijkt, zie je twee operationele versterkers die parallel zijn geschakeld. Dit wordt gedaan om maximale stroomuitvoer naar de basisterminal van de vermogenstransistor te leveren. Een enkele op-amp (de helft van een 1458 IC) kan mogelijk niet voldoende uitgangsstroom leveren om de transistor in verzadiging te brengen, dus worden twee op-amps achter elkaar gebruikt.

Dit mag alleen worden gedaan als de betreffende op-amps overbelastingsbeveiligd zijn, wat de 1458-serie op-amps is. Anders is het mogelijk (hoewel onwaarschijnlijk) dat de ene op-amp eerder kan worden ingeschakeld dan de andere, en dat er schade ontstaat doordat de twee uitgangen elkaar kortsluiten (de ene stuurt "hoog ” en de andere rijden “laag " tegelijkertijd). De inherente kortsluitbeveiliging van de 1458 maakt directe aansturing van de vermogenstransistorbasis mogelijk zonder dat een stroombeperkende weerstand nodig is.

De drie diodes in serie die de uitgangen van de op-amps verbinden met de basis van de transistor, zijn er om de spanning te laten vallen en ervoor te zorgen dat de transistor in de afsnijding valt wanneer de op-amp-uitgangen "laag" worden. Omdat de 1458 op-amp zijn uitgangsspanning niet helemaal naar het aardpotentiaal kan zwaaien, maar slechts tot binnen ongeveer 2 volt aarde, zou een directe verbinding van de op-amp naar de transistor betekenen dat de transistor nooit volledig zou worden uitgeschakeld. Door drie siliciumdiodes in serie toe te voegen, daalt ongeveer 2,1 volt (0,7 volt maal 3) om ervoor te zorgen dat er minimale spanning aan de basis van de transistor is wanneer de op-amp-uitgangen "laag worden .”

Het is interessant om naar het op-amp-uitgangssignaal te luisteren via een audiodetector, aangezien de potentiometer door zijn volledige bewegingsbereik wordt afgesteld. Het aanpassen van de potentiometer heeft geen effect op de signaalfrequentie, maar heeft wel grote invloed op de duty cycle. Let op het verschil in toonkwaliteit, of timbre , aangezien de potentiometer de inschakelduur varieert van 0% tot 50% tot 100%. Het variëren van de duty-cycle heeft als effect dat de harmonische inhoud van de golfvorm verandert, waardoor de toon anders klinkt.

U merkt mogelijk een bijzonder uniek geluid op dat via de hoofdtelefoon van de detector wordt gehoord wanneer de potentiometer in de middenpositie staat (50% inschakelduur - 50% laadvermogen), versus een soort gelijkenis in geluid net boven of onder 50% inschakelduur. Dit komt door de afwezigheid of aanwezigheid van even genummerde harmonischen. Elke golfvorm die symmetrisch is boven en onder de middellijn, zoals een blokgolf met een duty cycle van 50%, bevat geen even genummerde harmonischen, alleen oneven genummerde.

Als de duty-cycle lager of hoger is dan 50%, zal de golfvorm niet vertonen deze symmetrie, en er zullen even harmonischen zijn. De aanwezigheid van deze even genummerde harmonische frequenties kan worden gedetecteerd door het menselijk oor, aangezien sommige overeenkomen met octaven van de grondfrequentie en dus “fit ” natuurlijker in het toonschema.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Signaalmodulatie werkblad