Questo articolo fornisce una descrizione di due schemi elettrici del regolatore basati sulla corrente continua, implementati sulla base dell'amplificatore operazionale K140UD6.
Regolatore di tensione PWM 12 volt - descrizione
Una caratteristica di questi circuiti è la capacità di utilizzare praticamente tutti gli amplificatori operazionali disponibili, ad esempio con una tensione di alimentazione di 12 volt o.
Modificando la tensione sull'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale (pin 3), è possibile modificare la tensione di uscita. Pertanto, questi circuiti possono essere utilizzati come regolatori di corrente e tensione, nei dimmer e anche come regolatore di velocità del motore CC.
I circuiti sono abbastanza semplici, sono costituiti da componenti radio semplici e accessibili e, se installati correttamente, iniziano subito a funzionare. Un potente transistor a canale N ad effetto di campo viene utilizzato come interruttore di controllo. La potenza del transistor ad effetto di campo, così come l'area del radiatore, deve essere selezionata in base al consumo di corrente del carico.
Per evitare la rottura del gate del transistor ad effetto di campo, quando si utilizza un regolatore PWM con una tensione di alimentazione di 24 volt, è necessario collegare una resistenza di 1 kOhm tra il gate del VT2 e il collettore del transistor VT1 e collegare un diodo zener da 15 volt in parallelo alla resistenza R7.
Se è necessario modificare la tensione su un carico, uno dei cui contatti è collegato a terra (questo avviene in un'auto), viene utilizzato un circuito in cui è collegato lo scarico di un transistor ad effetto di campo a canale n al positivo della fonte di alimentazione e il carico è collegato alla sua fonte.
È desiderabile creare condizioni in cui il transistor ad effetto di campo si apra completamente, il circuito di controllo del gate dovrebbe contenere un nodo con una tensione maggiore dell'ordine di 27...30 volt. In questo caso, la tensione tra source e gate sarà superiore a 15 V.
Se il consumo di corrente di carico è inferiore a 10 A, è possibile utilizzare potenti transistor a canale P ad effetto di campo nel regolatore PWM.
Nel secondo schema Regolatore di tensione PWM 12 volt Cambia anche il tipo di transistor VT1 e cambia anche il senso di rotazione del resistore variabile R1. Quindi, nella prima versione del circuito, una diminuzione della tensione di controllo (la maniglia si sposta sulla fonte di alimentazione “-”) provoca un aumento della tensione di uscita. La seconda opzione ha tutto invertito.
Ogni radioamatore ha familiarità con il microcircuito NE555 (analogo a KR1006). La sua versatilità consente di progettare un'ampia varietà di prodotti fatti in casa: da un semplice impulso a vibratore singolo con due elementi nel cablaggio a un modulatore multicomponente. Questo articolo discuterà il circuito per l'accensione di un timer nella modalità di un generatore di impulsi rettangolare con regolazione dell'ampiezza dell'impulso.
Schema e principio del suo funzionamento
Con lo sviluppo dei LED ad alta potenza, NE555 è entrato nuovamente nell'arena come dimmer, ricordandone gli innegabili vantaggi. I dispositivi basati su di esso non richiedono una profonda conoscenza dell'elettronica, vengono assemblati rapidamente e funzionano in modo affidabile.
È noto che la luminosità di un LED può essere controllata in due modi: analogico e ad impulsi. Il primo metodo prevede la modifica del valore dell'ampiezza della corrente continua attraverso il LED. Questo metodo presenta uno svantaggio significativo: bassa efficienza. Il secondo metodo prevede la modifica dell'ampiezza dell'impulso (fattore di lavoro) della corrente con una frequenza da 200 Hz a diversi kilohertz. A tali frequenze lo sfarfallio dei LED è invisibile all'occhio umano. Nella figura è mostrato il circuito di un regolatore PWM con un potente transistor di uscita. È in grado di funzionare da 4,5 a 18 V, il che indica la capacità di controllare la luminosità sia di un potente LED che di un'intera striscia LED. L'intervallo di regolazione della luminosità varia dal 5 al 95%. Il dispositivo è una versione modificata di un generatore di impulsi rettangolare. La frequenza di questi impulsi dipende dalla capacità C1 e dalle resistenze R1, R2 ed è determinata dalla formula: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Hz
Il principio di funzionamento del controllo elettronico della luminosità è il seguente. Nel momento in cui viene applicata la tensione di alimentazione, il condensatore inizia a caricarsi attraverso il circuito: +Usupply – R2 – VD1 –R1 –C1 – -Usupply. Non appena la tensione raggiunge il livello di 2/3U, il transistor del timer interno si aprirà e inizierà il processo di scarica. La scarica inizia dalla piastra superiore C1 e prosegue lungo il circuito: R1 – VD2 –7 pin IC – -U alimentazione. Dopo aver raggiunto il segno 1/3U, il transistor di potenza del timer si chiuderà e C1 inizierà nuovamente ad acquisire capacità. Successivamente il processo viene ripetuto ciclicamente, formando impulsi rettangolari sul pin 3.
La modifica della resistenza del resistore di regolazione porta ad una diminuzione (aumento) del tempo di impulso sull'uscita del timer (pin 3) e, di conseguenza, il valore medio del segnale di uscita diminuisce (aumenta). La sequenza di impulsi generata viene fornita attraverso il resistore limitatore di corrente R3 al gate VT1, che è collegato secondo un circuito con una sorgente comune. Il carico sotto forma di striscia LED o LED ad alta potenza collegati in sequenza è collegato al circuito di drain aperto VT1.
In questo caso è installato un potente transistor MOSFET con una corrente di drain massima di 13 A. Ciò consente di controllare la luminosità di una striscia LED lunga diversi metri. Ma il transistor potrebbe richiedere un dissipatore di calore.
Il condensatore di blocco C2 elimina l'influenza del rumore che può verificarsi lungo il circuito di alimentazione quando si commuta il timer. Il valore della sua capacità può essere compreso nell'intervallo 0,01-0,1 µF.
Scheda e parti di assemblaggio del controllo della luminosità
Il circuito stampato monofaccia ha dimensioni di 22x24 mm. Come puoi vedere dall'immagine, non c'è nulla di superfluo che possa sollevare domande.
Dopo l'assemblaggio, il circuito dimmer PWM non richiede regolazioni e il circuito stampato è facile da realizzare con le proprie mani. La scheda, oltre al resistore di sintonia, utilizza elementi SMD.
- DA1-IC NE555;
- VT1 - transistor ad effetto di campo IRF7413;
- VD1,VD2 – 1N4007;
- R1 – 50 kOhm, rifinitura;
- R2, R3 – 1 kOhm;
- C1 – 0,1 µF;
- C2 – 0,01 µF.
Il transistor VT1 deve essere selezionato in base alla potenza del carico. Ad esempio, per modificare la luminosità di un LED da un watt, sarà sufficiente un transistor bipolare con una corrente di collettore massima consentita di 500 mA.
La luminosità della striscia LED deve essere controllata da una fonte di tensione di +12 V e corrispondere alla sua tensione di alimentazione. Idealmente, il regolatore dovrebbe essere alimentato da un alimentatore stabilizzato appositamente progettato per il nastro.
Il carico sotto forma di singoli LED ad alta potenza viene alimentato in modo diverso. In questo caso, l'alimentazione del dimmer è uno stabilizzatore di corrente (chiamato anche driver LED). La sua corrente di uscita nominale deve corrispondere alla corrente dei LED collegati in serie.
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La regolazione della velocità dei motori elettrici nella moderna tecnologia elettronica si ottiene non modificando la tensione di alimentazione, come veniva fatto prima, ma fornendo al motore elettrico impulsi di corrente di diversa durata. Per questi scopi viene utilizzato il PWM, recentemente diventato molto popolare ( modulazione dell'ampiezza dell'impulso) regolatori. Il circuito è universale: controlla anche la velocità del motore, la luminosità delle lampade e la corrente nel caricabatterie.
Circuito regolatore PWM
Il diagramma sopra funziona alla grande, allegato.
Senza alterare il circuito, la tensione può essere aumentata a 16 volt. Posizionare il transistor in base alla potenza del carico.
Può essere assemblato Regolatore PWM e secondo questo circuito elettrico, con un transistor bipolare convenzionale:
E se necessario, invece del transistor composito KT827, installa un IRFZ44N ad effetto di campo, con resistore R1 - 47k. Il polevik senza radiatore non si riscalda con un carico fino a 7 ampere.
Funzionamento del controller PWM
Il timer sul chip NE555 monitora la tensione sul condensatore C1, che viene rimosso dal pin THR. Non appena raggiunge il massimo, il transistor interno si apre. Che mette in cortocircuito il pin DIS a terra. In questo caso sull'uscita OUT appare uno zero logico. Il condensatore inizia a scaricarsi attraverso DIS e quando la tensione su di esso diventa zero, il sistema passerà allo stato opposto: all'uscita 1 il transistor è chiuso. Il condensatore ricomincia a caricarsi e tutto si ripete di nuovo.
La carica del condensatore C1 segue il percorso: “R2->braccio superiore R1 ->D2”, e la scarica lungo il percorso: D1 -> braccio inferiore R1 -> DIS. Quando ruotiamo il resistore variabile R1, modifichiamo il rapporto tra le resistenze del braccio superiore e inferiore. Il che, di conseguenza, modifica il rapporto tra la durata dell'impulso e la pausa. La frequenza è impostata principalmente dal condensatore C1 e dipende anche leggermente dal valore della resistenza R1. Modificando il rapporto resistenza carica/scarica, modifichiamo il ciclo di lavoro. Il resistore R3 assicura che l'uscita sia portata ad un livello alto, quindi c'è un'uscita a collettore aperto. Che non è in grado di impostare autonomamente un livello elevato.
È possibile utilizzare qualsiasi diodi, condensatori approssimativamente dello stesso valore del diagramma. Le deviazioni entro un ordine di grandezza non influiscono in modo significativo sul funzionamento del dispositivo. A 4,7 nanofarad impostati in C1, ad esempio, la frequenza scende a 18 kHz, ma è quasi impercettibile.
Se dopo aver assemblato il circuito il transistor di controllo della chiave si surriscalda, molto probabilmente non si apre completamente. Cioè, c'è una grande caduta di tensione attraverso il transistor (è parzialmente aperto) e la corrente lo attraversa. Di conseguenza, molta potenza viene dissipata per il riscaldamento. Si consiglia di collegare in parallelo il circuito in uscita con condensatori di grandi dimensioni, altrimenti canterà e sarà scarsamente regolato. Per evitare i fischi, seleziona C1, spesso i fischi provengono da lì. In generale, il campo di applicazione è molto ampio; il suo utilizzo come regolatore di luminosità per lampade LED ad alta potenza, strisce LED e faretti sarà particolarmente promettente, ma ne parleremo la prossima volta. Questo articolo è stato scritto con il supporto di ear, ur5rnp, stalker68.
Per regolare la velocità di rotazione dei motori elettrici a spazzole a bassa potenza, viene solitamente utilizzato un resistore, collegato in serie al motore. Ma questo metodo di connessione fornisce un'efficienza molto bassa e, soprattutto, non consente una regolazione fluida della velocità (trovare un resistore variabile con potenza sufficiente per diverse decine di Ohm non è affatto facile). E lo svantaggio principale di questo metodo è che a volte il rotore si ferma quando la tensione di alimentazione diminuisce.
Controller PWM, di cui parleremo in questo articolo, consentono una regolazione fluida della velocità senza gli svantaggi sopra elencati. Inoltre, i controller PWM possono essere utilizzati anche per regolare la luminosità delle lampade a incandescenza.
La Figura 1 mostra un diagramma di uno di questi Controller PWM. Il transistor ad effetto di campo VT1 è un generatore di tensione a dente di sega (con una frequenza di ripetizione di 150 Hz) e l'amplificatore operazionale sul chip DA1 funziona come un comparatore che genera un segnale PWM basato sul transistor VT2. La velocità di rotazione è controllata da un resistore variabile R5, che modifica la larghezza degli impulsi. A causa del fatto che la loro ampiezza è uguale alla tensione di alimentazione, il motore elettrico non “rallenterà” e inoltre è possibile ottenere una rotazione più lenta rispetto alla modalità normale.
Il circuito dei regolatori PWM in Fig. 2 è simile al precedente, ma l'oscillatore principale qui è realizzato utilizzando un amplificatore operazionale (amplificatore operazionale) DA1. Questo amplificatore operazionale funziona come un generatore di impulsi di tensione triangolare con una frequenza di ripetizione di 500 Hz. Il resistore variabile R7 consente una regolazione fluida della rotazione.
Nella figura 3. Viene presentato un circuito regolatore molto interessante. Questo Regolatore PWM fatto su integrale timer NE555. L'oscillatore principale ha una frequenza di ripetizione di 500 Hz. La durata degli impulsi, e quindi la velocità del rotore del motore elettrico, può essere regolata nell'intervallo dal 2 al 98% del periodo di ripetizione. Uscita del generatore Regolatore PWM su timer NE555 collegato ad un amplificatore di corrente realizzato sul transistor VT1 e controlla effettivamente il motore elettrico M1.
Lo svantaggio principale degli schemi sopra discussi è l'assenza di elementi per stabilizzare la velocità dell'albero al variare del carico. Ma il seguente diagramma, mostrato in Fig. 4, aiuterà a risolvere questo problema.
Questo regolatore PWM, come la maggior parte dei dispositivi simili, ha un generatore di impulsi di tensione principale di forma triangolare (frequenza di ripetizione 2 kHz), realizzato su DA1.1.DA1.2, un comparatore su DA1.3, un interruttore elettronico sul transistor VT1, così come un regolatore del ciclo di lavoro a impulsi, ed essenzialmente la velocità di rotazione del motore elettrico è R6. Una caratteristica del circuito è la presenza di feedback positivo attraverso i resistori R12, R11, il diodo VD1, il condensatore C2 e DA1.4, che garantisce una velocità di rotazione costante dell'albero del motore elettrico quando cambia il carico. Quando connesso Regolatore PWM su uno specifico motore elettrico, utilizzando il resistore R12, viene regolata la profondità POS, alla quale non si verificano auto-oscillazioni della velocità di rotazione quando il carico sull'albero motore aumenta o diminuisce.
Base dell'elemento. Nei circuiti presentati nell'articolo possono essere utilizzati i seguenti analoghi delle parti: il transistor KT117A può essere sostituito con un KT117B-G o, come opzione, con un 2N2646; KT817B-KT815, KT805; microcircuito da K140UD7 a K140UD6 o KR544UD1, TL071, TL081; timer NE555 su S555 o KR1006VI1; chip da TL074 a TL064 o TL084, LM324. Se è necessario collegare un carico più potente al controller PWM, il transistor a chiave KT817 deve essere sostituito con un transistor ad effetto di campo più potente, in alternativa IRF3905 o simile. Il transistor specificato è in grado di far passare correnti fino a 50 A.
La modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM) è un metodo di conversione del segnale in cui la durata dell'impulso (fattore di lavoro) cambia, ma la frequenza rimane costante. Nella terminologia inglese viene indicato come PWM (modulazione di larghezza di impulso). In questo articolo vedremo in dettaglio cos'è il PWM, dove viene utilizzato e come funziona.
Area di applicazione
Con lo sviluppo della tecnologia dei microcontrollori si sono aperte nuove opportunità per il PWM. Questo principio è diventato la base per i dispositivi elettronici che richiedono sia la regolazione dei parametri di uscita sia il loro mantenimento a un determinato livello. Il metodo di modulazione della larghezza di impulso viene utilizzato per modificare la luminosità della luce, la velocità di rotazione dei motori, nonché per controllare il transistor di potenza degli alimentatori a impulsi (PSU).
La modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PW) viene utilizzata attivamente nella costruzione di sistemi di controllo della luminosità dei LED. A causa della bassa inerzia, il LED ha il tempo di commutare (lampeggiare e spegnersi) a una frequenza di diverse decine di kHz. Il suo funzionamento in modalità pulsata è percepito dall'occhio umano come un bagliore costante. A sua volta, la luminosità dipende dalla durata dell'impulso (stato aperto del LED) durante un periodo. Se il tempo di impulso è uguale al tempo di pausa, ovvero il ciclo di lavoro è del 50%, la luminosità del LED sarà pari alla metà del valore nominale. Con la divulgazione delle lampade LED da 220 V, è nata la questione di aumentare l'affidabilità del loro funzionamento con tensione di ingresso instabile. La soluzione è stata trovata sotto forma di un microcircuito universale: un driver di potenza che funziona secondo il principio della modulazione dell'ampiezza dell'impulso o della frequenza dell'impulso. Un circuito basato su uno di questi driver è descritto in dettaglio.
La tensione di rete fornita all'ingresso del chip driver viene costantemente confrontata con la tensione di riferimento nel circuito, generando in uscita un segnale PWM (PWM), i cui parametri sono impostati da resistori esterni. Alcuni microcircuiti hanno un pin per fornire un segnale di controllo analogico o digitale. Pertanto, il funzionamento del generatore di impulsi può essere controllato utilizzando un altro convertitore PHI. È interessante notare che il LED non riceve impulsi ad alta frequenza, ma una corrente livellata da un'induttanza, che è un elemento obbligatorio di tali circuiti.
L'uso su larga scala del PWM si riflette in tutti i pannelli LCD con retroilluminazione a LED. Sfortunatamente, nei monitor LED la maggior parte dei convertitori PID funziona con una frequenza di centinaia di Hertz, il che influisce negativamente sulla vista degli utenti di PC.
Il microcontrollore Arduino può funzionare anche in modalità controller PWM. Per fare ciò, chiama la funzione AnalogWrite(), indicando tra parentesi il valore da 0 a 255. Zero corrisponde a 0 V e 255 a 5 V. I valori intermedi sono calcolati proporzionalmente.
La diffusa proliferazione di dispositivi che funzionano secondo il principio PWM ha permesso all'umanità di allontanarsi dagli alimentatori con trasformatori di tipo lineare. Il risultato è un aumento dell'efficienza e una riduzione di molte volte del peso e delle dimensioni degli alimentatori.
Un controller PWM è parte integrante di un moderno alimentatore a commutazione. Controlla il funzionamento di un transistor di potenza situato nel circuito primario del trasformatore di impulsi. A causa della presenza di un circuito di feedback, la tensione all'uscita dell'alimentatore rimane sempre stabile. La minima deviazione della tensione di uscita viene rilevata tramite feedback da un microcircuito, che corregge istantaneamente il ciclo di lavoro degli impulsi di controllo. Inoltre, un moderno controller PWM risolve una serie di compiti aggiuntivi che aiutano ad aumentare l'affidabilità dell'alimentazione:
- fornisce una modalità di avvio graduale per il convertitore;
- limita l'ampiezza e il ciclo di lavoro degli impulsi di controllo;
- controlla il livello della tensione in ingresso;
- protegge da cortocircuiti e sovratemperatura dell'interruttore di alimentazione;
- se necessario, porta il dispositivo in modalità standby.
Principio di funzionamento di un controller PWM
Il compito del controller PWM è controllare l'interruttore di alimentazione modificando gli impulsi di controllo. Quando funziona in modalità di commutazione, il transistor si trova in uno dei due stati (completamente aperto, completamente chiuso). Nello stato chiuso, la corrente attraverso la giunzione p-n non supera diversi μA, il che significa che la dissipazione di potenza tende a zero. Nello stato aperto, nonostante l'elevata corrente, la resistenza della giunzione pn è estremamente bassa, il che porta anche a perdite termiche insignificanti. La maggior quantità di calore viene rilasciata nel momento della transizione da uno stato all'altro. Ma a causa del breve tempo di transizione rispetto alla frequenza di modulazione, le perdite di potenza durante la commutazione sono insignificanti.
La modulazione dell'ampiezza dell'impulso è divisa in due tipi: analogica e digitale. Ciascun tipo presenta vantaggi specifici e può essere implementato in modi diversi nella progettazione dei circuiti.
PWM analogico
Il principio di funzionamento di un modulatore PWM analogico si basa sul confronto di due segnali le cui frequenze differiscono di diversi ordini di grandezza. L'elemento di confronto è un amplificatore operazionale (comparatore). Una tensione a dente di sega ad alta frequenza costante viene fornita a uno dei suoi ingressi e all'altro viene fornita una tensione modulante a bassa frequenza con ampiezza variabile. Il comparatore confronta entrambi i valori e genera in uscita impulsi rettangolari, la cui durata è determinata dal valore corrente del segnale modulante. In questo caso la frequenza PWM è uguale alla frequenza del segnale a dente di sega.
PWM digitale
La modulazione dell'ampiezza dell'impulso nell'interpretazione digitale è una delle tante funzioni di un microcontrollore (MCU). Funzionando esclusivamente con dati digitali, l'MK può generare un livello di tensione alto (100%) o basso (0%) alle sue uscite. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, per controllare efficacemente il carico, è necessario modificare la tensione sull'uscita MC. Ad esempio, regolando la velocità del motore, modificando la luminosità del LED. Cosa devo fare per ottenere un valore di tensione compreso tra 0 e 100% all'uscita del microcontrollore?
Il problema viene risolto utilizzando il metodo della modulazione dell'ampiezza dell'impulso e utilizzando il fenomeno del sovracampionamento, quando la frequenza di commutazione specificata è molte volte superiore alla risposta del dispositivo controllato. Modificando il ciclo di lavoro degli impulsi, cambia il valore medio della tensione di uscita. Di norma, l'intero processo avviene a una frequenza compresa tra decine e centinaia di kHz, il che consente una regolazione fluida. Tecnicamente, questo viene implementato utilizzando un controller PWM, un microcircuito specializzato che è il "cuore" di qualsiasi sistema di controllo digitale. L'uso attivo dei controller basati su PWM è dovuto ai loro innegabili vantaggi:
- elevata efficienza di conversione del segnale;
- stabilità del lavoro;
- risparmio di energia consumata dal carico;
- basso costo;
- elevata affidabilità dell'intero dispositivo.
Puoi ricevere un segnale PWM sui pin del microcontrollore in due modi: hardware e software. Ogni MK ha un timer integrato in grado di generare impulsi PWM su determinati pin. Ecco come viene ottenuta l'implementazione dell'hardware. Ricevere un segnale PWM utilizzando i comandi software ha più possibilità in termini di risoluzione e consente di utilizzare un numero maggiore di pin. Tuttavia, il metodo software comporta un carico elevato sul MK e occupa molta memoria.
È interessante notare che nel PWM digitale il numero di impulsi per periodo può essere diverso e gli impulsi stessi possono essere localizzati in qualsiasi parte del periodo. Il livello del segnale di uscita è determinato dalla durata totale di tutti gli impulsi per periodo. Dovrebbe essere chiaro che ogni impulso aggiuntivo è una transizione del transistor di potenza da uno stato aperto a uno stato chiuso, che porta ad un aumento delle perdite durante la commutazione.
Esempio di utilizzo di un regolatore PWM
Una delle opzioni per implementare un semplice regolatore PWM è già stata descritta in precedenza. È costruito su un microcircuito e ha un piccolo cablaggio. Ma, nonostante il design semplice del circuito, il regolatore ha una gamma abbastanza ampia di applicazioni: circuiti per il controllo della luminosità dei LED, strisce LED, regolazione della velocità di rotazione dei motori DC.
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