Широтно-импульсный модулятор на транзисторах

ШИМ, или Широтно-Импульсная Модуляция, - вид модуляции, при которой сигнал представляется последовательностью прямоугольных импульсов фиксированной частоты и амплитуды, но переменной скважности. Широтно-импульсная модуляция находит применение в преобразователях напряжения, мощных усилителях звуковой частоты и регуляторах мощности, поскольку позволяет существенно повысить КПД этих устройств.

Формирование широтно-импульсного сигнала

Существует два способа формирования ШИМ - цифровой и аналоговый. В этой статье описывается аналоговый метод, суть которого сводится к сравнению компаратором опорного пилообразного или треугольного напряжения и модулирующего аналогового сигнала. Ниже представлена наглядная иллюстрация этого процесса, где синим цветом изображён график опорного напряжения, красным - модулирующего и розовым - результирующего ШИМ сигнала.

Как правило, для генерации ШИМ сигнала используются специализированные микросхемы - ШИМ-генераторы, либо ШИМ-контроллеры, обеспечивающие помимо непосредственно формирования ШИМ, ещё и функции стабилизатора с защитой. Реализация ШИМ-контроллера на дискретных компонентах представляет весьма нетривиальную задачу, однако, качественный ШИМ-генератор может быть реализован всего лишь на 13 недорогих и распространённых транзисторах.

ШИМ-генератор на транзисторах

Аналоговый ШИМ-генератор состоит из генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и компаратора напряжения. Рассмотрим схему простого генератора линейно изменяющегося напряжения.

На транзисторах T1 и T2 собрано токовое зеркало, составляющее с резистором R3 источник тока, заряжающий конденсатор C1. Резисторы R1 и R2 повышают точность работы токового зеркала и обязательны в случае использования раздельных транзисторов. Ток, генерируемый таким источником, пропорционален напряжению питания, а значит время зарядки конденсатора не зависит от питающего напряжения схемы. Транзисторы T3 и T4 составляют аналог однопереходного транзистора, диод Шоттки D1 не позволяет транзистору T4 войти в режим насыщения, что повышает быстродействие составного однопереходного транзистора и позволяет генерировать сигнал с большей частотой и меньшими искажениями. Диод Шоттки D4 защищает БЭ переход транзистора T3 от пробоя при питающих напряжениях, превышающих 6 Вольт и гарантированно позволяет схеме работать при напряжениях до 24 Вольт. На транзисторе T5 собран эмиттерный повторитель, обеспечивающий постоянство напряжения включения на первой базе составного однопереходного транзистора, чем существенно повышает стабильность генератора. Резистор R5 ограничивает максимальный ток через эмиттерный повторитель и составной однопереходной транзистор, защищая их от перегрева и выхода из строя при высоких питающих напряжениях. Диоды D2 и D3 с резистором R7 задают напряжение включения однопереходного транзистора, равное напряжению питания - двойное падение напряжения на диоде 1n4148. Резистор R6 ограничивает максимальный ток через базу транзистора T5 и составной однопереходной транзистор в момент открытия последнего. Данная схема является простым релаксационным генератором, формирующим пилообразное напряжение с хорошей линейностью, причём амплитуда генерируемого сигнала близка к напряжению питания схемы, а его частоту с достаточной точностью можно считать постоянной. Частота сигнала определяется сопротивлением резистора R3 и ёмкостью конденсатора C1.

Вторым компонентом ШИМ-генератора является компаратор напряжения. Его схема представлена ниже.

Схема классическая: дифференциальный входной каскад на транзисторах T1 и T2, нагруженный на токовое зеркало, выполненное на транзисторах T3 и T4, выходной каскад представляет собой два последовательных логических элемента "НЕ" на транзисторах Шоттки T5-D1 и T6-D2. Диоды D3 и D4 на входах компаратора необходимы для защиты БЭ переходов транзисторов дифференциального каскада от дифференциальных напряжений, превышающих допустимое обратное напряжение переходов. Заметим, что, схему компаратора можно упростить: в качестве нагрузки дифференциального каскада вместо токового зеркала допустимо использовать резистор, а один выходной логический элемент может быть удалён. Однако подобное упрощение приведёт к существенному ухудшению характеристик компаратора: замена токового зеркала на сопротивление ведёт к снижению коэффициентов усиления дифференциального и подавления синфазного сигналов дифференциального каскада, а удаление одного выходного логического элемента существенно ухудшит форму сигнала.

Дабы снизить выходное сопротивление компаратора и обеспечить хорошее время нарастания и спада импульсов при работе на емкостную нагрузку, необходимо подключить к его выходу буферный каскад на биполярных транзисторах.

Для проверки схема была собрана на макетной плате. На вход генератора подавалось напряжение с делителя, роль которого играл переменный резистор сопротивлением 500 кОм.

Сборка производилась последовательно, работа каждого блока проверялась осциллографом.

Генератор пилообразного напряжения:

Компаратор напряжения (в качестве модулирующего сигнала подано напряжение питания, делённое переменным резистором, установленным в среднее положение):

Буферный каскад:

Две последние осциллограммы хорошо демонстрируют необходимость выходного буферного каскада. На первой осциллограмме можно заметить, как сильно фронты импульсов завалены ёмкостью щупа и входа осциллографа, которые, заметим, на порядок меньше ёмкости затвора силового полевого транзистора, которым предстоит управлять этому ШИМ-генератору.

На этом схему ШИМ-генератора можно считать завершённой.

Испытания

Для окончательной проверки работоспособности схемы, на базе предложенного ШИМ-генератора было собрано устройство плавного розжига автомобильной лампы накаливания номинальной мощностью 21 Ватт. Полная схема изображена на рисунке ниже.

В демонстрационном видео к статье показана работа этой схемы. После 2.5 минут плавного зажигания лампы накаливания, температура силового транзистора едва превышала комнатную, а дроссель был умеренно тёплым, что подтверждает правильность работы схемы и высокий КПД импульсных преобразователей с ШИМ-управлением.

Заключение

Несмотря на разнообразие микросхем ШИМ-генераторов и ШИМ-контроллеров, сборка формирователей ШИМ импульсов и схем на их основе из дискретных компонентов представляет большой интерес в качестве проектов для начинающих электроников, а также в случаях, когда возможность применения микроэлектроники ограничена условиями эксплуатации проектируемого устройства.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ШИМ
• Преобразователь напряжения
• DC/DC преобразователь
• Блок питания
• Генератор
• Транзистор
• Multisim