Главная » Питание
Призовой фонд
на октябрь 2022 г.

Похожие статьи:


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

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
R1, R2, R4, R8, R9, R13, R14 Резистор
100 Ом
7 1%Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R3 Резистор
33 кОм
1 1%. ПодбиратьПоиск в магазине ОтронВ блокнот
R5, R6, R7, R10 Резистор
10 кОм
4 1%Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R11, R12 Резистор
3.3 кОм
2 1%Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R15 Резистор
470 кОм
1 1%Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C1 Конденсатор1 нФ1 Подбирать из керамических X7RПоиск в магазине ОтронВ блокнот
C2 Электролитический конденсатор470 мкФ1 На 16 ВольтПоиск в магазине ОтронВ блокнот
C3 Конденсатор4.7 мкФ1 Керамика X7RПоиск в магазине ОтронВ блокнот
T1, T2, T3, T6, T7, T13, T15, T16 Биполярный транзистор
2N4403
8 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
T4, T5, T8, T9, T10, T11, T12 Биполярный транзистор
2N4401
7 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
T14 MOSFET-транзистор
IRLZ44N
1 Можно заменить другим силовым MOSFET с подходящими характеристикамиПоиск в магазине ОтронВ блокнот
D1, D2, D7, D8 Диод Шоттки
1N6263
4 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
D3, D4, D5, D6 Выпрямительный диод
1N4148
4 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
D9 Выпрямительный диод
FR107
1 Любой импульсный диод с подходящими характеристикамиПоиск в магазине ОтронВ блокнот
L1 Катушка индуктивности100 мкГн1 Желательно изготовить самостоятельно на кольце из материала Kool MuПоиск в магазине ОтронВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Теги:

Опубликована: 0 2
Я собрал 0 5
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 4.8 Проголосовало: 5 чел.

Комментарии (31) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
+2
Falconist #
Достойно! Респект!
Ответить
0
_abk_ #
Стало интересно, в каких таких условиях эксплуатации ограничена возможность применения микроэлектроники. Автор, поясни, пожалуйста, можно на примерах.
Ответить
+1
badr555 #
Ну к примеру в местах с высоким радиоактивным фоном.
Ответить
+1

[Автор]
Глеб2003 #
Полагаю, точный ответ на этот вопрос могут дать только специалисты в области микроэлектроники. Я же могу привести несколько общеизвестных примеров разрушительных для микросхем факторов. Во-первых, это резкие перепады температуры, причём с большой амплитудой; во-вторых - повышенный радиационный фон (актуально в первую очередь для КМОП, которые, замечу, практически вытеснили биполярные микросхемы). Ещё одним местом применения такой схемы может стать устройство, потенциально подверженное мощным импульсным ЭМ полям и/или броскам напряжения (с перенапряжением, естественно). В качестве источника такого воздействия может быть обычная молния, ударившая рядом с рассматриваемым устройством.
Ответить
-1
BARS_ #
Вот я что-то очень слабо представляю себе устройство, работающее в крайне тяжелых условиях и требующее только ШИМ для работы.

Во-первых, это резкие перепады температуры, причём с большой амплитудой
Для этого выпускают микросхемы в керамических корпусах.

во-вторых - повышенный радиационный фон
А для этого есть рад. стойкие исполнения микросхем.

А так микросхемы и в космосе летают и на АЭС работают. Так что проблема надумана. Но как материал для новичков статься очень интересная и полезная =)
Ответить
+2

[Автор]
Глеб2003 #
Разумеется, что применять микросхемы в экстремальных условиях уже давно научились. Так что правильно Вы отметили, что статья в первую очередь адресована начинающим. Но это, безусловно, не значит, что применить предложенную схему в каком-то реальном устройстве нельзя. Всё зависит от предпочтений автора. Кто-то, например, только на лампах собирает. Есть аудиофильские операционные усилители на рассыпухе. Они, кстати, достаточно дорогие, но спросом, тем не менее, пользуются.
Ответить
+2
Vslz #
Отличный пример основательного подхода к схемотехнике. Канонический широтно-импульсный модулятор со всеми необходимыми компонентами: 1. Генератор пилы 2. ШИМ-компаратор с входом управления заполнением 3. Необязательно - узел софтстарта и драйвер раскачки полевого транзистора.
Думаю, что эти "кубики" многим помогут усвоить, как производится именно ШИМ, а не эрзац-ШИМ
Ответить
-3
Shida #
А вообще для кого эта статья? Вы думаете кто то станет собирать эту кучу транзисторов? Вы хотели показать народу как любите экспериментировать? Похвально!
Ответить
+2

[Автор]
Глеб2003 #
Поверьте, находятся любители собирать даже полноценные процессоры на транзисторах, а это далеко не 13 штук, как в статье. Кстати, собирают не безуспешно. Усилители на лампах и по сей день изготавливают на продажу (и зарабатывают на этом приличные деньги) и просто для себя. Аудиофильские операционные усилители на рассыпухе (правда, SMDшной) выпускаются массово. Много примеров могу привести, если хотите. Кстати, было несколько проектов реализации NE555 на дискретных компонентах. Так что тема таки пользуется популярностью.
Ответить
0
Shida #
Есть отличная схема не хуже вашей всего на двух транзисторах. Пройдите пож. по ссылке: https://cxem.net/house/1-277.php
Отредактирован 30.08.2022 08:54
Ответить
+1

[Автор]
Глеб2003 #
Это широтно-импульсный РЕГУЛЯТОР. Его невозможно использовать для модуляции: заполнение регулируется положением ручки переменного резистора, а не другим электрическим сигналом. Кроме того, качество выходного сигнала в предельных случаях (когда коэффициент заполнения очень большой или очень маленький) под вопросом.
Ответить
-3
Shida #
Вы своим регулятором регулируете яркость свечения лампы. Можно также регулировать яркость лампы, либо скорость вращения коллекторного двигателя схемой на двух транзисторах. Понятно, что ваша схема работоспособна, но нужно искать пути попроще с минимальным количеством деталей. Можно конечно придумать схему, где будет 100 транзисторов и она тоже будет прекрасно работать. Только что же в этом хорошего? Много деталей - не значит, что схема умней. И ваши транзисторы непонятны, там где база с коллектором закорочены. Почему бы диод не поставить вместо этого. Диоды закончились? Ссылка: https://zen.yandex.ru/media/dima/diodnoe-vkliuchenie-tranzistorov-chego-vam-stoit-opasatsia-5eabdd73ad13e751c1014fa1
Отредактирован 30.08.2022 12:24
Ответить
+1

[Автор]
Глеб2003 #
Ни в коем случае не хочу Вас обидеть, но Вы просто не разобрались в моей схеме. Об этом говорит как минимум то, что Вы до сих пор считаете, что яркость лампы я регулировал переменным резистором (в последней схеме и в видео), а не другой электронной схемой, формирующей сигнал нужной формы. Широтно-импульсный модулятор из моей статьи так же связан с широтно-импульсным регулятором по Вашей ссылке, как транзистор связан с обычным выключателем. И тот и другой могут включать и выключать ток, но транзистор это делает при пропускании тока через базу или при подаче напряжения на затвор (а подаваться оно может откуда угодно, например, с функционального генератора); а выключатель нужно руками переводить из состояния "включено" в состояние "выключено" и наоборот, иначе управлять им невозможно. Регулировать яркость свечения лампы с помощью моей схемы можно не только переменным резистором вручную, но и электрическим сигналом, источник которого может быть абсолютно любым. К примеру, я могу взять низкочастотный генератор треугольного напряжения и подключить его ко входу широтно-импульсного модулятора. Тогда коэффициент заполнения будет изменяться в соответствии с сигналом (больше напряжение - больше коэффициент заполнения). После интегрирующей LC цепи получим соответствующее входному сигналу изменение яркости лампы или оборотов двигателя. Я очень сомневаюсь, что предлагаемая Вами схема на двух транзисторах позволит регулировать яркость лампы или обороты двигателя чем-то кроме механического воздействия на ручку переменного резистора. Что касается диодов вместо транзисторов. Предлагаю Вам прочитать про токовое зеркало. В частности, почему вместо диода всегда используется транзистор. Делается это вовсе не из-за нехватки диодов. Ну и напоследок про "завышенную" сложность схемы. Я не спорю, что сделать широтно-импульсный модулятор можно проще, чем рекомендуется в статье, более того, в тексте я даже указывал, что именно можно убрать из схемы. Но помимо этого я говорил и о том, к чему каждое такое упрощение приводит. Если взглянуть на схему даже самого простого и дешёвого ШИМ-контроллера (не модулятора), то Вы увидите, что количество транзисторов там во много раз больше, чем у меня. И, наверное, не просто так инженеры, имеющие соответствующее образование и прошедшие отбор в фирме, прибегают к таким сложным схемам. Краткость - сестра таланта, но далеко не всегда.
Ответить
0
Shida #
Я же вам написал выше и похвалил вас за ваши разработки. Занимайтесь, кто мешает? Похвально! Но если мне нужен будет ШИМ регулятор, то вашу схему собирать не стану, найду попроще.
Отредактирован 30.08.2022 13:40
Ответить
+2

[Автор]
Глеб2003 #
Если Вам нужен просто РЕГУЛЯТОР, то, разумеется, та схема на двух транзисторах подойдёт лучше моей. Тут даже спорить не буду. Если бы я делал регулируемый фонарик, то и сам выбрал бы ту схему.
Ответить
0
Shida #
А это я автор той схемы. Спасибо за то, что выбрали бы мою схему.
Ответить
+1
EVgen324 #
Зачетная поделка, сейчас чисто на транзисторах мало кто собрать что либо сможет. Хотя честно говоря в подобных случаях использовал бы ШИМ на трех пятерках либо на микроконтроллерах.
Ответить
+2
Vslz #
ШИМ на 555 - не умеет она шим, всего по немножку, а шим - нет
Ответить
0
EVgen324 #
Частота конечно плывет, но тем не менее, с регулировкой мощности моторчиков и прочих лампочек 555 справляется. Мало того я видел регулировку оборотов печки на ней в корейском автобусе, там был реализован сам шим на 7555, он дрыгал 2 мощных полевика, а сам таймер управлялся напряжением в 0-5 в микроконтроллером
Отредактирован 30.08.2022 12:17
Ответить
0

[Автор]
Глеб2003 #
Там скорее смесь ШИМ с ЧИМ. Для всяких сравнительно маломощных штук пойдёт. В ШИМ частота импульсов постоянна, меняется только коэффициент заполнения.
Ответить
0
_abk_ #
Ну почему же не умеет
Прикрепленный файл: ШИМ_555(2).JPG
Прикрепленный файл: ШИМ_555.JPG
Ответить
0
Vslz #
1. Тут нет ШИМ и в помине. Широтно-импульсный регуль, но ШИМ он не выполняет - нет входа управляющего сигнала.
2. А это уже ШИМ, но не на 555й, а на двух 555х плюс оу вдобавок.
ШИМ может выполнить один из распространенных ШИМ -контроллеров или один сдвоенный компаратор, включенный по схеме, аналогичной той, что в статье.
Ответить
0

[Автор]
Глеб2003 #
Всё верно. Единственное, немного поправлю Вас во втором пункте. Не сдвоенный компаратор, а сдвоенный операционный усилитель. На первом ОУ собирается генератор треугольника, а второй играет роль компаратора. А вообще, надо будет в статью добавить пару предложений, разъясняющих разницу между ШИМ и ШИР. Уже не в первый раз вижу, как эти две разные вещи путают между собой.
Ответить
+1
Vslz #
Ошибки нет - генератор пилы отлично делается на одном компараторе. Сигнал размахом от 1/3 питания до 2/3 питания снимается с частотозадающего конденсатора и подается на высокоомный вход второго компаратора, выполняющего модуляцию ШИМ. Второй вход модулирующего компаратора используется для подачи самого полезного сигнала, который требует ШИ модуляции. Неоднократно реализовывал данную схему как по частям так и полностью.
Применить ОУ также можно, но у большинства ОУ низкое быстродействие, не позволяющее достичь качества пилы и скорости нарастания прямоугольника (у LM358 закругляется уже при нескольких кГц).
Таким образом, вся схема ШИМ выполняется на одной восьминогой ИМС. Структура аналогична Вашей. Все положительные свойства (софтстарт, управление внешним сигналом) тоже легко реализуемы.
Прикрепленный файл: 2022-08-31_234413.png
Ответить
+1
Smelter2 #
Отлично, но и транзисторы тоже хорошо: хочу пилу и ШИМ на 5 ГГц, не знаю таких ОУ. Плюсую за схему
Ответить
+1

[Автор]
Глеб2003 #
Схему из статьи до 5 МГц очень трудно разогнать (полагаю, Вы имели в виду именно мегагерцы, а не гигагерцы). На таких частотах схемотехника будет уже совсем другой, как минимум у генератора пилы.
Ответить
0
Smelter2 #
Как раз 5Ггц, например BFR193 справится с такой задачей? Просто реальной альтернативы транзисторам на высоких частотах для ОУ нет. Это намёк на камлания, что ваша схема на транзисторах не нужна, типа этот моветон и сейчас всё на микросхемах.
Ответить
0

[Автор]
Глеб2003 #
1. Ну попробуйте собрать ШИМ на 5 ГГц на микросхемах, удачи. Зачем нужен ШИМ на такую частоту даже не спрашиваю.
2. Моветон для тех, кто собирает мигалку на двух светодиодах с использованием микросхем, так как слово "мультивибратор" для них ругательное.
Ответить
0
EVgen324 #
Вся выше описанная конструкция справлялась с 6 моторами печек по бортам автобуса. Так что 555 еще рано списывать со счетов!
Ответить
0

[Автор]
Глеб2003 #
А какая суммарная мощность моторов?
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется сила тока?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Конструктор регулируемого преобразователя напряжения LM317
Конструктор регулируемого преобразователя напряжения LM317
Мультиметр DT9205A Бокс для хранения компонентов
вверх