Оглавление
- Arduino и ШИМ
- Обзор модуля генератора импульсов на NE555
- Общие принципы работы проекта
- Схема импульсного источника питания двухполярного напряжения
- Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая
- Таймеры-счетчики
- Пробуем на практике
- Высокоточный генератор ШИМ с кнопочным контролем
- Генератор ШИМ сигнала с изменением скважности
- Блокинг-генератор
- Перейдем от теории к практике
- Доработка генератора ГУК-1
- Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая
- Внешний вид макета
- Принцип работы
Arduino и ШИМ
В уроке про функции времени я рассказывал, что у микроконтроллера есть так называемые счётчики, которые считают “пинки” от тактового генератора (кварца). Данные счётчики как раз и генерируют ШИМ сигнал, т.е. само вычислительное ядро микроконтроллера в этом не участвует. Помимо расчётов, даже вывод сигнала с ноги МК ложится на плечи счётчика
Это очень важно понимать, потому что ШИМ сигнал не тормозит выполнение кода, так как его генерацией занимается буквально “другая железка”. На платах UNO/Nano/Pro Mini у нас есть три таймера-счётчика, у каждого таймера есть по два выхода на пины МК, то есть у нас есть 2*3=6 пинов, способных генерировать ШИМ сигнал
Для генерации ШИМ у нас есть готовая функция analogWrite(pin, duty)
- pin – пин, являющийся выводом таймера. Для Нано/Уно это пины D3, D5, D6, D9, D10, D11. На некоторых платах они помечены * звёздочкой, а вообще для определения ШИМ пинов на любой другой модели Ардуино достаточно загуглить распиновку
- duty – заполнение ШИМ сигнала. По умолчанию все “выходы” ШИМ у нас 8-битные, то есть duty может принимать значение с “разрешением” 8 бит, а это 0-255
Совместим эти знания с прошлым уроком и попробуем менять яркость светодиода, подключенного через резистор к пину D3. Потенциометр подключен к пину A0
void setup() { pinMode(3, OUTPUT); // D3 как выход } void loop() { // ШИМ на 3 пин, 1023/4 = 255 — перевели диапазон analogWrite(3, analogRead(0) / 4); delay(10); }
Рассмотренный пример меняет яркость светодиода в зависимости от положения рукоятки потенциометра. Пару слов о “стандартном” ШИМ сигнале – мы получаем его с такими настройками, какие нам даёт библиотека Arduino.h, а настройки эти сильно занижены по сравнению с возможностями Arduino. Про “улучшение” ШИМ мы поговорим позже, а сейчас давайте глянем на характеристики ШИМ “из коробки”:
| Таймер | Пины | Частота | Разрешение |
| Timer 0 | D5 и D6 | 976 Гц | 8 бит (0-255) |
| Timer 1 | D9 и D10 | 488 Гц | 8 бит (0-255) |
| Timer 2 | D3 и D11 | 488 Гц | 8 бит (0-255) |
Это весьма плачевные цифры, особенно по частоте. Все таймеры приведены под одну гребёнку, чтобы пользователь не думал не гадал и лишнюю документацию не изучал. К изменению частоты и разрядности ШИМ мы вернёмся в отдельном уроке, а пока что можете посмотреть данный урок в видео варианте.
Обзор модуля генератора импульсов на NE555
Сегодня расскажу о модуле генератора импульсов на микросхеме NE555 (YS-32), которая способна работать от 10 до 200 кГц. Данный модуль используется для намотки спидометра, ремонте и так далее.
Технические параметры
► Микросхема: NE555; ► Форма генерируемых импульсов: прямоугольные импульсы; ► Рабочее напряжение: 5-15 В; ► Диапазоны частот: 1-50Гц, 50Гц — 1кГц, 1-10кГц, 10-200 кГц; ► Потребляемый ток: 100 мА; ► Выходной ток: 35 мА; ► Размеры: 31 х 22 х 17 мм; ► Вес: 7 г.
Обзор модуля NE555
Модуль основан на микросхеме NE555, которая была выпущена еще в 1971 году, компанией Signetics и которая на сегодняшний день остается популярной. Сам модуль имеет небольшие размеры, всего 31 на 17 мм. Частота выходного сигнала регулируется с помощью потенциометра, в определенном диапазоне, который задается с помощью перемычек: 1-50Гц, 50Гц — 1кГц, 1-10кГц и 10-200 кГц
Вторым потенциометром регулируется скважность. Для подключения используется трех контактный штыревой разъем, шагом 2,54 мм
Назначение контактов: ► GND – Вывод питания, земля. ► OUT – Сигнальный вывод. ► VCC – Вывод питания, от 5 до 15 В.
Принципиальная схема:
Показания осциллограмм выходного сигнала NE555
Покажу показания выходного сигнала снятые с помощью осциллографа, потенциометр частоты и скважности выкрутил на минимум и на максимум. 1
Перемычка установлен на 1 Гц — 50 Гц, потенциометры на минимуме.
2. Перемычка установлен на 50 Гц — 1 кГц, потенциометры на минимуме.
3. Перемычка установлен на 1 кГц — 10 кГц, потенциометры на минимуме.
4. Перемычка установлен на 10к Гц — 200 кГц, потенциометры на минимуме.
5
Перемычка установлен на 1 Гц — 50 Гц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса)
6
Перемычка установлен на 50 Гц — 1 кГц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса)
7
Перемычка установлен на 1 кГц — 10 кГц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса)
8
Перемычка установлен на 10 кГц — 200 кГц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса)
Подключение модуля NE555 к Arduino
Необходимые детали: ► Arduino UNO R3 x 1 шт. ► Генератор импульсов на NE555 (от 1 Гц до 200 кГц ) x 1 шт. ► Провода DuPont M-F, 20 см x 1 шт.
Подключение: Для наглядности подключим модуль генератора импульсов NE555 к аналоговому выводу Arduino, принципиальная схема подключена показана ниже.
Программа: Скетч не сложный, просто считываем показания с аналогово порта А0 и полученные данные передаем в последовательный порт.
Общие принципы работы проекта
Генератор состоит из небольшого числа компонентов: платы Arduino Nano, ЖК дисплея, 3-х подтягивающих резисторов и 3-х кнопок.
В генераторе можно изменять период (частоту) повторения импульсов с помощью кнопок, подключенных к контактам 6 и 7 платы Arduino
С помощью кнопки, подключенной к контакту 13, можно изменять скважность импульсов. Длительность импульсов и скважность будут отображаться в первой строке ЖК дисплея, а частота – во второй строке ЖК дисплея
Минимальный шаг для настройки периода повторения импульсов составляет 1 мкс, поэтому частота импульсов будет изменяться также дискретно, например, периоду 1 мкс будет соответствовать частота 1 МГц, периоду 2 мкс – частота 500 кГц, периоду 3 мкс – частота 333.333 Гц и т.д. То есть по мере уменьшения частоты увеличивается плавность ее настройки. Конечно, это не очень практично для высоких частот, но это вынужденная плата за простоту устройства. Более продвинутый генератор можно собрать на основе использования DDS модуля, но это уже будет значительно более сложное устройство.
Для проверки работы генератора автор проекта использовал простой одноканальный осциллограф (который также можно собрать на основе платы Arduino). Для удобства работы с генератором он был помещен в небольшой корпус.
Схема импульсного источника питания двухполярного напряжения
Он собран на одной микросхеме NE555 (рис.1), которая служит задающим генератором прямоугольных импульсов. Генератор собран по классической схеме. Частота следования выходных импульсов генератора 6,474…6,37 кГц. Она изменяется в зависимости от напряжения питания, которое может быть 3,6 В (3 аккумулятора в кассете питания) и 4,8 В (при 4 аккумуляторах в кассете). В схеме импульсного источника питания были использованы аккумуляторы ENERGIZER типоразмера АА емкостью 2500 мА-ч. Прямоугольные импульсы с выхода 3 МС 555 через ограничивающий резистор R5 подаются на базу транзисторного ключа VT1, нагрузкой которого является дроссель L1 индуктивностью 3 мГн. При резком запирании этого транзистора в дросселе L1 наводится большая ЭДС самоиндукции. Полученные таким образом высоковольтные импульсы поступают на два параллельных выпрямителя с удвоением напряжения, на выходах которых будут два разнополярных напряжения ±4,5…15 В.
Эти напряжения можно регулировать, изменяя скважность выходных импульсов с помощью потенциометра R1. Постоянное напряжение с движка R1 попадает на вывод 5 МС555 и меняет скважность, а следовательно, и выходные напряжение обоих выпрямителей
Выходные напряжения этого источника будут идеально равны только в том случае, когда скважность импульсов генератора будет равна 2 (длительность импульсов равна паузе между ними)
При другой скважности импульсов выходные напряжения источника в точках А и Б будут несколько разниться (до 1…2 В). Столь небольшая разница обеспечивается применением в схеме импульсного источника питания выпрямителей удвоения, конденсаторы которых заряжаются как положительными, так и отрицательными импульсами
Этот недостаток компенсируется простотой и дешевизной схемы.
В этой схеме импульсного источника питания можно использовать дроссели от электронных балластов негодных экономичных ламп дневного света. Разбирая эти лампы, старайтесь не повредить спиральные или U-образные стеклянные трубки, так как они содержат ртуть. Делать это лучше на открытом воздухе. На некоторых дросселях, особенно импортных, нанесена величина индуктивности в мГн (2.8, 2.2, 3.0, 3,6 и т.д.). Входные и выходные напряжения, потребляемый ток и частоты следования импульсов для схемы рис.1 приведены в табл.1.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая
Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.
Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.
Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.
Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.
Аналоговая широтно-импульсная модуляция
Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.
Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения
S = T/t.
Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).
Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.
В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.
Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.
При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.
Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.
Таймеры-счетчики
Таймером называется средство микропроцессора, служащее для измерения времени и реализации задержек. Основой таймера служит суммирующий счетчик, который считает количество импульсов генератора тактовой частоты.
Для таймера могут быть указаны:
- разрядость таймера;
- коэффициент предварительного деления;
- диапазон изменения счетного регистра;
- режим работы.
Разрядность таймера представляет собой разрядность двоичного счетчика, используемого для его реализации и определяет верхнюю допустимую границу счетного регистра. Например, для 8-разрядного таймера верхняя граница счетного регистра будет 2 8 -1 = 255.
Предварительный делитель – делитель частоты тактового сигнала, работающий как один или несколько последовательно соединенных T-триггеров. Таймер изменяет свое значение на 1 каждые n сигналов тактового импульса. n называют коэффициентом предварительного деления .
Зная частоту тактового генератора fosc и коэффициент предварительного деления Kpre, легко определить частоту таймера по формуле:
Время одного тика таймера соответственно будет
Полное время счета таймера (время перебора всех допустимых значений двоичного счетчика) определится как
Например, если требуется реализовать задержку 1с на 8-разрядном таймере с коэффициентом предварительного деления Kpre=1 и тактовой частотой fosc=8 МГц, имеем
tic = 0,125 мкс; Tcount = 0,125*2 8 = 32 мкс 1с/32мкс = 31250 повторений
Широтно-импульсная модуляция
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности. Скважность есть отношения периода следования импульса к длительности импульса
С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ. Обратная величина, то есть отношение длительности импульса к периоду, называется коэффициентом заполнения .
Разрядностью ШИМ называется разрядность таймера, используемого для формирования ШИМ-сигнала. Существуют два основных режима работы ШИМ:
- быстрый ШИМ;
- фазовый ШИМ.
Быстрый ШИМ
Период ШИМ определяется максимальным значением, до которого считает счетчик. В этот момент ШИМ-сигнал устанавливается в «1». При достижении счетчиком значения, поданного на второй вход цифрового компаратора, осуществляется сброс выходного ШИМ-сигнала.
Фазовый ШИМ
В данном режиме счетчик работает как суммирующий и считает от 0 до максимального значения, а при достижении максимального значения работает как вычитающий, считая до 0.
При совпадении значения счетчика с некоторым установленным значением, происходит переключение выхода ШИМ.
Частотно-импульсная модуляция — сигнал переменной частоты и постоянной скважности, равной 2. При таком виде модуляции изменяется период сигнала, а длительность импульса всегда составляет половину периода
Пробуем на практике
Как вы уже поняли, частота генератора определяется параметрами времязадающей RC-цепочки: от сопротивления резистора и ёмкости конденсатора будет зависеть, сколько времени будет длиться заряд/разряд конденсатора. Примерная формула такова:
Верхняя частота генератора ограничена скоростью переключения КМОП-элементов (условно, порядка 2 МГц). При этом и на достаточно низких частотах генератор работает уверенно:
- С1 . . . . . . . 1 мкФ
- R1 . . . . . . . 680 кОм
- f . . . . . . . . 1 Гц.
Схема собрана на макетной плате. Чтобы увидеть работу генератора, я подключил к его выходу светодиод через токоограничивающий резистор. Считается, что микросхема этого типа может выдерживать выходной ток до 6.8 мА, так что вполне способна засветить не очень мощный светодиод без дополнительного ключа на транзисторе. Вот что получилось:
Ну а вот как выглядит сигнал генератора на осциллограмме:
Осциллограмма выходного сигнала генератора
Высокоточный генератор ШИМ с кнопочным контролем
Как было сказано ранее, очень распространены аналоговые схемы ШИМ-генераторов, в частности на основе NE555
Они просты, неприхотливы, могут работать с большим диапазоном напряжений, но имеют недостаток, который в некоторых случаях может быть недопустим — параметры ШИМ-сигнала (частоту, скважность), во-первых, нельзя установить с большой точностью, а во-вторых, эти параметры могут «уплывать» при изменении температуры, влажности и т.д. Для того, чтобы построить высокоточный генератор ШИМ-сигналов не обойтись без микроконтроллера, тактируемого от точного кварца
В этом случае можно будет настраивать скважность с точностью до 1%, а также выбирать частоту из заранее заданных вариантов. Предусмотрен выбор частот между 10/20/40/80/1,25/2,5/5 кГц, этих вариантов хватит для любого применения ШИМ-генератора. Схема представлена ниже.
Генератор ШИМ сигнала с изменением скважности
- ARDUINO Контроллеры
- Расширения
- Корпуса шнуры блоки
- WeMos
- Teensy
- DfRobot
- LilyPad
- Pycom
Raspberry PI
- Модули
Расширения
Блоки питания
Карты памяти
Корпуса
Радиаторы и вентиляторы
Периферия
Переходники
Onion Omega
- Модули
Расширения
Конструкторы
Одноплатники
- NVidia
Beaglebone
Banana
Cubieboard
NanoPi
STM32 и STM8
- STM32
Discovery
Nucleo
STM8
Питание
- Преобразователи DC-DC повышающие
DC-DC понижающие
DC-DC универсальные
AC-DC
Аккумуляторы
Зарядные устройства
Контроллеры заряда
Платы контроля BMS
Лабораторные
Разъемы питания
Солнечные панели
Maynuo
Батарейки
DC-AC
TRACO POWER
Отсеки батарейные
Трансформаторы
Моторы
- Шаговые
С редуктором
С энкодером
Бесщеточные
Сервоприводы
Актуаторы
Помпы
Муфты
Постоянного тока
Драйверы и ШИМ
- Драйверы
ШИМ регуляторы
Тиристорные регуляторы
Беспроводные
- WiFi
Bluetooth
Радиопередатчики
GPS
GSM
LoRa
Датчики
- Ориентации
Влажности
Температуры
Давления
Объема
Расстояния
Слежения
Напряжения и тока
Уровня воды
Газов
Веса
Холла
Цвета и света
Движения
Касания
Обнаружения
Программирование
- Программаторы
Переходники
Разработка
Преобразователи
- Интерфейсов
Уровней
Диагностические
ЦАП и АЦП
Дисплеи
- Графические
Символьные
Nextion
Тачскрины
Измерение
- Амперметры
Вольтметры
Осциллографы
Анализаторы
USB тестеры
Частотомеры
Тестеры
Звук
- Усилители звука
Радиоприемники
MP3 модули
Излучатели
Управление и ввод
- Реле
Термостаты
Дистанционное
Соленоиды
Кнопки и клавиатуры
Энкодеры и регуляторы
Конструкторы
- Arduino
Машинки и роботы
СМАЙЛ
МастерКит
МастерКот
3D и CNC
- 3D принтеры
CNC станки
Механика
Филамент
- ABS
PLA
PETG
Разработка
- Генераторы
Часы
RFID
Модули памяти
Камеры
Ethernet
PixyCam
Механика
Паяльное
- Паяльные станции
Паяльники
Припой
Флюсы
Газовые паяльники
Вспомогательное оборудование
Инструмент
- Клейкие ленты 3M
Отвертки
Пинцеты
Наборы отверток
Оптические приборы
Умный дом
- HIPER
HiTE PRO
Sonoff
Xiaomi
Беспаечные
- Макетные платы
Модули питания
Перемычки
Наборы
- Крепеж
Разъемы
Компоненты
Термоусадка
Книги
- Программирование
Компоненты
- Процессоры
Разъемы
Реле
Ой видимо какая то ошибка !
Вот несколько причин появления ошибки
Запрошенной Вами страницы больше не существует, либо она была перемещена.
При вводе адреса Вы могли допустить ошибку.
Еще можно перечитать свой гороскоп на сегодня, может там что то есть об этом
Блокинг-генератор
По своей сути, является усилителем, собранным на базе транзисторов, расположенных в один каскад. Область применения узка – источник внушительных, но скоротечных по времени (продолжительность от тысячных долей до нескольких десятков мкс) сигналов-импульсов с большой индуктивной плюсовой обратной связью
Скважность – больше 10 и может доходить до нескольких десятков тысяч в относительных величинах. Наблюдается серьезная резкость фронтов, по своей форме практически не отличающихся от геометрически правильных прямоугольников
Применяются в экранах электронно-лучевых приборов (кинескоп, осциллограф).
Перейдем от теории к практике
Собирал генератор Тесла в корпус от АТХ. Конденсатор по питанию 1000 мкф 400в. Диодный мост из того же АТХ на 8А 600В. Перед мостом поставил резистор 10 Вт 4,7 Ом. Это обеспечивает плавный заряд конденсатора. Для питания драйвера поставил трансформатор 220-12В и еще стабилизатор с конденсатором 1800 мкФ.
Диодные мосты прикрутил на радиатор для удобства и для отвода тепла, хотя они почти не греются.
Прерыватель собрал почти навесом, взял кусок текстолита и канцелярским ножом вырезал дорожки.
Силовая была собрана на небольшом радиаторе с вентилятором, позже выяснилось, что этого радиатора вполне достаточно для охлаждения. Драйвер смонтировал над силовой через толстый кусок картона. Ниже фото почти собранной конструкции генератора Тесла, но находящейся на проверке, измерял температуру силовой при различных режимах (видно обычный комнатный термометр, прилепленный к силовой на термопласту).
Тороид катушки собран из гофрированной пластиковой трубы диаметром 50 мм и обклеенным алюминиевым скотчем. Сама вторичная обмотка намотана на 110 мм трубе высотой 20 см проводом 0,22 мм около 1000 витков. Первичная обмотка содержит аж 12 витков, сделал с запасом, дабы уменьшить ток через силовую часть. Делал с 6 витками в начале, результат почти одинаков, но думаю не стОит рисковать транзисторами ради пары лишних сантиметров разряда. Каркасом первички служит обычный цветочный горшок. С начала думал что не будет пробивать если вторичку обмотать скотчем, а первичку поверх скотча. Но увы, пробивало… В горшке конечно тоже пробивало, но здесь скотч помог решить проблему. В общем готовая конструкция выглядит так:
Ну и несколько фоток с разрядом
Теперь вроде бы все.
Доработка генератора ГУК-1
FM модуляция в генераторе ГУК-1.
Еще одна идея модернизации генератора ГУК-1, я ее не пробовал, потому, как у меня собственного генератора нет, но по идее все должно работать. Эта доработка позволяет настраивать узлы, как приемной, так и передающей аппаратуры, работающей с применением частотной модуляции, например радиостанций СВ диапазона
И, что не маловажно, с помощью резистора Rп можно подстраивать несущую частоту. Напряжение, которое используется для смещения варикапов должно быть обязательно стабилизированным
Для этих целей можно использовать однокристальные трехвыводные стабилизаторы на напряжение 5В и небольшим падением напряжения на самом стабилизаторе. В крайнем случае можно собрать параметрический стабилизатор, состоящий из резистора и стабилитрона КС156А. Прикинем величину резистора в цепи стабилитрона. Ток стабилизации КС156А лежит в пределах от 3ма до 55ма. Выберем начальный ток стабилитрона 20ма. Значит при напряжении питания 9В и напряжении стабилизации стабилитрона 5.6В, на резисторе при токе в 20ма должно упасть 9 — 5,6 = 3,4В. R = U/I = 3,4/0,02 = 170 Ом. При необходимости величину резистора можно изменить. Глубина модуляции регулируется все тем же переменным резистором R8 — регулятор выходного напряжения НЧ. При необходимости изменить пределы регулировки глубины модуляции, можно подобрать номинал резистора R*.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая
Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.
Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.
Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.
Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.
Аналоговая широтно-импульсная модуляция
Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.
Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения
S = T/t.
Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).
Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.
В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.
Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.
При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.
Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.
Внешний вид макета
Примечание. Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
В этой схеме есть три компонента без номиналов: резисторы Ra и Rb, а также конденсатор C1 (далее просто C). Дело в том, что именно с помощью этих элементов настраиваются нужные нам характеристики генерируемого импульсного сигнала. Делается это с помощью несложных формул, взятых из технической документации к микросхеме.
T = 1/F = 0.693*(Ra + 2*Rb)*C; (1)
t = 0.693*(Ra + Rb)*C; (2)
Ra = T*1.44*(2*D-1)/C; (3)
Rb = T*1.44*(1-D)/C. (4)
Здесь F — частота сигнала; T — период импульса; t — его длительность; Ra и Rb — искомые сопротивления. Исходя из этих формул, коэффициент заполнения не может быть меньше 50% (иначе мы получим отрицательное значение сопротивления). Вот это новость! А что же нам делать с гирляндой? Ведь согласно нашей постановке, коэффициент заполнения импульсного сигнала должен быть непременно 33%.
Чтобы обойти это ограничение имеется два способа. Первый способ заключается в использовании другой схемы подключения таймера. Существуют более сложные схемы, которые позволяют варьировать параметр D во всем диапазоне от 0 до 100%. Второй способ не требует переделки схемы. Мы просто-напросто инвертируем выход таймера!
Собственно, в предложенной выше схеме мы это уже и сделали. Вспомним, что катод светодиода мы соединили с выводом таймера. В этой схеме светодиод будет гореть, когда на выходе таймера будет низкий уровень.
Раз так, то нам нужно настроить сопротивления Ra и Rb схемы так, чтобы коэффициент заполнения D был равен 66.6%. Учитывая, что T = 3 сек, а D = 0.66, получаем:
Ra = 3*1.44*(2*0.66 — 1)/0.0001 = 13824 Ом
Rb = 3*1.44*(1-D)/0.0001 = 14688 Ом
На самом деле, если мы будет использовать более точные значения D, то получим Ra = Rb = 14400 Ом. Вряд ли мы найдем резистор с таким номиналом. Скорее всего нам потребуется поставить последовательно несколько резисторов, например: один резистор на 10 КОм и 4 штуки на 1 КОм. Для большей точности можем добавить еще два резистора по 200 Ом.
В результате должно получиться что-то подобное:
В этой схеме используются резисторы на 15 КОм.
Принцип работы
Допустим, после включения питания на входе DD1.1 установился низкий уровень. Значит, на выходе будет высокий уровень, который попадает на вход DD1.2, на выходе которого, в свою очередь, будет опять низкий уровень. Конденсатор C1 разряжен. И он начинает заряжаться через резистор R1, который правым выводом подключён к выходу DD1.1 — к точке, где потенциал высокий.
Постепенно напряжение на C1 растёт, и в какой-то момент окажется достаточным для переключения DD1.1 в состояние 1 на входе, 0 на выходе. Тут же и DD1.2 поменяет состояние на противоположное: 0 на входе, 1 на выходе. И процессы в RC-цепочке пойдут в обратную сторону, до тех пор, пока напряжение на конденсаторе снова не переключит DD1.1, а за ним DD1.2 и весь цикл повторится сначала. Описание несколько упрощённое (вблизи момента переключения там происходят чуть более сложные процессы), но достаточное для первоначального понимания.
