Простой ШИМ-регулятор на таймере NE555

Петр Петров, г. София (Болгария), Игорь Безверхний, г. Киев (Украина)
Широтно-импульсной модуляция (ШИМ) широко используется в самых разнообразных схемах от различных импульсных блоков питания ИБП) до схем управления яркостью, контрастностью, громкостью и другими параметрами телевизоров, мониторов и другой РЭА (радиоэлектронной аппаратурой), а также для управления силой тока и мощностью потребления таких электрических нагрузок, как лампы накаливания, электродвигатели, светодиоды и нагревательные приборы. Заметим также, что усилители, работающие в режиме класса D преобразуют усиливаемый аналоговый сигнал в ШИМ-сигнал и после его усиления производят обратное преобразование.
В этой статье рассказано о том, что представляет собой простейший ШИМ-регулятор на базе микросхемы таймера NE555, собрать который всего за 2-3 часа может даже новичок.


Хочу напомнить начинающим радиолюбителям, что представляет собой широтно-модулированный сигнал ШИМ (рис.1). ШИМ-сигнал -это импульсный сигнал, в котором длительность импульсов (длительность паузы и скважность тоже) определяется мгновенным значением напряжения модулирующего сигнала или значением управляющего напряжения (для ШИМ-регуляторов). Как правило, чем больше длительность, тем меньше пауза.
ШИМ-сигналы формируются в, так называемых широтно-импульсных модуляторах. Замечу, что в некоторых устройствах, например, в ИБП, узлы, формирующие и использующие ШИМ-сигналы, называют ШИМ-контроллерами. Устройства предназначенные для ручной регулировки мощности потребляемой нагрузкой, использующие ШИМ, называют ШИМ-регуляторами.
На практике можно встретить ШИМ-сигналы, частота которых неизменна, и такие, частота которых «гуляет» в зависимости от длительности импульса. На рис.1 показаны ШИМ-сигналы, частота и период повторения импульсов которых неизменны.
Сигнал ШИМ может быть преобразован в аналоговый сигнал, а в импульсных блоках питания в стабильное постоянное напряжение, с помощью RC или LC фильтра.
На рис.1 а изображен ШИМ-сигнал с малой скважностью (импульс большой длительности, а пауза - малой). Этот сигнал имеет постоянную составляющую, которая может быть определена на графике методом «равенства площадей» положительной и отрицательной части периода. На графиках рис. 1 а, б она изображена горизонтальной пунктирной линией. В нижней части рис.1а показано как будет выглядеть этот сигнал после фильтра. При хорошем сглаживании в идеале после фильтра для такого ШИМ-сигнала будет формироваться практически постоянное напряжение близкое по величине к постоянной составляющей исходного ШИМ-сигнала. На рис.1а оно будет достаточно велико.
На рис. 1б изображен ШИМ-сигнал с большой скважностью (импульс небольшой длительности, а пауза достаточно велика). Такой сигнал имеет небольшую постоянную составляющую. Это значит, что после сглаживания получится небольшое по величине постоянное напряжение.
Методы получения ШИМ-сигналов весьма разнообразны. Один из них - это ШИМ на базе таймера NE555. Его используют, обычно, в регуляторах мощности потребления осветительных и нагревательных приборов, а также регуляторах скорости электродвигателей постоянного тока, например, в микродрели для сверления плат.

На рис.2 приведена принципиальная схема ШИМ-регулятора для управления яркостью свечения LED-светильника на 20-ти сверхярких светодиодах. Схема самого светильника размещена на этом рисунке справа.
ШИМ-регулятор на микросхеме таймера DA1 NE555 представляет собой мультивибратор с разделёнными цепями заряда и разряда время-задающего конденсатора (емкости). Причем, если при регулировке потенциометром Р1 увеличивается длительность выходного импульса, то на такой же промежуток времени уменьшается длительность паузы и наоборот.
Функциональное назначение основных деталей схемы рис.2
Назначение наиболее важных деталей «обвязки» микросхемы DA1:
• С1, С2, СЗ - конденсаторы времязадающий цепи (см. ниже);
• R1, R7, левая часть потенциометра Р1 - резисторы времязадающей цепи, задающие длительность импульса;
• R1, R8, правая часть потенциометра Р1 - резисторы времязадающей цепи, задающие длительность паузы между импульсами;
• VD1, VD2 - разделительные диоды времяза-дающих цепей для раздельного формирования длительностей импульса и паузы;
• С4 - блокирует неиспользуемый вывод 5 (CON) таймера DA1 по переменному напряжению («наводке»);
• R6 - подтягивающий резистор по входу сброса, вывод 4.

Частоту работы ШИМ-регулятора DA1 NE555 в этой схеме можно определить по формуле:
F=1,44/(C*(P1+R7+R8))
где С - емкость времязадающий цепи. Емкость времязадающий цепи переключается перемычками J1 и J2 и может быть равной:
• СЗ = 1000 пф, если обе перемычки J1 и J2 отключены. В этом случае частота генератора ШИМ приблизительно равна 7,1 кГц.
• СЗ + С1 = 3200 пФ, если перемычка J1 замкнута, a J2 разомкнута. В этом случае частота генератора ШИМ приблизительно равна 2,2 кГц.
• С2 + С1 = 11000 пФ, если перемычка Л разомкнута, a J2 замкнута. В этом случае частота генератора ШИМ приблизительно равна 650 Гц.
• СЗ + С2 + С1 = 13200 пФ, если обе перемычки J1 и J2 замкнуты. В этом случае частота генератора ШИМ приблизительно равна 540 Гц. Заметим, что от номинального сопротивления
резистора R1 будут зависеть минимальная и максимальная скважности импульсов на выходе ШИМ.
Работа схемы:
Работу схемы рис.2 будем рассматривать с момента, когда времязадающая емкость разряжена, а внутренний транзисторный ключ микросхемы, открытый коллектор которого выведен на вывод 7 (DIS) микросхемы, заперт, а на выходе 3 (QUT) будет низкий потенциал. При этом, времязадающая емкость (СЗ, С1, С2) будет заряжаться по цепи: плюс источника питания (верхний по схеме вывод разъема ХЗ) - R1 - разделительный диод VD1 - R7 - левая часть потенциометра Р1 -емкость времязадающий цепи - корпус.
Нарастающее напряжение с заряжающейся времязадающей емкости приложено ко входу порогового устройства выводу 6 (THR). Как только оно достигнет максимума (2/3 напряжения питания), на выходе 3 (QUT) напряжение возрастет скачком практически до напряжения питания. Кроме того, откроется внутренний транзисторный ключ микросхемы, который замыкает вывод 7 (DIS - discharge переводится как разряд) на корпус. Емкость времязадающий цепи начинает разряжаться через: правую часть потенциометра Р1 - R8 - DA11 - VD2 - выводы 7 (DIS) и 1 (GND) DA1.
Когда времязадающая емкость разрядится до напряжения равного 1/3 напряжения питания, на выводе 3 (QUT) появится высокий потенциал, а внутренний транзисторный ключ микросхемы за-
кроется, отключив вывод 7 (DIS) от корпуса. Начинается заряд емкости времязадающей цепи. Процесс повторяется вновь.
Импульсный сигнал с вывода 3 (QUT) DA1 через делитель напряжения R2, R4 поступает на транзисторный ключ VT1, который обеспечивает включение и выключение нагрузки (в данном случае светодиодного светильника.
Выходной ключ необходим для подключения ШИМ-регулятору относительно мощных нагрузок, т.к. таймер NE555 может обеспечить выходного тока не более 200 мА. Для оптимальной работы таймера без перегрева, его максимальное значение следует ограничить величиной 100 мА, что можно осуществить изменением (увеличением) номинала резистора R2.
В качестве транзисторного ключа VT1, в зависимости от мощности (тока потребления) подключаемой нагрузки и величины напряжения питания, можно использовать обычные биполярные n-p-n транзисторы: BD135, TIP41, 2SD882, 2N3055
или аналогичные им, а также составные n-р-n транзисторы (транзисторы Дарлингтона): TIP122, BD681, ВDW93 и т.п. VT1 устанавливается на теплоотвод.
Предохранители F1 и F2 выбирают исходя из силы тока потребления нагрузкой. Они должны быть рассчитаны на ток, который приблизительно в три раза больше тока нагрузки. Предохранители защищают транзистор и источник питания от перегрузки, хотя вполне допустимо один из них и даже оба из схемы исключить.
Диоды D5, D6 и D7, работая как стабисторы, ограничивают напряжение на базе VT1. При использовании обычных биполярных транзисторов используются два последовательно включенных диода, а в случае применения составного транзистора - три. Резистор ООС R5 также защищает VT1 от перегрузки, ограничивая его коллекторный ток.
Как указывалось ранние, вместо светодиодного светильника к выходу ШИМ-регулятора можно подключать мини дрель для сверления плат. На холостом ходу сопротивление ее электродвигателя имеет ярко выраженную индуктивную составляющую. Сопротивление индуктивного характера имеют также реле, тяговые электромагниты и т.п. Для защиты транзистора от бросков ЭДС самоиндукции при включении нагрузки индуктивного характера установлен снабберный (демпферный) диод VD4. Для подобных и активных нагрузок удобен светодиодный индикатор HL1 (с балластным резистором R3). Его яркость свечения пропорциональна току (мощности) в нагрузке.
РА 10-2017

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR