PWM Power Controller

TEILE UND MATERIALIEN

• Vier 6-Volt-Batterien
• Ein Kondensator, 100 µF Elektrolyt, 35 WVDC (Radio Shack Katalog # 272-1028 oder gleichwertig)
• Ein Kondensator, 0,1 µF, nicht polarisiert (Radio Shack Katalog Nr. 272-135)
• Ein 555 Timer-IC (Radio Shack Katalog # 276-1723)
• Dualer Operationsverstärker, Modell 1458 empfohlen (Radio Shack Katalog # 276-038)
• Ein NPN-Leistungstransistor – (Radio Shack-Katalog Nr. 276-2041 oder gleichwertig)
• Drei 1N4001 Gleichrichterdioden (Radio Shack Katalog Nr. 276-1101)
• Ein 10 kΩ Potentiometer, linear verjüngt (Radio Shack Katalog # 271-1715)
• Ein 33-kΩ-Widerstand
• 12-Volt-Auto-Rücklichtlampe
• Audiodetektor mit Kopfhörer

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 8:„Operationsverstärker“

Lektionen in Stromkreisen , Band 2, Kapitel 7:„Mischfrequenz-Wechselstromsignale“

LERNZIELE

• Um zu veranschaulichen, wie der 555-Timer als astabiler Multivibrator verwendet wird
• Um zu veranschaulichen, wie man einen Operationsverstärker als Komparator verwendet
• Um zu veranschaulichen, wie man mit Dioden ungewollte Gleichspannung absenkt
• Um zu veranschaulichen, wie die Leistung einer Last durch Pulsweitenmodulation gesteuert wird

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Diese Schaltung verwendet einen 555-Timer, um eine Sägezahnspannungswellenform an einem Kondensator zu erzeugen, und vergleicht dann dieses Signal mit einer konstanten Spannung, die von einem Potentiometer bereitgestellt wird, wobei ein Operationsverstärker als Komparator verwendet wird. Der Vergleich dieser beiden Spannungssignale erzeugt einen Rechteckwellenausgang des Operationsverstärkers, dessen Tastverhältnis je nach Position des Potentiometers variiert.

Dieses Signal mit variablem Tastverhältnis treibt dann die Basis eines Leistungstransistors an und schaltet den Strom durch die Last ein und aus. Die Oszillationsfrequenz des 555 ist viel höher als die Fähigkeit des Lampenfadens, thermisch zu wechseln (Heizen und Kühlen), also jede Variation des Tastverhältnisses oder der Pulsbreite , hat den Effekt, die Gesamtverlustleistung der Last im Laufe der Zeit zu kontrollieren.

Die Steuerung der elektrischen Leistung durch eine Last durch schnelles Ein- und Ausschalten und Variieren der Einschaltzeit wird als Pulsweitenmodulation bezeichnet , oder PWM . Es ist ein sehr effizientes Mittel zur Steuerung der elektrischen Leistung, da das Steuerelement (der Leistungstransistor) beim Ein- und Ausschalten vergleichsweise wenig Leistung verbraucht, insbesondere im Vergleich zur verschwendeten Verlustleistung eines Rheostats in einer ähnlichen Situation. Wenn der Transistor abgeschaltet ist, ist seine Verlustleistung null, da kein Strom durch ihn fließt.

Wenn der Transistor gesättigt ist, ist seine Verlustleistung sehr gering, da zwischen Kollektor und Emitter nur wenig Spannung abfällt, während er Strom leitet. PWM ist ein Konzept, das durch Experimentieren leichter zu verstehen ist als durch Lesen. Es wäre schön, die Kondensatorspannung, die Potentiometerspannung und die Ausgangswellenformen des Operationsverstärkers alle auf einem (dreispurigen) Oszilloskop zu sehen, um zu sehen, wie sie sich zueinander und zur Lastleistung verhalten. Die meisten von uns haben jedoch keinen Zugang zu einem Dreispur-Oszilloskop, geschweige denn zu einem Oszilloskop. Eine alternative Methode besteht also darin, den 555-Oszillator so weit zu verlangsamen, dass die drei Spannungen mit einem einfachen DC-Voltmeter verglichen werden können.

Ersetzen Sie den 0,1-µF-Kondensator durch einen mit 100 µF oder mehr. Dadurch wird die Oszillationsfrequenz um einen Faktor von mindestens tausend verlangsamt, sodass Sie die Kondensatorspannung langsam messen können mit der Zeit ansteigen und der Ausgang des Operationsverstärkers von „hoch “ bis „niedrig ” wenn die Kondensatorspannung größer als die Potentiometerspannung wird. Bei einer so langsamen Oszillationsfrequenz wird die Lastleistung nicht wie zuvor dosiert.

Vielmehr wird die Lampe in regelmäßigen Abständen ein- und ausgeschaltet. Experimentieren Sie ruhig mit anderen Kondensator- oder Widerstandswerten, um die Schwingungen so weit zu beschleunigen, dass die Lampe nie vollständig ein- oder ausschaltet, sondern „gedrosselt . wird ” durch schnelles Ein- und Ausschalten des Transistors.

Wenn Sie den Schaltplan untersuchen, werden Sie zwei . bemerken parallel geschaltete Operationsverstärker. Dies geschieht, um dem Basisanschluss des Leistungstransistors eine maximale Stromausgabe bereitzustellen. Ein einzelner Operationsverstärker (die Hälfte eines 1458-IC) kann möglicherweise nicht genügend Ausgangsstrom liefern, um den Transistor in die Sättigung zu treiben, daher werden zwei Operationsverstärker gleichzeitig verwendet.

Dies sollte nur erfolgen, wenn die betreffenden Operationsverstärker überlastgeschützt sind, wie dies bei den Operationsverstärkern der Serie 1458 der Fall ist. Andernfalls ist es möglich (wenn auch unwahrscheinlich), dass sich ein Operationsverstärker vor dem anderen einschaltet und es zu Schäden kommt, wenn die beiden Ausgänge kurzgeschlossen werden (einer treibt "high ." an). “ und der andere fährt „niedrig " gleichzeitig). Der inhärente Kurzschlussschutz des 1458 ermöglicht die direkte Ansteuerung der Basis des Leistungstransistors, ohne dass ein Strombegrenzungswiderstand erforderlich ist.

Die drei in Reihe geschalteten Dioden, die die Ausgänge der Operationsverstärker mit der Basis des Transistors verbinden, sind dazu da, die Spannung abzusenken und sicherzustellen, dass der Transistor in die Sperre fällt, wenn die Ausgänge der Operationsverstärker „low“ werden. Da der Operationsverstärker 1458 seine Ausgangsspannung nicht bis zum Massepotential, sondern nur bis auf etwa 2 Volt Masse schwingen kann, würde eine direkte Verbindung vom Operationsverstärker zum Transistor dazu führen, dass der Transistor nie vollständig abschaltet. Durch das Hinzufügen von drei Siliziumdioden in Reihe fallen etwa 2,1 Volt (0,7 Volt mal 3) ab, um sicherzustellen, dass an der Basis des Transistors eine minimale Spannung anliegt, wenn die Ausgänge des Operationsverstärkers „niedrig . werden .”

Es ist interessant, das Ausgangssignal des Operationsverstärkers über einen Audiodetektor zu hören, da das Potentiometer über seinen gesamten Bewegungsbereich eingestellt wird. Die Einstellung des Potentiometers hat keinen Einfluss auf die Signalfrequenz, beeinflusst jedoch stark das Tastverhältnis. Beachten Sie den Unterschied in der Tonqualität oder Klangfarbe , da das Potentiometer das Tastverhältnis von 0 % über 50 % bis 100 % variiert. Durch das Variieren des Tastverhältnisses ändert sich der harmonische Inhalt der Wellenform, wodurch der Ton anders klingt.

Möglicherweise bemerken Sie eine besondere Einzigartigkeit des über die Detektorkopfhörer zu hörenden Klangs, wenn sich das Potentiometer in der Mittelposition befindet (50 % Arbeitszyklus – 50 % Lastleistung), im Gegensatz zu einer Art Ähnlichkeit des Klangs knapp über oder unter 50 % Arbeitszyklus. Dies ist auf das Fehlen oder Vorhandensein von geradzahligen Harmonischen zurückzuführen. Jede Wellenform, die oberhalb und unterhalb ihrer Mittellinie symmetrisch ist, wie beispielsweise eine Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50 %, enthält nein geradzahlige Harmonische, nur ungerade.

Wenn das Tastverhältnis unter oder über 50 % liegt, wird die Wellenform nicht weisen diese Symmetrie auf, und es gibt geradzahlige Harmonische. Das Vorhandensein dieser geradzahligen harmonischen Frequenzen kann vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden, da einige von ihnen Oktaven entsprechen der Grundfrequenz und damit „fit ” natürlicher in das Tonschema.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt zur Signalmodulation