PWM-Leistungssteller: Pulsweitenmodulierter Lampentreiber bauen

Benötigte Bauteile und Materialien

• Vier 6-Volt-Batterien
• 100 µF Elektrolytkondensator, 35 WVDC (z. B. Radio Shack #272‑1028)
• 0,1 µF unpolarisierter Kondensator (Radio Shack #272‑135)
• 555-Timer-IC (Radio Shack #276‑1723)
• Dualer Operationsverstärker, 1458 (Radio Shack #276‑038)
• NPN-Leistungstransistor (Radio Shack #276‑2041 oder gleichwertig)
• Drei 1N4001 Gleichrichterdioden (Radio Shack #276‑1101)
• 10 kΩ Linearpotentiometer (Radio Shack #271‑1715)
• 33 kΩ Widerstand
• 12-Volt-Kfz-Rücklichtlampe
• Audiodetektor mit Kopfhörern

Querverweise

• Lessons In Electric Circuits, Bd. 3, Kap. 8: „Operationsverstärker“
• Lessons In Electric Circuits, Bd. 2, Kap. 7: „Gemischtfrequente AC-Signale“

Lernziele

• 555-Timer als astabilen Multivibrator demonstrieren
• Op-Amp als Komparator einsetzen
• Dioden zum Absenken unerwünschter DC-Spannung verwenden
• Leistung an eine Last über Pulsweitenmodulation (PWM) steuern

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Diese Schaltung nutzt einen 555-Timer, um eine Sägezahnspannung über einem Kondensator zu erzeugen. Die Kondensatorspannung wird von einem Op-Amp-Komparator mit einer Referenzspannung eines Potentiometers verglichen. Der Rechteckausgang des Komparators, dessen Tastverhältnis mit dem Potentiometer variiert, treibt die Basis eines Leistungstransistors an. Der Transistor schaltet die 12-V-Lampe schnell ein und aus, sodass die mittlere Lampeleistung proportional zum Tastverhältnis ist.

Das PWM-Konzept beruht auf der geringen Verlustleistung des Transistors im Sperrzustand (kein Strom) und im Sättigungszustand (minimaler Spannungsabfall). Im Vergleich zu einem Rheostat erreicht PWM eine präzise, energieeffiziente Leistungssteuerung.

Um die Wellenformbeziehungen ohne Dreikanal-Oszilloskop zu beobachten, ersetzen Sie den 0,1-µF-Kondensator durch einen 100-µF-Kondensator. Dies verlangsamt die 555-Frequenz etwa um den Faktor 1.000, sodass ein DC-Voltmeter den Kondensatoranstieg und den Komparator-Übergang verfolgen kann. Die Lampe schaltet dann sichtbar langsam ein und aus; dies demonstriert den zugrundeliegenden PWM-Mechanismus.

Zwei identische Op-Amps sind parallel geschaltet, um den notwendigen Basisstrom für den Transistor bereitzustellen. Die 1458-Serie bietet Kurzschlussschutz, falls ein Amp high treibt, während der andere low treibt. Drei Siliziumdioden in Reihe fallen ~2,1 V ab, sodass der Transistor vollständig ausschaltet, wenn der Op-Amp-Ausgang low ist, da der 1458 nicht exakt bis Masse heranreicht.

Das Abhören des Op-Amp-Ausgangs über Kopfhörer während der Potentiometer-Einstellung offenbart, wie das Tastverhältnis den harmonischen Inhalt formt. Bei 50 % Tastverhältnis ist die Wellenform eine perfekte Rechteckwelle mit nur ungeraden Harmonischen, was einen charakteristischen Klang erzeugt. Abweichungen von 50 % führen gerade Harmonischen ein, die den Klang subtil verändern.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Signal Modulation Worksheet