Пример №7 — Простой генератор прямоугольных импульсов на NE555
При включении цепи конденсатор С1 разряжается и на выходе 3 таймера NE555 высокий уровень. Затем конденсатор С1 начинает постепенно заряжаться через резистор R1.
Когда потенциал на конденсаторе и, следовательно, на контакте 6 (стоп) таймера достигает примерно 2/3 напряжения питания, сигнал на контакте 3 переходит на низкий уровень. Теперь конденсатор начинает разряжаться через резистор R1. Когда уровень напряжения на входе 2 (пуск) упадет до 1/3 Usup., На выходе снова будет высокий уровень. И процесс повторится снова.
Если вы добавите к выходу еще одну RC-цепь (выделена красным), выходной сигнал будет близок к синусоиде.
Пробуем на практике
Как вы уже поняли, частота генератора определяется параметрами синхронизирующей RC-цепочки: сопротивление резистора и емкость конденсатора будут определять, как долго продлится заряд / разряд конденсатора. Примерная формула:
Верхняя частота генератора ограничена скоростью переключения КМОП-элементов (условно около 2 МГц). При этом генератор безопасно работает даже на достаточно низких частотах:
- C1…………. 1 мкФ
- R1…………. 680 кОм
- f…………… 1 Гц.
Схема собрана на макетной плате. Чтобы посмотреть, как работает генератор, я подключил к его выходу светодиод через токоограничивающий резистор. Считается, что такая микросхема выдерживает выходной ток до 6,8 мА, поэтому вполне способна зажечь не очень мощный светодиод без дополнительного включения транзистора. Вот что произошло:
Ну вот как выглядит сигнал генератора на осциллограмме:
Осциллограмма выходного сигнала генератора
ШИМ регулятор на микросхеме NE555
Аббревиатура «PWM» довольно распространена в технической среде, это означает «широтно-импульсная модуляция». Сигнал ШИМ представляет собой непрерывную последовательность прямоугольных импульсов, ключевыми параметрами этого сигнала будут длительность самого импульса (ширина) и частота сигнала. Связь между длительностью импульса и длительностью паузы между импульсами называется скважностью, она может варьироваться от 0 до 100%, если скважность равна 0%, сигнал будет полностью отсутствовать. Если вы начнете постепенно увеличивать длительность, импульсы будут выглядеть как тонкие иголки, если вы увеличите еще одну, они будут иметь вид прямоугольников. В том случае, если скважность составляет 50%, длительность паузы становится равной длительности самого импульса, но если скважность увеличивается до 100%, сигнал просто превратится в какое-то постоянное напряжение — там просто не будет паузы между порывами. Если интегрировать такую непрерывную последовательность импульсов, мы получим своего рода постоянное напряжение, амплитуда которого будет меньше колебаний самих импульсов и будет строго зависеть от скважности.
Чем выше процент скважности, тем соответственно будет амплитуда напряжения постоянного тока после интегрирования. Именно это интересное свойство используется в контроллерах PWM: устройство, мощность которого необходимо регулировать, приходит не с постоянным напряжением, а с таким сигналом из прямоугольных импульсов, то есть путем регулирования рабочего цикла, напряжения на нагрузка тоже меняется. Интеграция происходит «автоматически» из-за наличия выходного конденсатора, а также паразитных резисторов и индуктивностей. Кроме того, для некоторых устройств, таких как нагреватели, не имеет значения, какая форма напряжения питания, импульсы или постоянного тока. Огромным преимуществом контроллеров PWM является их высокая эффективность, поэтому они так популярны в электронике. Дело в том, что для создания прямоугольных импульсов на нагрузке управляющий транзистор работает в ключевом режиме, то есть всегда находится в одном из двух состояний, полностью закрытом или полностью открытом. В первом случае ток через него вообще не течет, поэтому тепло не выделяется, во втором случае это перемычка с очень низким перепадом напряжения — тепло тоже практически не выделяется, особенно если использовать транзисторы с сопротивление открытого канала минимально возможное. Рассеяние тепла на транзисторе происходит в основном из-за потерь при переключении транзистора, поскольку он меняет свое состояние несколько тысяч раз в секунду. Поэтому при смене маломощной нагрузки радиатор вообще не нужен, а вот для мощного (при токе 5-7 А) может понадобиться радиатор небольшого размера. В интернете есть множество схем различных ШИМ-контроллеров, в том числе микроконтроллеры с различными дополнительными опциями и наворотами. Представленная ниже схема наиболее типична и проста: в ней всего один элемент управления (переменное сопротивление), который будет регулировать мощность на нагрузке, контакты для подключения самой нагрузки и напряжение питания, не более того.Как видите, ключевым элементом схемы является микросхема таймера NE555, которая действует как генератор прямоугольных импульсов. Подобный генератор также может быть собран на паре отдельных транзисторов, но микросхема обеспечивает большую надежность работы и стабильность в зависимости от температуры. Резистор R1 — потенциометр, который будет регулировать мощность. В одном из его положений напряжение на нагрузке будет практически нулевым, а во втором — напряжение питания, как если бы нагрузка была просто подключена напрямую. Этот элемент управления может быть установлен на плате в виде режущего резистора или выведен на провода и закреплен на корпусе с ручкой. Здесь можно использовать практически любые переменные резисторы сопротивлением от 10 до 50 кОм, характеристика должна быть линейной. Резистор R2 устанавливает крайнее положение регулирования, установленное в цепи значение 1 кОм практически не влияет на предел регулирования. Диоды D1 и D2: подойдет любой кремниевый диод, например 1N4148 или дешевый 1N4007. Особое внимание стоит уделить конденсатору С1, так как частота ШИМ-регулятора будет зависеть от его емкости. Эта частота может быть в звуковом диапазоне, то есть ниже 20 кГц — в этом случае может появиться высокочастотный свист от нагрузки. Если после запуска схемы вы услышите свист, можно уменьшить емкость этого конденсатора, в этом случае частота схемы просто выйдет за пределы слышимости человеческого уха. Также в данном случае не мешает размещение конденсатора емкостью 100 нФ параллельно выходу схемы, а параллельно ему электролитического конденсатора 100-220 мкФ для подавления пульсаций, то есть , для дополнения импульсов прямоугольной формы. Конденсатор C1 можно использовать в керамическом исполнении, но предпочтительным вариантом будет пленочный конденсатор, поскольку здесь важна термическая стабильность и изменение емкости в зависимости от температуры может стать критическим. C2 — 1 нФ керамический.Q1 на схеме — это транзистор, который переключает нагрузку, особое внимание следует уделить выбору этого транзистора, особенно если вы планируете использовать стабилизатор с мощной нагрузкой. Стандартными вариантами будут распространенные и относительно недорогие полевые транзисторы IRF740, IRF640, а также низковольтные IRF3205, IRFZ55. Ключевыми параметрами транзисторов являются максимальный ток, максимальное напряжение (оно должно быть вдвое больше напряжения питания), а также сопротивление открытого канала. Резистор R4 в цепи ограничивает ток зарядки затвора транзистора, а R3 переводит затвор на положительное напряжение. В этом регуляторе также можно использовать биполярный транзистор, даже если он будет иметь большие потери и больший нагрев, чем полевой. Хорошим вариантом будет составной транзистор КТ827, схема с его использованием показана ниже.А также печатная плата для этой схемы.Обозначение N в кружке на схеме показывает нагрузку, мощность которой нужно регулировать, это может быть, например, лампа накаливания, мощные светодиоды, какой-то ТЭН, электродвигатель, зарядное устройство — практически любая нагрузка постоянного тока. Диод D3 служит для защиты транзистора от пиков самоиндукции, которые могут возникнуть при переключении индуктивных нагрузок. Здесь подойдет диод 1N4007.
Вся схема выполнена на довольно миниатюрной печатной плате, имеющей с каждой стороны по два контакта для подключения нагрузки и напряжения питания. На плате также есть место для установки подстроечного резистора — если тип, который вы используете, не соответствует посадочному месту на плате, вы можете открыть печатную плату в Sprint Layout и отредактировать ее, файл прикреплен в архиве в конце статья. Транзистор можно оставить на плате, если к нему не прикреплен радиатор, в противном случае его также можно вытащить на провода и поставить на радиатор. Учтите, что все кабели для подключения мощной нагрузки необходимо брать соответствующего сечения. Собранный вариант платы с биполярным транзистором показан ниже.
Напряжение питания регулятора 9-15 В, сама схема питается от того же источника, что и коммутируемая нагрузка. Счастливого строительства!