PWM 功率控制器

零件和材料

• 四节 6 伏电池
• 一个电容器，100 µF 电解电容，35 WVDC（Radio Shack 目录号 #272-1028 或同等产品）
• 一个电容器，0.1 µF，非极化（Radio Shack 目录 # 272-135）
• 一个 555 定时器 IC（Radio Shack 目录号 #276-1723）
• 双运算放大器，推荐型号 1458（Radio Shack 目录 # 276-038）
• 一个 NPN 功率晶体管——（Radio Shack 目录号 # 276-2041 或同等产品）
• 三个 1N4001 整流二极管（Radio Shack 目录号 #276-1101）
• 一个 10 kΩ 电位器，线性锥度（Radio Shack 目录号 #271-1715）
• 一个 33 kΩ 电阻器
• 12 伏汽车尾灯
• 带耳机的音频检测器

交叉引用

电路课程 ，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器”

电路课程 ，第 2 卷，第 7 章：“混频交流信号”

学习目标

• 说明如何将 555 定时器用作非稳态多谐振荡器
• 说明如何将运算放大器用作比较器
• 说明如何使用二极管降低不需要的直流电压
• 说明如何通过脉宽调制控制负载功率

原理图

插图

说明

该电路使用 555 定时器在电容器上生成锯齿波电压波形，然后将该信号与电位计提供的稳定电压进行比较，使用运算放大器作为比较器。这两个电压信号的比较从运算放大器产生方波输出，占空比根据电位器的位置而变化。

然后这个可变占空比信号驱动功率晶体管的基极，打开和关闭通过负载的电流。 555 的振荡频率远高于灯丝的热循环能力（加热和冷却），因此占空比或脉冲宽度的任何变化 , 具有控制负载随时间消耗的总功率的作用。

通过快速打开和关闭负载并改变“开启”时间来控制通过负载的电力，这被称为脉宽调制 , 或 PWM .这是一种非常有效的控制电功率的方法，因为控制元件（功率晶体管）在打开和关闭时消耗的功率相对较小，尤其是与变阻器在类似情况下消耗的功率浪费相比。当晶体管处于截止状态时，由于没有电流通过，其功耗为零。

当晶体管饱和时，它的耗散非常低，因为它在传导电流时集电极和发射极之间的压降很小。 PWM 是一个通过实验比阅读更容易理解的概念。最好在一台（三道）示波器上查看电容器电压、电位计电压和运算放大器输出波形，以了解它们之间的关系以及与负载功率的关系。然而，我们大多数人都无法使用三道示波器，更不用说任何示波器了，因此另一种方法是将 555 振荡器减慢到足够低的速度，以便可以将三个电压与简单的直流电压表进行比较。

用 100 µF 或更大的电容器替换 0.1 µF 电容器。这将使振荡频率降低至少一千倍，使您能够缓慢地测量电容器电压 随着时间的推移，运算放大器输出从“高 ”到“低 ”当电容电压大于电位器电压时。如此缓慢的振荡频率，负载功率不会像以前那样成正比。

相反，灯会定期打开和关闭。随意尝试使用其他电容器或电阻器值来加速振荡，使灯永远不会完全打开或关闭，而是“节流 ”通过晶体管的快速开关脉冲。

当您检查原理图时，您会注意到两个 运算放大器并联。这样做是为了向功率晶体管的基极端子提供最大电流输出。单个运放（1458 IC的二分之一）可能无法提供足够的输出电流来驱动晶体管进入饱和状态，因此需要串联使用两个运放。

仅当有问题的运算放大器有过载保护时才应该这样做，1458 系列运算放大器就是这样。否则，一个运算放大器有可能（尽管不太可能）在另一个之前打开，并且两个输出彼此短路（一个驱动“高 ”和另一个驱动“低 “ 同时）。 1458自带的短路保护功能，可以直接驱动功率晶体管的基极，无需限流电阻。

将运算放大器的输出连接到晶体管基极的三个串联二极管用于降低电压并确保当运算放大器输出变为“低电平”时晶体管进入截止状态。因为 1458 运算放大器不能将其输出电压一直下降到地电位，而只能在大约 2 伏的地电位范围内，所以从运算放大器到晶体管的直接连接意味着晶体管永远不会完全关闭。串联添加三个硅二极管会降低大约 2.1 伏（0.7 伏乘以 3），以确保当运算放大器输出“低时晶体管基极的电压最小 .”

当电位计在其整个运动范围内进行调整时，通过音频检测器收听运算放大器输出信号很有趣。调节电位器对信号频率没有影响，但对占空比影响很大。请注意音质或音色的差异 ，因为电位计的占空比从 0% 到 50% 再到 100%。改变占空比具有改变波形谐波含量的作用，使音色听起来不同。

您可能会注意到，当电位计处于中心位置（50% 占空比 - 50% 负载功率）时，通过检测器耳机听到的声音具有特殊的独特性，而在 50% 占空比之上或之下的声音则具有某种相似性。这是由于不存在或存在偶数谐波。任何在其中心线上下对称的波形，例如占空比为 50% 的方波，都包含no 偶数谐波，只有奇数谐波。

如果占空比低于或高于 50%，波形将不 表现出这种对称性，并且会有偶数谐波。这些偶数谐波频率的存在可以被人耳检测到，因为它们中的一些对应于八度 基频，因此“拟合 ”更自然地融入色调方案。

相关工作表：

• 信号调制工作表