Controlador de potencia PWM

PIEZAS Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Un capacitor, electrolítico de 100 µF, 35 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1028 o equivalente)
• Un capacitor, 0.1 µF, no polarizado (catálogo de Radio Shack # 272-135)
• Un temporizador 555 IC (catálogo de Radio Shack n. ° 276-1723)
• Amplificador operacional dual, modelo 1458 recomendado (catálogo de Radio Shack # 276-038)
• Un transistor de potencia NPN— (catálogo de Radio Shack n. ° 276-2041 o equivalente)
• Tres diodos rectificadores 1N4001 (catálogo de Radio Shack n. ° 276-1101)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (catálogo de Radio Shack n. ° 271-1715)
• Una resistencia de 33 kΩ
• Lámpara de luz trasera automotriz de 12 voltios
• Detector de audio con auriculares

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionales"

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 2, capítulo 7:"Señales de CA de frecuencia mixta"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para ilustrar cómo usar el temporizador 555 como un multivibrador astable
• Para ilustrar cómo usar un amplificador operacional como comparador
• Para ilustrar cómo usar diodos para reducir el voltaje de CC no deseado
• Para ilustrar cómo controlar la potencia de una carga mediante modulación de ancho de pulso

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Este circuito usa un temporizador 555 para generar una forma de onda de voltaje de diente de sierra a través de un capacitor, luego compara esa señal con un voltaje constante provisto por un potenciómetro, usando un amplificador operacional como comparador. La comparación de estas dos señales de voltaje produce una salida de onda cuadrada desde el amplificador operacional, que varía en ciclo de trabajo según la posición del potenciómetro.

Esta señal de ciclo de trabajo variable luego impulsa la base de un transistor de potencia, activando y desactivando la corriente a través de la carga. La frecuencia de oscilación del 555 es mucho más alta que la capacidad del filamento de la lámpara para realizar ciclos térmicos (calentar y enfriar), por lo que cualquier variación en el ciclo de trabajo o ancho de pulso , tiene el efecto de controlar la potencia total disipada por la carga a lo largo del tiempo.

El control de la energía eléctrica a través de una carga mediante el encendido y apagado rápido, y la variación del tiempo de "encendido", se conoce como modulación de ancho de pulso o PWM . Es un medio muy eficiente de controlar la energía eléctrica porque el elemento de control (el transistor de potencia) disipa comparativamente poca energía al encender y apagar, especialmente si se compara con la energía desperdiciada disipada por un reóstato en una situación similar. Cuando el transistor está en corte, su disipación de potencia es cero porque no hay corriente a través de él.

Cuando el transistor está saturado, su disipación es muy baja porque hay poca caída de voltaje entre el colector y el emisor mientras conduce corriente. PWM es un concepto más fácil de entender a través de la experimentación que la lectura. Sería bueno ver el voltaje del capacitor, el voltaje del potenciómetro y las formas de onda de salida del amplificador operacional en un osciloscopio (de triple traza) para ver cómo se relacionan entre sí y con la potencia de carga. Sin embargo, la mayoría de nosotros no tenemos acceso a un osciloscopio de triple traza, mucho menos a ningún osciloscopio, por lo que un método alternativo es reducir la velocidad del oscilador 555 lo suficiente como para que los tres voltajes puedan compararse con un voltímetro de CC simple.

Reemplace el capacitor de 0.1 µF por uno de 100 µF o mayor. Esto ralentizará la frecuencia de oscilación en un factor de al menos mil, lo que le permitirá medir el voltaje del condensador lentamente aumenta con el tiempo y la transición de salida del amplificador operacional de " alto "A" bajo ”Cuando el voltaje del capacitor es mayor que el voltaje del potenciómetro. Con una frecuencia de oscilación tan lenta, la potencia de carga no se distribuirá como antes.

Más bien, la lámpara se encenderá y apagará a intervalos regulares. Siéntase libre de experimentar con otros valores de condensadores o resistencias para acelerar las oscilaciones lo suficiente como para que la lámpara nunca se encienda o apague por completo, sino que se “ estrangule ”Mediante pulsaciones rápidas de encendido y apagado del transistor.

Cuando examine el esquema, notará dos amplificadores operacionales conectados en paralelo. Esto se hace para proporcionar una salida de corriente máxima al terminal base del transistor de potencia. Es posible que un solo amplificador operacional (la mitad de un IC 1458) no pueda proporcionar suficiente corriente de salida para llevar el transistor a la saturación, por lo que se utilizan dos amplificadores operacionales en tándem.

Esto solo debe hacerse si los amplificadores operacionales en cuestión están protegidos contra sobrecargas, como lo está la serie 1458 de amplificadores operacionales. De lo contrario, es posible (aunque poco probable) que un amplificador operacional se encienda antes que el otro, y el daño resulte de que las dos salidas se cortocircuiten entre sí (una de las cuales conduce " alto "Y el otro conduciendo" bajo " simultaneamente). La protección contra cortocircuitos inherente que ofrece el 1458 permite la activación directa de la base del transistor de potencia sin necesidad de una resistencia limitadora de corriente.

Los tres diodos en serie que conectan las salidas de los amplificadores operacionales a la base del transistor están ahí para reducir el voltaje y garantizar que el transistor se corte cuando las salidas del amplificador operacional se vuelven "bajas". Debido a que el amplificador operacional 1458 no puede oscilar su voltaje de salida hasta el potencial de tierra, sino solo dentro de aproximadamente 2 voltios de tierra, una conexión directa desde el amplificador operacional al transistor significaría que el transistor nunca se apagaría por completo. La adición de tres diodos de silicio en serie reduce aproximadamente 2,1 voltios (0,7 voltios multiplicado por 3) para garantizar que haya un voltaje mínimo en la base del transistor cuando las salidas del amplificador operacional sean " bajas . ”

Es interesante escuchar la señal de salida del amplificador operacional a través de un detector de audio mientras el potenciómetro se ajusta en todo su rango de movimiento. El ajuste del potenciómetro no tiene ningún efecto sobre la frecuencia de la señal, pero afecta en gran medida el ciclo de trabajo. Tenga en cuenta la diferencia en la calidad del tono o timbre , ya que el potenciómetro varía el ciclo de trabajo de 0% a 50% a 100%. La variación del ciclo de trabajo tiene el efecto de cambiar el contenido armónico de la forma de onda, lo que hace que el tono suene diferente.

Puede notar una singularidad particular en el sonido que se escucha a través de los auriculares detectores cuando el potenciómetro está en la posición central (ciclo de trabajo del 50%, potencia de carga del 50%), frente a una especie de similitud en el sonido justo por encima o por debajo del ciclo de trabajo del 50%. Esto se debe a la ausencia o presencia de armónicos pares. Cualquier forma de onda que sea simétrica por encima y por debajo de su línea central, como una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50%, contiene no Armónicos pares, solo impares.

Si el ciclo de trabajo está por debajo o por encima del 50%, la forma de onda no exhibe esta simetría, y habrá armónicos pares. El oído humano puede detectar la presencia de estas frecuencias armónicas pares, ya que algunas de ellas corresponden a octavas de la frecuencia fundamental y, por tanto, " encajar ”De forma más natural en el esquema de tonos.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de modulación de señal