Jak wygenerować PWM za pomocą IC 555 (zbadano 2 metody)

IC 555 to niezwykle przydatne i wszechstronne urządzenie, które można zastosować do konfiguracji wielu przydatnych obwodów w dziedzinie elektroniki. Jedną z bardzo przydatnych cech tego układu scalonego jest jego zdolność do generowania impulsów PWM, które mogą być wymiarowane lub przetwarzane zgodnie z potrzebami aplikacji lub obwodu.

Co to jest PWM

PWM oznacza modulację szerokości impulsu, proces, który obejmuje kontrolę szerokości impulsu lub okresów włączenia / wyłączenia lub wyjść logicznych, które są generowane z określonego źródła, takiego jak obwód oscylatora lub mikrokontroler.

Zasadniczo PWM służy do wymiarowania lub dostosowywania napięcia wyjściowego lub mocy określonego obciążenia zgodnie z wymaganiami indywidualnymi lub aplikacyjnymi.

Jest to cyfrowy sposób sterowania mocą i jest bardziej skuteczny niż metody analogowe lub liniowe.
Istnieje wiele przykładów ilustrujących efektywne wykorzystanie PWM do sterowania zadanymi parametrami.

Służy do sterowania prędkością silników prądu stałego, w falownikach do sterowania wartością skuteczną prądu przemiennego na wyjściu lub dla wytwarzanie zmodyfikowanych wyjść sinusoidalnych .

Można to również zobaczyć w zasilaczach SMPS do kontrolowania napięcia wyjściowego na precyzyjnych poziomach.
Jest również stosowany w obwodach sterowników LED, aby umożliwić działanie ściemniania LED.

Jest szeroko stosowany w topologiach buck / boost do uzyskiwania obniżonych lub podwyższonych napięć bez używania nieporęcznych transformatorów.

Zasadniczo można go więc wykorzystać do dostosowania parametru wyjściowego zgodnie z naszymi własnymi preferencjami.

Czy przy tak wielu interesujących opcjach aplikacji oznacza to, że metoda może być zbyt skomplikowana lub kosztowna w konfiguracji?

Odpowiedź brzmi: zdecydowanie nie. W rzeczywistości można to bardzo prosto zaimplementować za pomocą jednego układu scalonego LM555.

Istnieją zasadniczo dwie metody, za pomocą których IC 555 może być używany do generowania sygnału wyjściowego z modulacją szerokości impulsu. Pierwsza metoda wykorzystuje tylko jeden układ scalony 555 i kilka powiązanych części, takich jak diody, potencjometr i kondensator. Druga metoda polega na zastosowaniu standardowej monostabilnej konfiguracji IC 555 i zastosowaniu zewnętrznego sygnału modulacji.

IC 555 PWM za pomocą diod

Pierwsza metoda jest najprostsza i najskuteczniejsza, która wykorzystuje konfigurację pokazaną poniżej:

Demonstracja wideo

Działanie pokazanego powyżej obwodu dwóch diod IC 555 PWM jest dość proste. W rzeczywistości jest to plik standardowa konstrukcja stabilnego multiwibratora z wyjątkiem niezależnego sterowania okresem załączenia / wyłączenia wyjścia.

Jak wiemy, o czasie włączenia obwodu IC 555 PWM decyduje czas, w jakim jego kondensator ładuje się na poziomie 2/3 Vcc przez rezystor nr 7, a czas wyłączenia jest określany przez czas rozładowania kondensatora poniżej 1/3 Vcc przez sam pin # 7.

W powyższym prostym obwodzie PWM te dwa parametry mogą być niezależnie ustawiane lub ustalane za pomocą potencjometru i kilku diod rozwidlonych.

Dioda po lewej stronie, która ma katodę połączoną ze stykiem nr 7, oddziela czas wyłączenia, natomiast dioda po prawej stronie, która ma anodę podłączoną do pinu nr 7, oddziela czas załączenia wyjścia układu scalonego.

Kiedy potencjometr ramię suwaka skierowane bardziej w lewą stronę diody, powoduje to skrócenie czasu rozładowania, ze względu na mniejszą rezystancję na ścieżce rozładowania kondensatora. Powoduje to wydłużenie czasu włączenia i zmniejszenie czasu wyłączenia IC PWM.

I odwrotnie, gdy suwak potencjometru jest bardziej w kierunku prawej strony diody, powoduje to skrócenie czasu załączenia z powodu obniżenia rezystancji garnka na ścieżce ładowania kondensatora. Powoduje to wydłużenie okresu wyłączenia i zmniejszenie okresów włączenia wyjściowych PWM układów scalonych.

2) IC 555 PWM z wykorzystaniem modulacji zewnętrznej

Druga metoda jest nieco złożona niż powyższa i wymaga zewnętrznego zmiennego prądu stałego na styku nr 5 (wejście sterujące) układu scalonego w celu implementacji proporcjonalnie zmieniającej się szerokości impulsu na wyjściu układu scalonego.

Nauczmy się następującej prostej konfiguracji obwodu:

Układ styków IC 555

Diagram przedstawia IC 555 podłączony w prostym trybie monostabilnego multiwibratora. Wiemy, że w tym trybie układ scalony jest w stanie wygenerować dodatni impuls na pinie # 3 w odpowiedzi na każdy pojedynczy ujemny wyzwalacz na swoim pinie # 2.

Impuls na pinie # 3 utrzymuje się przez pewien z góry określony okres czasu w zależności od wartości Ra i C. Możemy również zobaczyć pin # 2 i pin # 5 przypisane odpowiednio jako wejścia zegara i modulacji.

Wyjście jest pobierane ze zwykłego pinu # 3 chipa.

W powyższej prostej konfiguracji układ IC 555 jest ustawiony do generowania wymaganych impulsów PWM, wymaga tylko impulsu fali prostokątnej lub wejścia zegarowego na jego styku nr 2, który określa częstotliwość wyjściową, oraz zmiennego napięcia wejściowego na styku nr 5 którego amplituda lub poziom napięcia decyduje o wymiarach szerokości impulsu na wyjściu.

Impulsy na pinie # 2 generują odpowiednio naprzemienne fale trójkątne na pinie # 6/7 układu scalonego, których szerokość jest określona przez składowe taktowania RA i C.

Ta fala trójkątna jest porównywana z chwilową pomiarem napięcia przyłożonego do pinu nr 5 w celu zmniejszenia impulsów PWM na wyjściu nr 3.

W prostych słowach wystarczy podać ciąg impulsów na pinie # 2 i zmienne napięcie na pinie # 5, aby uzyskać wymagane impulsy PWM na pinie # 3 układu scalonego.

Amplituda napięcia na pinie # 5 będzie bezpośrednio odpowiedzialna za wzmocnienie lub osłabienie wyjściowych impulsów PWM lub po prostu za grubsze lub cieńsze.

Napięcie modulacji może być bardzo niskim sygnałem prądowym, ale dałoby zamierzone rezultaty.

Na przykład załóżmy, że zastosujemy falę prostokątną 50 Hz na pinie nr 2 i stałe napięcie 12 V na pinie nr 5, wynik na wyjściu pokaże PWM o wartości skutecznej 12 V i częstotliwości 50 Hz.

Aby zmniejszyć wartość skuteczną RMS, wystarczy obniżyć napięcie na pinie # 5. Jeśli zmienimy to, wynik będzie zmiennym PWM z różnymi wartościami RMS.

Jeśli ta zmienna wartość RMS zostanie zastosowana do stopnia sterownika mosfet na wyjściu, każde obciążenie obsługiwane przez mosfet również zareaguje odpowiednio zmieniającymi się wysokimi i niskimi wynikami.

Jeśli silnik jest podłączony do mosfetu, będzie reagował z różnymi prędkościami, lampa o różnych natężeniach światła, podczas gdy falownik ze zmodyfikowanymi odpowiednikami sinusoidy.

Przebieg wyjściowy

Powyższą dyskusję można zobaczyć i zweryfikować na podstawie poniższej ilustracji przebiegu:

Najwyższy przebieg reprezentuje napięcie modulacji na pinie nr 5, wybrzuszenie w przebiegu przedstawia rosnące napięcie i odwrotnie.

Drugi przebieg reprezentuje jednolity impuls zegarowy zastosowany na pinie nr 2. Służy tylko do umożliwienia układowi scalonemu przełączania na określonej częstotliwości, bez której układ scalony nie mógłby działać jako generator PWM.

Trzeci przebieg przedstawia rzeczywistą generację PWM na pinie nr 3, widzimy, że szerokość impulsów jest wprost proporcjonalna do górnego sygnału modulacji.

Szerokości impulsów odpowiadające „wybrzuszeniu” można postrzegać jako znacznie szersze i blisko siebie, które proporcjonalnie stają się cieńsze i rzadsze wraz ze spadkiem poziomu napięcia modulacji.

Powyższą koncepcję można bardzo łatwo i skutecznie zastosować w aplikacjach do sterowania mocą, jak omówiono wcześniej w powyższym artykule.

Jak wygenerować stały cykl pracy 50% z obwodu IC 555

Poniższy rysunek przedstawia prostą konfigurację, która zapewni stałe 50% cykliczne PWM na swoim pinie # 3. Pomysł został przedstawiony w jednym z arkuszy danych IC 555, a ten projekt wygląda bardzo interesująco i przydatny w zastosowaniach, które wymagają prostego i szybkiego stopnia generatora o stałym cyklu pracy 50%.