Contrôleur d'alimentation PWM

PIÈCES ET MATÉRIAUX

• Quatre piles 6 volts
• Un condensateur, 100 µF électrolytique, 35 WVDC (catalogue Radio Shack n° 272-1028 ou équivalent)
• Un condensateur, 0,1 µF, non polarisé (catalogue Radio Shack n° 272-135)
• Un circuit intégré de minuterie 555 (catalogue Radio Shack n° 276-1723)
• Double amplificateur opérationnel, modèle 1458 recommandé (catalogue Radio Shack n° 276-038)
• Un transistor de puissance NPN — (catalogue Radio Shack n° 276-2041 ou équivalent)
• Trois diodes de redressement 1N4001 (catalogue Radio Shack n° 276-1101)
• Un potentiomètre 10 kΩ, cône linéaire (catalogue Radio Shack n° 271-1715)
• Une résistance de 33 kΩ
• Feu arrière automobile 12 volts
• Détecteur audio avec casque

REFERENCES CROISEES

Leçons En Circuits Électriques , Volume 3, chapitre 8 :« Amplificateurs opérationnels »

Leçons En Circuits Électriques , Volume 2, chapitre 7 : « Signaux alternatifs à fréquences mixtes »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Pour illustrer comment utiliser la minuterie 555 comme un multivibrateur astable
• Pour illustrer comment utiliser un ampli-op comme comparateur
• Pour illustrer comment utiliser des diodes pour faire chuter la tension continue indésirable
• Pour illustrer comment contrôler la puissance d'une charge par modulation de largeur d'impulsion

SCHÉMA SCHÉMA

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Ce circuit utilise une minuterie 555 pour générer une forme d'onde de tension en dents de scie à travers un condensateur, puis compare ce signal à une tension constante fournie par un potentiomètre, en utilisant un amplificateur opérationnel comme comparateur. La comparaison de ces deux signaux de tension produit une sortie d'onde carrée de l'amplificateur opérationnel, dont le cycle d'utilisation varie en fonction de la position du potentiomètre.

Ce signal de rapport cyclique variable commande ensuite la base d'un transistor de puissance, en activant et désactivant le courant à travers la charge. La fréquence d'oscillation du 555 est beaucoup plus élevée que la capacité du filament de la lampe à effectuer un cycle thermique (chaud et froid), donc toute variation du cycle de service ou de la largeur d'impulsion , a pour effet de contrôler la puissance totale dissipée par la charge dans le temps.

Le contrôle de l'alimentation électrique à travers une charge en l'allumant et en l'éteignant rapidement et en faisant varier le temps de « marche » est connu sous le nom de modulation de largeur d'impulsion , ou PWM . C'est un moyen très efficace de contrôler l'énergie électrique car l'élément de contrôle (le transistor de puissance) dissipe relativement peu de puissance lors de la mise en marche et de l'arrêt, surtout si on le compare à la puissance perdue dissipée par un rhéostat dans une situation similaire. Lorsque le transistor est en coupure, sa puissance dissipée est nulle car il n'y a pas de courant qui le traverse.

Lorsque le transistor est saturé, sa dissipation est très faible car il y a peu de chute de tension entre collecteur et émetteur pendant qu'il conduit le courant. Le PWM est un concept plus facile à comprendre par l'expérimentation que par la lecture. Ce serait bien d'afficher la tension du condensateur, la tension du potentiomètre et les formes d'onde de sortie de l'amplificateur opérationnel sur un seul oscilloscope (triple trace) pour voir comment elles se rapportent les unes aux autres et à la puissance de charge. Cependant, la plupart d'entre nous n'ont pas accès à un oscilloscope à triple trace, encore moins à un oscilloscope du tout, donc une méthode alternative consiste à ralentir suffisamment l'oscillateur 555 pour que les trois tensions puissent être comparées à un simple voltmètre CC.

Remplacez le condensateur de 0,1 µF par un autre de 100 µF ou plus. Cela ralentira la fréquence d'oscillation d'un facteur au moins mille, vous permettant de mesurer la tension du condensateur lentement augmenter au fil du temps, et la transition de sortie de l'ampli-op de « élevé " à "faible ” lorsque la tension du condensateur devient supérieure à la tension du potentiomètre. Avec une fréquence d'oscillation aussi lente, la puissance de charge ne sera pas proportionnée comme avant.

Au contraire, la lampe s'allumera et s'éteindra à intervalles réguliers. N'hésitez pas à expérimenter avec d'autres valeurs de condensateur ou de résistance pour accélérer suffisamment les oscillations afin que la lampe ne s'allume ou ne s'éteigne jamais complètement, mais qu'elle soit "étranglée ” par une impulsion marche-arrêt rapide du transistor.

Lorsque vous examinez le schéma, vous remarquerez deux amplificateurs opérationnels connectés en parallèle. Ceci est fait pour fournir une sortie de courant maximale à la borne de base du transistor de puissance. Un seul amplificateur opérationnel (la moitié d'un circuit intégré 1458) peut ne pas être en mesure de fournir un courant de sortie suffisant pour amener le transistor à saturation, donc deux amplificateurs opérationnels sont utilisés en tandem.

Cela ne devrait être fait que si les amplis-op en question sont protégés contre les surcharges, ce qui est le cas de la série 1458 d'amplis-op. Sinon, il est possible (bien que peu probable) qu'un amplificateur opérationnel s'allume avant l'autre, et des dommages résultent du court-circuit des deux sorties (l'une entraînant "haut » et l'autre conduisant « bas " simultanément). La protection inhérente contre les courts-circuits offerte par le 1458 permet de piloter directement la base du transistor de puissance sans avoir besoin d'une résistance de limitation de courant.

Les trois diodes en série connectant les sorties des amplificateurs opérationnels à la base du transistor sont là pour faire chuter la tension et garantir que le transistor tombe en coupure lorsque les sorties de l'amplificateur opérationnel deviennent « faibles ». Étant donné que l'ampli-op 1458 ne peut pas abaisser sa tension de sortie jusqu'au potentiel de masse, mais seulement à environ 2 volts de la masse, une connexion directe de l'ampli-op au transistor signifierait que le transistor ne s'éteindrait jamais complètement. L'ajout de trois diodes au silicium en série fait chuter d'environ 2,1 volts (0,7 volts fois 3) pour garantir qu'il y a une tension minimale à la base du transistor lorsque les sorties de l'amplificateur opérationnel passent à « bas ."

Il est intéressant d'écouter le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel via un détecteur audio car le potentiomètre est ajusté sur toute sa plage de mouvement. Le réglage du potentiomètre n'a aucun effet sur la fréquence du signal, mais il affecte grandement le rapport cyclique. Notez la différence de qualité de ton, ou de timbre , car le potentiomètre fait varier le rapport cyclique de 0 % à 50 % à 100 %. La variation du rapport cyclique a pour effet de modifier le contenu harmonique de la forme d'onde, ce qui rend le son différent.

Vous remarquerez peut-être une particularité du son entendu dans les écouteurs du détecteur lorsque le potentiomètre est en position centrale (50 % du cycle d'utilisation - 50 % de la puissance de charge), par rapport à une sorte de similitude du son juste au-dessus ou en dessous de 50 % du cycle d'utilisation. Cela est dû à l'absence ou à la présence d'harmoniques paires. Toute forme d'onde symétrique au-dessus et au-dessous de sa ligne centrale, telle qu'une onde carrée avec un rapport cyclique de 50 %, contient non harmoniques paires, uniquement impaires.

Si le rapport cyclique est inférieur ou supérieur à 50 %, la forme d'onde ne sera pas présentent cette symétrie, et il y aura des harmoniques paires. La présence de ces fréquences harmoniques paires peut être détectée par l'oreille humaine, car certaines d'entre elles correspondent à des octaves de la fréquence fondamentale et donc « fit ” plus naturellement dans le schéma de tons.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Feuille de travail sur la modulation du signal