Contrôleur de puissance PWM : construction d'un driver de lampe à modulation de largeur d'impulsion

Composants et matériel

• Quatre piles 6 volts
• Condensateur électrolytique 100 µF, 35 V (ex: Radio Shack #272‑1028)
• Condensateur non polarisé 0,1 µF (Radio Shack #272‑135)
• CI temporisateur 555 (Radio Shack #276‑1723)
• Double amplificateur opérationnel, 1458 (Radio Shack #276‑038)
• Transistor de puissance NPN (Radio Shack #276‑2041 ou équivalent)
• Trois diodes de redressement 1N4001 (Radio Shack #276‑1101)
• Potentiomètre linéaire 10 kΩ (Radio Shack #271‑1715)
• Résistance de 33 kΩ
• Lampe arrière automobile 12 volts
• Détecteur audio avec écouteurs

Références croisées

• Lessons In Electric Circuits, Vol. 3, Chap. 8 : « Amplificateurs opérationnels »
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 2, Chap. 7 : « Signaux AC à fréquences mixtes »

Objectifs d'apprentissage

• Démontrer le timer 555 comme multivibrateur astable
• Utiliser un AO comme comparateur
• Employer des diodes pour éliminer une tension DC indésirable
• Contrôler la puissance d'une charge via modulation de largeur d'impulsion (PWM)

Schéma électrique

Illustration

Instructions

Ce circuit utilise un timer 555 pour générer une tension en dents de scie aux bornes d'un condensateur. La tension du condensateur est comparée à une tension de référence provenant d'un potentiomètre par un comparateur à AO. La sortie carrée du comparateur, dont le cycle de travail varie avec le potentiomètre, pilote la base d'un transistor de puissance. Le transistor commute la lampe 12 V rapidement, de sorte que la puissance moyenne de la lampe est proportionnelle au cycle de travail.

Le concept PWM repose sur la faible dissipation du transistor lorsqu'il est bloqué (pas de courant) et lorsqu'il est saturé (chute de tension minimale). Comparé à un rhéostat, le PWM permet un contrôle de puissance précis et économe en énergie.

Pour observer les relations entre formes d'onde sans oscilloscope à trois traces, remplacez le condensateur de 0,1 µF par un condensateur de 100 µF. Cela ralentit la fréquence du 555 d'un facteur d'environ 1 000, permettant à un voltmètre DC de suivre la montée du condensateur et la transition de l'AO. La lampe s'allumera et s'éteindra alors visiblement à un rythme lent ; cela démontre le mécanisme PWM sous-jacent.

Deux AO identiques sont câblés en parallèle pour fournir le courant nécessaire à la base du transistor. La série 1458 offre une protection contre les courts-circuits, évitant les dommages si l'un des amplificateurs tire haut tandis que l'autre tire bas. Trois diodes silicium en série font chuter ~2,1 V, assurant que le transistor se coupe complètement lorsque la sortie de l'AO est basse, car le 1458 ne peut pas atteindre exactement la masse.

Écouter la sortie de l'AO au casque tout en ajustant le potentiomètre révèle comment le cycle de travail façonne le contenu harmonique. À 50 % de cycle de travail, la forme d'onde est une onde carrée parfaite avec seulement des harmoniques impaires, produisant une qualité tonale distincte. S'écarter de 50 % introduit des harmoniques paires, modifiant subtilement le son.

Feuille de travail associée

• Feuille de travail : Modulation de signal