Простой ШИМ-регулятор на таймере NE555

Широтно-импульсной модуляция (ШИМ) ши­роко используется в самых разнообразных схе­мах от различных импульсных блоков питания (ИБП) до схем управления яркостью, контрастнос­тью, громкостью и другими параметрами телеви­зоров, мониторов и другой РЭА (радиоэлектрон­ной аппаратурой), а также для управления силой тока и мощностью потребления таких электриче­ских нагрузок, как лампы накаливания, электро­двигатели, светодиоды и нагревательные прибо­ры. Заметим также, что усилители, работающие в режиме класса О преобразуют усиливаемый ана­логовый сигнал в ШИМ-сигнал и после его усиле­ния производят обратное преобразование.В этой статье рассказано о том, что представ­ляет собой простейший ШИМ-регулятор на базе микросхемы таймера NE555, собрать который всего за 2-3 часа может даже новичок.

Хочу напомнить начинающим радиолюбите­лям, что представляет собой широтно-модулированный сигнал ШИМ (рис.1). ШИМ-сигнал — это импульсный сигнал, в котором длительность импульсов (длительность паузы и скважность тоже) определяется мгно­венным значением на­пряжения модулирую­щего сигнала или значе­нием управляющего на­пряжения (для ШИМ-регуляторов). Как правило, чем больше длительность, тем меньше пауза.

Рис. 1

ШИМ-сигналы формируются в, так называе­мых широтно-импульсных модуляторах. Замечу, что в некоторых устройствах, например, в ИБП, узлы, формирующие и использующие ШИМ-сигналы, называют ШИМ-контроллерами. Устройст­ва предназначенные для ручной регулировки мощности потребляемой нагрузкой, использую­щие ШИМ, называют ШИМ-регулятограми.

На практике можно встретить ШИМ-сигналы, частота которых неизменна, и такие, частота ко­торых «гуляет» в зависимости от длительности импульса. На рис.1 показаны ШИМ-сигналы, ча­стота и период повторения импульсов которых неизменны.

Сигнал ШИМ может быть преобразован в ана­логовый сигнал, а в импульсных блоках питания в стабильное постоянное напряжение, с помощью ИС или LС фильтра.

На рис. 1а изображен ШИМ-сигнал с малой скважностью (импульс большой длительности, а пауза — малой). Этот сигнал имеет постоянную составляющую, которая может быть определена на графике методом «равенства площадей» по­ложительной и отрицательной части периода. На графиках рис. 1 а, б она изображена горизонтальной пунктирной линией. В нижней части рис. 1а показано как будет выглядеть этот сигнал после фильтра. При хорошем сглаживании в идеале по­сле фильтра для такого ШИМ-сигнала будет фор­мироваться практически постоянное напряжение близкое по величине к постоянной составляю­щей исходного ШИМ-сигнала. На рис. 1а оно бу­дет достаточно велико.

На рис. 1б изображен ШИМ-сигнал с большой скважностью (импульс небольшой длительности, а пауза достаточно велика). Такой сигнал имеет небольшую постоянную составляющую. Это зна­чит, что после сглаживания получится небольшое по величине постоянное напряжение.

Методы получения ШИМ-сигналов весьма разнообразны. Один из них — это ШИМ на базе таймера NE555. Его используют, обычно, в ре­гуляторах мощности потребления осветитель­ных и нагревательных приборов, а также регу­ляторах скорости электродвигателей постоян­ного тока, например, в микродрели для сверле­ния плат.

На рис.2 приведена принципиальная схема ШИМ-регулятора для управления яркостью све­чения  LED-светильника на 20-ти сверхярких све­тодиодах. Схема самого светильника размещена на этом рисунке справа.

Рис. 2

ШИМ-регулятор на микросхеме таймера DA1 NE555 представляет собой мультивибратор с разделёнными цепями заряда и разряда время- задающего конденсатора (емкости). Причем, ес­ли при регулировке потенциометром Р1 увеличи­вается длительность выходного импульса, то на такой же промежуток времени уменьшается дли­тельность паузы и наоборот.

Функциональное назначение основных деталей схемы

Назначение наиболее важных деталей «обвяз­ки» микросхемы DА1:

• С1, С2, С3 — конденсаторы времязадающий цепи (см. ниже);
• R1, R7, левая часть потенциометра Р1 — рези­сторы времязадающей цепи, задающие дли­тельность импульса;
• R1, R8, правая часть потенциометра Р1 — ре­зисторы времязадающей цепи, задающие длительность паузы между импульсами;
• VD1, VD2 — разделительные диоды времязадающих цепей для раздельного формирова­ния длительностей импульса и паузы;
• С4 — блокирует неиспользуемый вывод 5 (CON) таймера DA1 по переменному напря­жению («наводке»);
• R6 — подтягивающий резистор по входу сбро­са, вывод 4.

Частоту работы ШИМ-регулятора DA1 NE555 в этой схеме можно определить по формуле:

где С — емкость времязадающий цепи. Емкость времязадающий цепи переключается перемычками J1 и J2 и может быть равной:

• С3 = 1000 пф, если обе перемычки J1 и J2 от­ключены. В этом случае частота генератора ШИМ приблизительно равна 7,1 кГц.
• С3 + С1 = 3200 пФ, если перемычка J1 замкну­та, a J2 разомкнута. В этом случае частота ге­нератора ШИМ приблизительно равна 2,2 кГц.
• С2 + С1 = 11000 пФ, если перемычка J1 разомк­нута, a J2 замкнута. В этом случае частота гене­ратора ШИМ приблизительно равна 650 Гц.
• С3 + С2 + С1 = 13200 пф, если обе перемычки J1 и J2 замкнуты. В этом случае частота гене­ратора ШИМ приблизительно равна 540 Гц. Заметим, что от номинального сопротивления резистора R1 будут зависеть минимальная и мак­симальная скважности импульсов на выходе ШИМ.

Работа схемы

Работу схемы рис.2 будем рассматривать с момента, когда времязадающая емкость разря­жена, а внутренний транзисторный ключ микро­схемы, открытый коллектор которого выведен на вывод 7 (DIS) микросхемы, заперт, а на выходе 3 (QUT) будет низкий потенциал. При этом, время­задающая емкость (С3, С1, С2) будет заряжаться по цепи: плюс источника питания (верхний по схеме вывод разъема Х3) — R1 — разделительный диод VD1 — R7 — левая часть потенциометра Р1 — емкость времязадающий цепи — корпус.

Нарастающее напряжение с заряжающейся времязадающей емкости приложено ко входу порогового устройства выводу 6 (THR). Как только оно достигнет максимума (2/3 напряже­ния питания), на выходе 3 (QUT) напряжение возрастет скачком практически до напряжения питания. Кроме того, откроется внутренний транзисторный ключ микросхемы, который за­мыкает вывод 7 (DIS — discharge переводится как разряд) на корпус. Емкость времязадающий це­пи начинает разряжаться через: правую часть потенциометра Р1 — R8 — DA11 — VD2 — выводы 7 (DIS) и 1 (GND) DA1.

Когда времязадающая емкость разрядится до напряжения равного 1/3 напряжения питания, на выводе 3 (QUT) появится высокий потенциал, а внутренний транзисторный ключ микросхемы закроется, отключив вывод 7 (DIS) от корпуса. На­чинается заряд емкости времязадающей цепи. Процесс повторяется вновь.

Импульсный сигнал с вывода 3 (QUT) DA1 че­рез делитель напряжения R2, R4 поступает на транзисторный ключ VT1, который обеспечивает включение и выключение нагрузки (в данном слу­чае светодиодного светильника.

Выходной ключ необходим для подключения ШИМ-регулятору относительно мощных нагру­зок, т.к. таймер NE555 может обеспечить выход­ного тока не более 200 мА. Для оптимальной ра­боты таймера без перегрева, его максимальное значение следует ограничить величиной 100 мА, что можно осуществить изменением (увеличени­ем) номинала резистора R2.

В качестве транзисторного ключа VT1, в зави­симости от мощности (тока потребления) подключаемой на­грузки и величины напряжения пита­ния, можно ис­пользовать обыч­ные биполярные n-p-n транзисто­ры: BD135, TIP41, 2SD882, 2N3055 или аналогичные им, а также составные n-p-n транзисторы (транзисторы Дарлингтона): TIP122, BD681, BDW93 и т.п. VT1 устанавливается на теплоотвод.

Предохранители F1 и F2 выбирают исходя из силы тока потребления нагрузкой. Они должны быть рассчитаны на ток, который приблизитель­но в три раза больше тока нагрузки. Предохрани­тели защищают транзистор и источник питания от перегрузки, хотя вполне допустимо один из них и даже оба из схемы исключить.

Диоды D5, D6 и D7, работая как стабисторы, ог­раничивают напряжение на базе VT1. При исполь­зовании обычных биполярных транзисторов ис­пользуются два последовательно включенных ди­ода, а в случае применения составного транзисто­ра — три. Резистор ООС R5 также защищает VT1 от перегрузки, ограничивая его коллекторный ток.

Как указывалось ранние, вместо светодиодно­го светильника к выходу ШИМ-регулятора можно подключать минидрель для сверления плат. На хо­лостом ходу сопротивление ее электродвигателя имеет ярко выраженную индуктивную составляю­щую. Сопротивление индуктивного характера имеют также реле, тяговые электромагниты и т.п. Для защиты транзистора от бросков ЭДС самоин­дукции при включении нагрузки индуктивного ха­рактера установлен снабберный (демпферный) диод VD4. Для подобных и активных нагрузок удо­бен светодиодный индикатор HL1 (с балластным резистором R3). Его яркость свечения пропорци­ональна току (мощности) в нагрузке.

Авторы: Петр Петров, г. София (Болгария), Игорь Безверхний, г. Киев (Украина)
Источник: Радиоаматор №10/2017