Генератор шим на 555: ШИМ на 555-м таймере

Содержание

Схема включения NE555 и простой ШИМ регулятор на чипе 555

В этой инструкции я покажу, как создать простой ШИМ регулятор (широтно-импульсную модуляцию) из чипа 555, таймера и некоторых других компонентов. Всё очень просто, и схема включения NE555 хорошо работает для контроля светодиодов, лампочек, сервомоторов или двигателей постоянного тока.

Мой ШИМ регулятор на 555 может лишь изменять коэффициент заполнения с 10% до 90%.

Шаг 1: Что такое ШИМ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала или источника питания включает в себя модуляцию его рабочего цикла, чтобы либо передавать информацию по каналу связи, либо управлять посылаемой мощностью. Самый простой способ генерации сигнала ШИМ требует только пилообразного или треугольного сигнала (легко генерируемого с использованием простого осциллятора) и компаратора.

Когда значение опорного сигнала (зеленый синусоидальной волны на рисунке 2) больше, чем сигнал модуляции (синий), ШИМ сигнал (пурпурный) находится в высоком состоянии, в противном случае она находится в низком состоянии. Но в моем ШИМ я не буду использовать компаратор.

Шаг 2: Типы ШИМ

Существует три типа ШИМ:

Центр пульсации может быть зафиксирован в середине временного окна, и оба края импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
Передняя кромка пульсации может удерживаться у передней кромки временного окна, а хвостовая кромка будет модулироваться.
Хвостовая кромка пульсации может быть зафиксирована, а передняя кромка будет модулироваться.

Три типа сигналов ШИМ (синий): модуляция передней кромки (верхняя строка), модуляция задней кромки (средняя строка) и пульсация в середине (обе кромки модулируются, нижняя строка). Зеленые линии — это пилообразные сигналы, используемые для генерации сигналов ШИМ с использованием метода пересечения.

Шаг 3: Как нам поможет ШИМ?

Питание:
Шим может использоваться для уменьшения общего количества энергии, подаваемой на LOAD, без потерь, обычно возникающих при ограничении источника питания резистивным средством. Это связано с тем, что средняя подаваемая мощность пропорциональна циклу модуляции.

При достаточно высокой скорости модуляции пассивные электронные фильтры могут использоваться для сглаживания последовательности импульсов и восстановления среднего аналогового сигнала.

Высокочастотные системы управления мощностью при помощи ШИМ легко реализуются с использованием полупроводниковых переключателей. Дискретные состояния включения/выключения модуляции используются для управления состоянием переключателя (переключателей), которые соответственно управляют напряжением. Основным преимуществом этой системы является то, что переключатели либо выключены и не имеют ток, либо включены и (в идеале) не имеют потерь напряжения вокруг них. Произведение тока и напряжение в любое заданное время определяет мощноость, рассеиваемую переключателем, таким образом (в идеале), мощность вообще не рассеивается.

На самом деле, полупроводниковые переключатели не являются идеальными, но на них все же возможно построить контроллеры высокой эффективности.

ШИМ также часто используется для управления подачи электроэнергии на другое устройство, например, при управлении скоростью электродвигателей, регулирования громкости аудиоусилителей класса D или регулировании яркости источников света и многих других приложений силовой электроники. Например, световые диммеры для домашнего использования используют определенный тип управления ШИМ.

Домашние световые диммеры обычно включают в себя электронные схемы, которые подавляют ток в определенных частях каждого цикла напряжения сети переменного тока. Регулировка яркости света, испускаемого источником света, — это просто вопрос настройки напряжения (или фазы) в цикле переменного тока, в котором диммер начинает подавать электрический ток на источник света (например, с помощью электронного переключателя, такого как симистор ). В этом случае рабочий цикл ШИМ определяется частотой сетевого напряжения (50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны). Эти довольно простые типы диммеров могут эффективно использоваться с инертными (или относительно медленно реагирующими) источниками света, такими как лампы накаливания, например, для которых дополнительная модуляция в подаваемой электрической энергии, вызванная диммером, вызывает лишь незначительные дополнительные колебания в испускаемый свет.

Однако некоторые другие источники света, такие как светодиоды, очень быстро включаются и выключаются и, по-видимому, мерцают, если они поставляются с низким напряжением. Воспроизводимые эффекты мерцания от таких источников быстрого реагирования могут быть уменьшены за счет увеличения частоты ШИМ. Если флуктуации света достаточно быстры, зрительная система человека больше не может их фиксировать, и глаз воспринимает среднюю интенсивность времени без мерцания (см. Порог слияния фликкера).

Регулирование напряжения:
ШИМ также используется в эффективных регуляторах напряжения. Путем переключения напряжения на нагрузку с соответствующим рабочим циклом выход будет приближать напряжение на желаемом уровне. Шум переключения обычно фильтруется индуктором и конденсатором.

Один метод измеряет выходное напряжение. Когда он ниже желаемого напряжения, он включает переключатель. Когда выходное напряжение выше желаемого напряжения, оно отключает переключатель.

Регуляторы частоты вращения вентиляторов для компьютеров обычно используют ШИМ, так как она намного эффективнее по сравнению с потенциометром.

ШИМ иногда используется в синтезе звука, в частности в субтрактивном синтезе, поскольку она дает звуковой эффект, подобный хору или слегка расстроенным осцилляторам, которые играют вместе. (На самом деле PWM эквивалентна разности двух пилообразных волн.) Отношение между высоким и низким уровнем обычно модулируется низкочастотным генератором или LFO.

Популярным стал новый класс аудиоусилителей, основанный на принципе ШИМ. Называемые «усилители класса D», эти усилители создают эквивалент ШИМ аналогового входного сигнала, который подается на громкоговоритель через подходящую фильтрующую сеть для блокировки несущей и восстановления исходного аудиосигнала. Эти усилители характеризуются очень хорошими показателями эффективности (около 90%) и компактными размерами / малым весом для больших выходных мощностей.

Исторически сложилось, что грубая форма ШИМ используется для воспроизведения цифрового звука PCM на динамике ПК, который способен воспроизводить только два уровня звука. Тщательно определяя длительность импульсов и полагаясь на физические свойства фильтрации динамика (ограниченный частотный отклик, самоиндуктивность и т. д.), можно получить приблизительное воспроизведение образцов моно PCM, хотя и при очень низком качестве, и с очень разными результатами между реализациями.

В более поздние времена был введен метод цифрового кодирования прямого потока Digital Stream, который использует обобщенную форму широтно-импульсной модуляции, называемую модуляцией плотности импульса, при достаточно высокой частоте дискретизации (как правило, порядка МГц) для покрытия всех акустических частот с достаточной точностью. Этот метод используется в формате SACD, а воспроизведение кодированного аудиосигнала по существу аналогично методу, используемому в усилителях класса D.

Динамик: Используя ШИМ, можно модулировать дугу (плазму), и если она находится в диапазоне слуха, ее можно использовать в качестве динамика. Такой динамик используется в звуковой системе Hi-Fi в качестве высокочастотного динамика.

Круто, не так ли?

Шаг 4: Необходимые компоненты

Это простая схема с одним чипом, поэтому вам не понадобится много компонентов

NE555, LM555 или 7555 (cmos)
Рекомендую использовать два диода 1n4148, но подойдут и диоды серии 1n40xx
Потенциометр 100К
Зеленый конденсатор 100nf
Керамический конденсатор 220pf
Печатная плата
Полупроводниковый транзистор

Шаг 5: Построение устройства

Просто следуйте диаграмме и поместите все детали на макет. Проверьте дважды расположение каждого компонента перед тем, как включить устройство. Если вы хотите эффективно управлять и контролировать яркость источника света или двигатель, вы можете поставить на его выход только силовой транзистор, но если вы хотите лишь управлять источником света или двигателем, тогда рекомендуется поставить ёмкий конденсатор, например, 2200uf. Если поставить этот конденсатор и включить мотор на нагрузке в 40%, то двигатель будет на 60% эффективнее на той же скорости и крутящем моменте.

Здесь есть два видео, на которых показано, как работает моя ШИМ. На первом вы можете видеть, что вентилятор начинает вращаться на 90% рабочем цикле. На втором вы можете видеть, что светодиоды мигают, а вентилятор работает на 80%.

Файлы

12122008098.mp4″ /]
12122008102.mp4″ /]

Схема включения NE555 и простой ШИМ регулятор на чипе 555

Мой ШИМ регулятор на 555 может лишь изменять коэффициент заполнения с 10% до 90%.

Шаг 1: Что такое ШИМ

Шаг 2: Типы ШИМ

Существует три типа ШИМ:

Центр пульсации может быть зафиксирован в середине временного окна, и оба края импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
Передняя кромка пульсации может удерживаться у передней кромки временного окна, а хвостовая кромка будет модулироваться.
Хвостовая кромка пульсации может быть зафиксирована, а передняя кромка будет модулироваться.

Шаг 3: Как нам поможет ШИМ?

Круто, не так ли?

Шаг 4: Необходимые компоненты

Это простая схема с одним чипом, поэтому вам не понадобится много компонентов

NE555, LM555 или 7555 (cmos)
Рекомендую использовать два диода 1n4148, но подойдут и диоды серии 1n40xx
Потенциометр 100К
Зеленый конденсатор 100nf
Керамический конденсатор 220pf
Печатная плата
Полупроводниковый транзистор

Шаг 5: Построение устройства

Файлы

12122008098.mp4″ /]
12122008102.mp4″ /]

Как сгенерировать ШИМ с помощью микросхемы таймера 555? Схема ШИМ таймера 555

В этом уроке я покажу вам, как генерировать сигнал ШИМ с помощью микросхемы таймера 555. Мы немного узнаем об микросхеме таймера 555, о том, как она работает как нестабильный мультивибратор и как мы можем использовать ШИМ-сигнал таймера 555 для регулировки яркости светодиода.

Схема

Что такое ШИМ?

ШИМ, сокращение от широтно-импульсной модуляции, является важным понятием в современной электронике. Он обычно используется в качестве механизма подачи энергии в системах управления двигателем и управления освещением.

В методе ШИМ напряжение, которое должно подаваться на двигатель постоянного тока или светодиод, подается в виде быстрых импульсов переключения, а не непрерывного аналогового сигнала. «Рабочий цикл» и «Частота» ШИМ-сигнала определяют выходное напряжение.

Рабочий цикл ШИМ-сигнала описывает количество времени, в течение которого импульс остается ВЫСОКИМ в одном цикле. Обычно его представляют в процентах.

Если T _{ВЫСОКИЙ} — это длительность, в течение которой импульс ВЫСОКИЙ в одном цикле и T _LOW — продолжительность импульса LOW, затем период импульса равен

T = T _HIGH + T _LOW

) * 100

Частота ШИМ-сигнала описывает скорость, с которой сигнал завершает один цикл.

На изображении выше показаны различные сигналы ШИМ и различные рабочие циклы вместе с выходным напряжением.

Генерировать ШИМ-сигнал очень просто, используя микросхему таймера 555. Но прежде чем увидеть, как генерируется ШИМ-сигнал таймера 555, вам необходимо понять работу нестабильного мультивибратора микросхемы таймера 555.

Как только вы это поймете, то, внеся небольшие изменения, сможете без особых усилий генерировать ШИМ-сигнал с помощью таймера 555.

Как работает таймер 555 в нестабильном режиме?

Как следует из названия, нестабильный мультивибратор представляет собой колебательный контур без стабильного состояния, т. е. он автоматически переключается между двумя состояниями. Следовательно, нестабильный мультивибратор также известен как свободно работающий мультивибратор или свободно работающий осциллятор.

Используя всего три дополнительных компонента, мы можем заставить таймер 555 работать в нестабильном режиме. Это пара резисторов и конденсатор.

Схема цепи таймера 555 в нестабильном режиме

На следующем рисунке показана упрощенная схема микросхемы таймера 555 в нестабильном режиме.

Эксплуатация

Я подготовил специальное руководство по «Нестабильному мультивибратору с использованием таймера 555 ». Подробное объяснение см. Чтобы понять работу таймера 555 в нестабильном режиме, взгляните на внутреннюю схему таймера 555.

Первоначально, когда микросхема таймера 555 сбрасывается, ее выход НИЗКИЙ. Это включит внутренний транзистор, который обеспечит путь разряда для конденсатора через R2.

Когда напряжение на конденсаторе падает ниже 1/3 В _CC , выходной сигнал становится ВЫСОКИМ и транзистор закрывается. Это заставит конденсатор заряжаться через резисторы R1 и R2. Когда напряжение конденсатора превышает 2/3 В _CC , выходной сигнал становится НИЗКИМ, и цикл продолжается.

На следующем рисунке показана зависимость между напряжением конденсатора и выходным напряжением.

По сути, значения R1, R2 и C будут определять продолжительность, в течение которой выход будет ВЫСОКИМ или НИЗКИМ.

Рабочий цикл

Я думаю, вы можете понять, к чему мы движемся, из приведенного выше объяснения. Поскольку длительность выходного сигнала ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ зависит от времени зарядки и разрядки конденсатора, мы можем контролировать рабочий цикл и частоту выходного импульса.

В учебнике «Астабильный режим» я получил все значения, связанные с синхронизацией и частотой. Я просто напишу окончательные значения здесь.

T _на = 0,693 * (R1 + R2) * C

T _OFF = 0,693 * R2 x C

TEPER TECE = T = T = T = T = T ₇₇

118 T. . ВЫКЛ = 0,693 * (R1 +2*R2) * C

Частота F = 1/T = 1,44 / ((R1 + 2R2) * C) Гц

В следующей таблице показаны некоторые из общие значения для R1, R2 и C и соответствующие частоты.

Генерация ШИМ таймера 555

Из приведенной выше принципиальной схемы таймера 555 в нестабильном режиме видно, что конденсатор заряжается через R1 и R2, а разряжается только через R2.

Следовательно, если мы заменим резистор R2 потенциометром, мы сможем контролировать зарядку и разрядку конденсатора и, по существу, рабочий цикл ШИМ-сигнала.

Я выбрал R1 в качестве резистора на 1 кОм, R2 в качестве потенциометра на 10 кОм и C в качестве конденсатора на 10 нФ (0,01 мкФ). Кроме того, я добавил два быстродействующих диода, один на пути зарядки, а другой на пути разряда.

Принципиальная схема

На следующем рисунке показана принципиальная схема генератора ШИМ таймера 555.

Принципиальная схема генерации ШИМ таймера 555

Необходимые компоненты

ИС таймера 555
Резистор 1 кОм
Потенциометр 10 кОм
Конденсатор 10 нФ (0,01 мкФ) x 2
1N4148 Быстродействующий диод x 2
Резистор 470 Ом
Светодиод
Макет
Блок питания 12 В
Соединительные провода

Работа генератора ШИМ таймера 555

ПРИМЕЧАНИЕ: Вместо резистора 1 кОм для R1 я соединил два резистора по 470 Ом последовательно. Кроме того, я не подключал конденсатор 10 нФ между контактом 5 микросхемы 555 и GND.

Прежде чем понять работу схемы генерации ШИМ-таймера 555, если вы хотите рассчитать рабочий цикл и частоту сигнала ШИМ на основе выбранных компонентов, вы можете использовать вышеупомянутые формулы.

Теперь продолжаем работу, конденсатор заряжается через R1, D2 и правую часть R2 и разряжается через левую часть R2 и D1. Таким образом, когда мы перемещаем ползунок потенциометра, мы контролируем время зарядки и разрядки конденсатора.

Поскольку зарядка и разрядка конденсатора напрямую связаны с продолжительностью включения и выключения выходного импульса, мы можем легко изменять коэффициент заполнения ШИМ-сигнала.

Заключение

Здесь продемонстрирован простой проект для генерации ШИМ-сигнала с использованием микросхемы таймера 555. Чтобы показать результат, я использовал светодиод в качестве выходного устройства. Вы можете легко изменить приведенную выше схему для управления скоростью двигателя постоянного тока.

Как генерировать ШИМ с помощью IC 555 (исследовано 2 метода)

IC 555 — чрезвычайно полезное и универсальное устройство, которое можно применять для настройки многих полезных схем в области электроники. Одной из очень полезных функций этой ИС является ее способность генерировать ШИМ-импульсы, размеры или обработка которых могут быть изменены в соответствии с потребностями приложения или схемы.

Содержание

Что такое ШИМ

ШИМ означает широтно-импульсную модуляцию, процесс, который включает в себя управление шириной импульса, периодами ВКЛ/ВЫКЛ или логическими выходами, генерируемыми из определенного источника, такого как схема генератора или микроконтроллер.

В основном ШИМ используется для определения размеров или регулировки выходного напряжения или мощности конкретной нагрузки в соответствии с индивидуальными требованиями или требованиями приложения.

Это цифровой способ управления мощностью, более эффективный, чем аналоговые или линейные методы.
Существует множество примеров, иллюстрирующих эффективное использование ШИМ для управления заданными параметрами.

Используется для управления скоростью двигателей постоянного тока, в инверторах для управления среднеквадратичным значением выходного переменного тока или для создания модифицированных выходных синусоидальных сигналов.

Его также можно увидеть в источниках питания SMPS для точного управления выходным напряжением.
Он также применяется в схемах драйверов светодиодов для включения функции затемнения светодиодов.

Он широко используется в топологиях понижающего/повышенного напряжения для получения пониженного или повышающего напряжения без использования громоздких трансформаторов.

Таким образом, в основном его можно использовать для настройки выходного параметра в соответствии с нашими собственными предпочтениями.

Означает ли это, что с таким количеством интересных вариантов применения метод может быть слишком сложным или дорогим для настройки??

Определенно нет. На самом деле это можно очень просто реализовать с помощью одной микросхемы LM555.

Существует два основных метода, с помощью которых IC 555 можно использовать для генерации выходного сигнала с широтно-импульсной модуляцией. В первом методе используется только одна микросхема IC 555 и несколько связанных частей, таких как диоды, потенциометр и конденсатор. Второй метод заключается в использовании стандартной моностабильной конфигурации IC 555 и использовании внешнего сигнала модуляции.

IC 555 PWM с использованием диодов

Первый метод является самым простым и эффективным, в нем используется показанная ниже конфигурация:

Демонстрационное видео

Принцип работы показанной выше схемы ШИМ с двумя диодами IC 555 довольно прост. Фактически это стандартная конструкция нестабильного мультивибратора, за исключением независимого управления периодом включения/выключения выхода.

Поскольку мы знаем, что время включения схемы ШИМ IC 555 определяется временем, затрачиваемым ее конденсатором на зарядку на уровне 2/3 Vcc через резистор на выводе № 7, а время выключения определяется временем разрядки конденсатор ниже 1/3 Vcc через сам контакт № 7.

В приведенной выше простой схеме ШИМ эти два параметра могут быть независимо установлены или зафиксированы с помощью потенциометра и пары раздвоенных диодов.

Левый диод, катод которого подключен к контакту № 7, разделяет время выключения, а правый диод, анод которого подключен к контакту № 7, разделяет время включения выхода IC.

Когда ползунок потенциометра ближе к левому диоду, время разряда уменьшается из-за меньшего сопротивления на пути разряда конденсатора. Это приводит к увеличению времени включения и уменьшению времени выключения IC PWM.

И наоборот, когда ползунок потенциометра больше направлен к правому диоду, это приводит к уменьшению времени включения из-за снижения сопротивления потенциометра на пути заряда конденсатора. Это приводит к увеличению периода выключения и уменьшению периодов включения выходных ШИМ микросхем.

Вы можете заменить резисторы времени одним потенциометром, если хотите изменить рабочий цикл, сохранив при этом постоянную частоту, как показано на следующем рисунке.

Схема 555 может быть отрегулирована, как показано ниже, для изменения частоты при сохранении постоянного коэффициента заполнения около 50%.

2) IC 555 PWM с использованием внешней модуляции

Второй метод немного сложнее, чем описанный выше, и требует внешнего изменяющегося постоянного тока на контакте № 5 (управляющий вход) IC для реализации пропорционально изменяющейся ширины импульса на выходе IC. .

Давайте изучим следующую простую конфигурацию схемы:

Распиновка IC 555

На схеме показано подключение IC 555 в режиме простого моностабильного мультивибратора. Мы знаем, что в этом режиме микросхема способна генерировать положительный импульс на выводе №3 в ответ на каждый отдельный отрицательный триггер на выводе №2.

Импульс на выводе № 3 сохраняется в течение некоторого заданного периода времени в зависимости от значений Ra и C. Мы также можем видеть, что выводы № 2 и № 5 назначены как входы синхронизации и модуляции соответственно.

Выход берется с обычного контакта №3 микросхемы.

В приведенной выше простой конфигурации IC 555 полностью настроен для генерации необходимых импульсов ШИМ, ему просто требуется прямоугольный импульс или тактовый вход на выводе № 2, который определяет выходную частоту, и вход переменного напряжения на выводе #5, амплитуда или уровень напряжения которого определяют размеры ширины импульса на выходе.

Импульсы на контакте № 2 генерируют соответствующие чередующиеся треугольные волны на контактах № 6/7 микросхемы, ширина которых определяется компонентами синхронизации RA и C.

Эта треугольная волна сравнивается с мгновенным значением напряжения, подаваемого на контакт № 5, для измерения импульсов ШИМ на выходе № 3.

Проще говоря, нам просто нужно подать серию импульсов на контакт № 2 и переменное напряжение на контакт № 5 для достижения требуемых импульсов ШИМ на контакте № 3 микросхемы.

Амплитуда напряжения на контакте № 5 будет напрямую влиять на усиление или ослабление выходных импульсов ШИМ или просто на увеличение или уменьшение мощности.

Напряжение модуляции может быть очень низким сигналом тока, но оно даст ожидаемые результаты.

Например, предположим, что мы подаем прямоугольную волну 50 Гц на контакт № 2 и постоянное напряжение 12 В на контакт № 5, результат на выходе покажет ШИМ со среднеквадратичным значением 12 В и частотой 50 Гц.

Для уменьшения среднеквадратичного значения нам просто нужно понизить напряжение на выводе № 5. Если мы изменим его, результатом будет меняющийся ШИМ с различными среднеквадратичными значениями.

Если это изменяющееся среднеквадратичное значение применяется к каскаду драйвера MOSFET на выходе, любая нагрузка, поддерживаемая MOSFET, также будет реагировать с соответствующими различными высокими и низкими результатами.

Если двигатель подключен к MOSFET, он будет реагировать с различной скоростью, лампа с различной интенсивностью света, а инвертор с модифицированными эквивалентами синусоидальной волны.

Форма выходного сигнала

Приведенное выше обсуждение можно увидеть и проверить на приведенной ниже иллюстрации формы сигнала:

Самая верхняя форма волны представляет собой напряжение модуляции на контакте № 5, выпуклость на форме волны представляет возрастающее напряжение и наоборот.

Второй сигнал представляет собой равномерный тактовый импульс, подаваемый на контакт № 2. Это просто для того, чтобы ИС переключалась на определенной частоте, без которой ИС не сможет работать как генератор ШИМ.

Третий сигнал отображает реальную генерацию ШИМ на выводе №3. Мы видим, что ширина импульсов прямо пропорциональна верхнему сигналу модуляции.

Ширина импульса, соответствующая «выпуклости», может быть видна как гораздо более широкая и близко расположенная, которая пропорционально становится тоньше и разреженной по мере снижения уровня напряжения модуляции.

Генератор шим на 555: ШИМ на 555-м таймере