Диммер с ШИМ

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 11.12.2024
Создано при помощи КотоРед.

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.
     Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами о четвёртой конструкции – диммере с ШИМ.
     Итак, изначально диммер – это электронное устройство, предназначенное для регулирования электрической мощности и, как следствие, яркости источников света. Существует широкое разнообразие схемных решений в построении подобных устройств. Мы рассмотрим только одно из них – регулирование с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Но что же из себя вообще представляет ШИМ? – давайте разбираться.
     Итак, в радиотехнике под словом модуляция подразумевается процесс изменения одного или нескольких параметров модулируемого (несущего) сигнала под действием модулирующего. В процессе модуляции может изменяться амплитуда, частота, фаза несущего колебания. Соответственно при изменении амплитуды сигнала модуляция называется амплитудной, при изменении частоты – частотной, а при изменении фазы – фазовой. На рисунке ниже приведён пример получения амплитудно-модулированного сигнала.

     В качестве несущего сигнала чаще всего применяются гармонические колебания, хотя это и не является обязательным условием. В качестве одного из примеров негармонического несущего колебания можно привести последовательность прямоугольных импульсов.
     Основными параметрами последовательности прямоугольных импульсов являются: амплитуда, частота, фаза, длительность (ширина) импульса и паузы между импульсами, а также соотношение между длительностью (шириной) импульса и паузой между импульсами (скважность, коэффициент заполнения). Если под действием модулирующего сигнала изменяется длительность (ширина) импульса, то такой вид модуляции называется широтно-импульсной модуляцией. Пример формирования сигнала с ШИМ-модуляцией показан на рисунке ниже.

     Основное достоинство такого способа регулирования мощности – средняя мощность пропорциональна коэффициенту заполнения (отношению длительности импульса к паузе) [3, 4].
     Ну что же, рассмотрев кратко суть ШИМ-модуляции, можно перейти непосредственно к схеме регулятора. Схема электрическая принципиальная предлагаемого регулятора показана на схеме далее. Рассмотрим кратко принцип его работы.

     Итак, в основе схемы лежит мультивибратор, выполненный на широко распространённом таймере NE555 (DD1). Внутренне устройство таймера представлено на рисунке ниже [2].

     При подаче напряжения питания конденсатор С3 разряжен – напряжение на его обкладках низко (менее одной трети напряжения питания). Данное напряжение поступает на инвертирующий вход встроенного в таймер компаратора (вывод 2 микросхемы DD1).
     Так как напряжение на инвертирующем входе меньше, чем напряжение на неинвертирующем (заданное встроенным в таймер делителем напряжения и равным одной трети от напряжения питания), то на выходе компаратора установится уровень логической «1». Соответственно установится уровень логической «1» и на установочном входе S встроенного триггера – на выходе триггера установится уровень логического «0» т.к. выход триггера инверсный.
     На выходе буферного выходного каскада, а соответственно и на выходе таймера (выводе 3 микросхемы DD1) установится уровень логической «1» т.к. буферный каскад также является инверсным. Транзистор, подключённый к 7 выводу микросхемы DD1 при этом, будет закрыт.
     В тоже время напряжение на неинвертирующем входе второго встроенного компаратора (вывод 6 микросхемы DD1) меньше, чем на инвертирующем (заданное встроенным в таймер делителем напряжения и равное двум третям от напряжения питания). Соответственно на выходе данного компаратора присутствует уровень логического «0», а значит такой же уровень присутствует на входе сброса R встроенного триггера. Сброса встроенного триггера не происходит.
     Через резистор R1, диод VD2, соединённые резисторы R2-R4 начинает заряжаться конденсатор С3 – начинает расти напряжение на входах встроенных компараторов (выводы 2 и 6 микросхемы DD1).
     Когда напряжение превысит одну треть от напряжения питания на установочном входе S компаратора появится уровень логического «0» т.к. напряжение на инвертирующем входе компаратора (вывод 2 микросхемы DD1) станет больше, чем на неинвертирующем. Но на дальнейший процесс работы это не повлияет т.к. триггер уже установлен, а сбросить его можно только подачей сигнала сброса на вход R. А он формируется другим компаратором (верхним по схеме, вывод 6 микросхемы DD1). Поэтому конденсатор С3 продолжает заряжаться…
     Когда напряжение на обкладках конденсатора превысит две трети от напряжения питания на входе R встроенного триггера появится уровень логической «1» со встроенного компаратора т.к. напряжение на неинвертирующем входе встроенного компаратора (вывод 6 микросхемы DD1) стало больше, чем на инвертирующем. Произойдёт сброс триггера и на выходе триггера появится уровень логической «1» т.к. выход триггера инверсный.
     На выходе буферного выходного каскада, а соответственно и на выходе таймера (выводе 3 микросхемы DD1) установится уровень логического «0» т.к. буферный каскад также является инверсным. При этом транзистор, подключённый к 7 выводу микросхемы DD1, откроется. Начнётся процесс разряда конденсатора С3 через соединенные резисторы R2-R4, диод VD1, а также встроенный в микросхему DD1 транзистор (вывод 7 микросхемы DD1). Напряжение на входах встроенных компараторов (выводы 2 и 6 микросхемы DD1) начнёт падать.При достижении напряжения ниже двух третей от напряжения питания на входе R встроенного триггера вновь установится уровень логического «0». Но на дальнейший процесс работы это не повлияет т.к. триггер уже сброшен, а установить его вновь можно только подачей логической «1» на вход S. Конденсатор С3 продолжает разряжаться…
     Как только напряжение на обкладках конденсатора упадёт ниже одной трети от напряжения питания весь цикл повторится сначала. Таким образом в данном режиме работы таймер NE555 работает в качестве автоколебательного мультивибратора, генерируя на выходе последовательность прямоугольных импульсов.
     А теперь самое интересное: т.к. пути заряда и разряда конденсатора С3 разделены диодами VD1 и VD2 появилась возможность независимой регулировки резистором R3 длительности уровней логической «1» и логического «0» на выходе мультивибратора. То есть фактически мы можем регулировать соотношение длительности и паузы выходного сигнала. А это ни что иное, как широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
     С выхода мультивибратора (вывода 3 микросхемы DD1) последовательность прямоугольных импульсов поступает на базу транзистора VT1. В качестве коллекторной нагрузки транзистора применено 3 цепочки светодиодов (HL1-HL9) с токоограничивающими резисторами (R7-R9), включённые параллельно. В зависимости от коэффициента заполнения последовательности прямоугольных импульсов на базе транзистора VT1 меняется средняя мощность, подводимая к светодиодам HL1-HL9, а значит и яркость их свечения (хотя эта зависимость нелинейна).
     Конденсаторы С1, С2 – дополнительный фильтр напряжения питания диммера.
     Конденсатор С4 – дополнительный фильтр напряжения на инвертирующем входе встроенного компаратора микросхемы DD1.
     Резистор R6 – токоограничивающий.
     Резистор R10 необходим для отвода обратного тока коллектор-база транзистора в закрытом состоянии (тока утечки).
     Резисторы R2 и R4 необходимы для условного сохранения работоспособности схемы при обрыве движка переменного резистора R3. В нормальном режиме работы они практически не оказывают влияния на работу схемы.
     Выключатель S2 – выключатель напряжения питания.
     Выключатель S1 – перевод диммера в режим ожидания. При замыкании выключателя S1 на входе 4 микросхемы DD1 формируется уровень логического «0». Соответственно формируется уровень логического нуля и на входе сброса R1 встроенного в микросхему триггера – происходит сброс триггера т.к. данный вход инверсный. Процесс генерации прекращается. Генерация возобновится вновь при подаче на вход 4 уровня логической «1».
     Резистор R5 – токоограничивающий.
     Конденсатор С5 – дополнительный фильтр, устраняющий дребезг контактов при переключении выключателя S1.
     Все использованные детали указаны на схеме.
     В подборке фото ниже показан внешний вид собранного диммера при проведении испытаний.

     В подборке фото ниже показан внешний вид печатной платы диммера.

     На рисунках далее представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого диммера (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором и третьем рисунках указано только расположение компонентов схемы).

     Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке микросхем, а также полярных конденсаторов и транзисторов. В файле 01.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема электрчиеская принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления устройства.
     После сборки диммера был проведён контрольный запуск, показанный на видео далее.

     По представленному видео хорошо видно, что диммер работает исправно.
     Основные фазы работы диммера можно отследить по представленным ниже осциллограммам. На первой осцилограмме представлена форма сигналов на конденсаторе С3 (нижний график) и коллекторе транзистора VT1 (верхний график) при примерно среднем положении движка переменного резистора R3. Хорошо видно, что длительность импульса практически равна его паузе.

     При этом нужно не забывать, что при открытом транзисторе VT1, когда через нагрузку протекает ток, напряжение на коллекторе транзистора низко и равно напряжению насыщения коллектор-эмиттер т.к. сопротивление открытого транзистора низко и основная часть напряжения питания падает на коллекторной нагрузке согласно закону Ома. Когда же транзистор закрыт, его сопротивление высоко, в коллекторной цепи можно считать тока нет и всё напряжение падает на закрытом транзисторе – напряжение на коллекторе высоко.
     Помня это хорошо видно, что по мере заряда конденсатора С3 (левая часть пилообразного напряжения на нижнем графике) транзистор VT1 открыт – напряжение на его коллекторе низко, через светодиоды HL1-HL9 протекает ток. Во время разряда же конденсатора С3 (правая часть пилообразного напряжения на нижнем графике) транзистор VT1 закрыт – напряжение на его коллекторе высоко, через светодиоды HL1-HL9 ток не протекает.
     На второй осцилограмме показана форма сигналов в тех же точках, но в одном из крайних положений.

     Хорошо видно, что практически весь период транзистор VT1 открыт и через светодиоды HL1-HL9 протекает ток. Лишь на короткие промежутки времени транзистор закрывается. В данном положении средняя мощность, передаваемая в нагрузку практически максимальна.
     На третьей осцилограмме показана форма сигналов в тех же точках, но во-втором крайнем положении.

     Хорошо видно, что практически весь период транзистор VT1 закрыт и через светодиоды HL1-HL9 ток не протекает. Лишь на короткие промежутки времени транзистор открывается. В данном положении средняя мощность, передаваемая в нагрузку практически минимальна.
Таким образом приведённые осциллограммы полностью подтверждают описанный выше алгоритм работы диммера наглядно.
     А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Диммер с ШИМ
2. NE555. Техническое описание
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.

Файлы:
01.zip

Все вопросы в Форум.