Controlador de energia PWM

PEÇAS E MATERIAIS

• Quatro baterias de 6 volts
• Um capacitor, 100 µF eletrolítico, 35 WVDC (catálogo Radio Shack nº 272-1028 ou equivalente)
• Um capacitor, 0,1 µF, não polarizado (catálogo Radio Shack # 272-135)
• Um IC temporizador 555 (catálogo Radio Shack # 276-1723)
• Amplificador operacional duplo, modelo 1458 recomendado (catálogo Radio Shack # 276-038)
• Um transistor de potência NPN— (catálogo Radio Shack nº 276-2041 ou equivalente)
• Três diodos retificadores 1N4001 (catálogo Radio Shack # 276-1101)
• Um potenciômetro de 10 kΩ, cone linear (catálogo Radio Shack # 271-1715)
• Um resistor de 33 kΩ
• lâmpada traseira automotiva de 12 volts
• Detector de áudio com fones de ouvido

REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionais"

Aulas de circuitos elétricos , Volume 2, capítulo 7:“Sinais CA de Frequência Mista”



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Para ilustrar como usar o cronômetro 555 como um multivibrador astável
• Para ilustrar como usar um amplificador operacional como um comparador
• Para ilustrar como usar diodos para diminuir a tensão CC indesejada
• Para ilustrar como controlar a potência para uma carga por modulação por largura de pulso

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

Este circuito usa um temporizador 555 para gerar uma forma de onda de tensão dente de serra em um capacitor e, em seguida, compara esse sinal com uma tensão constante fornecida por um potenciômetro, usando um amplificador operacional como comparador. A comparação desses dois sinais de tensão produz uma saída de onda quadrada do amplificador operacional, variando no ciclo de trabalho de acordo com a posição do potenciômetro.

Esse sinal de ciclo de trabalho variável aciona a base de um transistor de potência, ligando e desligando a corrente através da carga. A frequência de oscilação do 555 é muito maior do que a capacidade do filamento da lâmpada de realizar um ciclo térmico (aquecimento e resfriamento), portanto, qualquer variação no ciclo de trabalho ou largura de pulso , tem o efeito de controlar a potência total dissipada pela carga ao longo do tempo.







O controle da energia elétrica através de uma carga por meio de ligá-la e desligá-la rapidamente e variar o tempo de "ligar" é conhecido como modulação por largura de pulso ou PWM . É um meio muito eficiente de controlar a energia elétrica porque o elemento de controle (o transistor de potência) dissipa comparativamente pouca energia ao ligar e desligar, especialmente se comparado à energia desperdiçada dissipada por um reostato em uma situação semelhante. Quando o transistor está em corte, sua dissipação de potência é zero porque não há corrente através dele.

Quando o transistor está saturado, sua dissipação é muito baixa porque há pouca tensão entre o coletor e o emissor enquanto ele conduz a corrente. PWM é um conceito mais fácil de entender através da experimentação do que da leitura. Seria bom ver a tensão do capacitor, a tensão do potenciômetro e as formas de onda de saída do amplificador operacional em um osciloscópio (triplo-traço) para ver como elas se relacionam entre si e com a potência de carga. No entanto, a maioria de nós não tem acesso a um osciloscópio de rastreamento triplo, muito menos a qualquer osciloscópio, então um método alternativo é desacelerar o oscilador 555 o suficiente para que as três tensões possam ser comparadas com um voltímetro CC simples.

Substitua o capacitor de 0,1 µF por um que seja de 100 µF ou maior. Isso diminuirá a frequência de oscilação por um fator de pelo menos mil, permitindo que você meça a tensão do capacitor lentamente aumentar ao longo do tempo, e a transição de saída do amp op de “ alta ”Para“ baixo ”Quando a tensão do capacitor torna-se maior do que a tensão do potenciômetro. Com uma frequência de oscilação tão lenta, a potência de carga não será proporcionada como antes.

Em vez disso, a lâmpada acende e apaga em intervalos regulares. Sinta-se à vontade para experimentar outros valores de capacitor ou resistor para acelerar as oscilações o suficiente para que a lâmpada nunca acenda ou apague totalmente, mas esteja “ estrangulada ”Por pulsação rápida liga e desliga do transistor.

Ao examinar o esquema, você notará dois amplificadores operacionais conectados em paralelo. Isso é feito para fornecer saída de corrente máxima para o terminal base do transistor de potência. Um único amplificador operacional (metade de um IC 1458) pode não ser capaz de fornecer corrente de saída suficiente para levar o transistor à saturação, então dois amplificadores operacionais são usados ​​em conjunto.

Isso só deve ser feito se os amplificadores operacionais em questão estiverem protegidos contra sobrecarga, o que ocorre com a série 1458 de amplificadores operacionais. Caso contrário, é possível (embora improvável) que um amplificador operacional possa ligar antes do outro, e os danos resultem das duas saídas em curto-circuito (uma conduzindo “ alto ”E o outro dirigindo“ baixo " simultaneamente). A proteção de curto-circuito inerente oferecida pelo 1458 permite o acionamento direto da base do transistor de potência sem a necessidade de um resistor limitador de corrente.

Os três diodos em série conectando as saídas do amplificador operacional à base do transistor estão lá para diminuir a tensão e garantir que o transistor caia no corte quando as saídas do amplificador operacional ficarem "baixas". Como o amplificador operacional 1458 não pode reduzir sua tensão de saída até o potencial de aterramento, mas apenas a cerca de 2 volts de aterramento, uma conexão direta do amplificador operacional ao transistor significaria que o transistor nunca desligaria totalmente. Adicionar três diodos de silício em série cai aproximadamente 2,1 volts (0,7 volts vezes 3) para garantir que haja tensão mínima na base do transistor quando as saídas do amplificador operacional ficarem “ baixas . ”

É interessante ouvir o sinal de saída do amplificador operacional por meio de um detector de áudio à medida que o potenciômetro é ajustado em toda a sua amplitude de movimento. O ajuste do potenciômetro não tem efeito na frequência do sinal, mas afeta bastante o ciclo de trabalho. Observe a diferença na qualidade do tom, ou timbre , como o potenciômetro varia o ciclo de trabalho de 0% a 50% a 100%. A variação do ciclo de trabalho tem o efeito de alterar o conteúdo harmônico da forma de onda, o que torna o som do tom diferente.

Você pode notar uma singularidade particular no som ouvido pelos fones de ouvido do detector quando o potenciômetro está na posição central (ciclo de trabalho de 50% - potência de carga de 50%), versus um tipo de semelhança no som logo acima ou abaixo do ciclo de trabalho de 50%. Isso se deve à ausência ou presença de harmônicos pares. Qualquer forma de onda simétrica acima e abaixo de sua linha central, como uma onda quadrada com um ciclo de trabalho de 50%, contém não harmônicos pares, apenas ímpares.

Se o ciclo de trabalho estiver abaixo ou acima de 50%, a forma de onda não exibem essa simetria, e haverá harmônicos pares. A presença dessas frequências harmônicas pares pode ser detectada pelo ouvido humano, pois algumas delas correspondem a oitavas da frequência fundamental e, portanto, “ apto ”Mais naturalmente no esquema de tons.



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