PWMパワーコントローラー

部品と材料

• 6ボルトのバッテリー4個
• 1つのコンデンサ、100 µF電解、35 WVDC（Radio Shackカタログ番号272-1028または同等品）
• 1つのコンデンサ、0.1 µF、無偏波（Radio Shackカタログ番号272-135）
• 1つの555タイマーIC（Radio Shackカタログ番号276-1723）
• デュアルオペアンプ、モデル1458を推奨（Radio Shackカタログ番号276-038）
• 1つのNPNパワートランジスタ—（Radio Shackカタログ番号276-2041または同等のもの）
• 3つの1N4001整流ダイオード（Radio Shackカタログ番号276-1101）
• 10kΩポテンショメータ1つ、線形テーパー（Radio Shackカタログ番号271-1715）
• 33kΩ抵抗1つ
• 12ボルトの自動車用テールライトランプ
• ヘッドホン付きオーディオ検出器

相互参照

電気回路の教訓 、第3巻、第8章：「オペアンプ」

電気回路の教訓 、第2巻、第7章：「混合周波数AC信号」

学習目標

• 555タイマーを非安定マルチバイブレーターとして使用する方法を説明するため
• オペアンプをコンパレータとして使用する方法を説明するため
• ダイオードを使用して不要なDC電圧を下げる方法を説明する
• パルス幅変調によって負荷への電力を制御する方法を説明するため

回路図

イラスト

手順

この回路は、555タイマーを使用してコンデンサの両端に鋸歯状の電圧波形を生成し、その信号を、オペアンプをコンパレータとして使用して、ポテンショメータによって提供される定常電圧と比較します。これら2つの電圧信号を比較すると、オペアンプから方形波出力が生成され、ポテンショメータの位置に応じてデューティサイクルが変化します。

次に、この可変デューティサイクル信号がパワートランジスタのベースを駆動し、負荷を介して電流のオンとオフを切り替えます。 555の発振周波数は、ランプフィラメントの熱サイクル（加熱および冷却）能力よりもはるかに高いため、デューティサイクルまたはパルス幅の変動はありません。 、時間の経過とともに負荷によって消費される総電力を制御する効果があります。

負荷のオンとオフをすばやく切り替え、「オン」時間を変更することで負荷を介して電力を制御することは、パルス幅変調として知られています。 、または PWM 。制御要素（パワートランジスタ）は、特に同様の状況でレオスタットから消費される無駄な電力と比較した場合、オンとオフの切り替え時に消費する電力が比較的少ないため、電力を制御する非常に効率的な手段です。トランジスタがカットオフ状態のときは、電流が流れないため、消費電力はゼロです。

トランジスタが飽和状態になると、電流を流している間、コレクタとエミッタの間で電圧降下がほとんどないため、その損失は非常に低くなります。 PWMは、読むよりも実験を通して理解しやすい概念です。コンデンサ電圧、ポテンショメータ電圧、およびオペアンプの出力波形をすべて1つの（トリプルトレース）オシロスコープで表示して、それらが相互にどのように関連しているか、および負荷電力にどのように関連しているかを確認すると便利です。しかし、私たちのほとんどはトリプルトレースオシロスコープにアクセスできず、ましてやオシロスコープにはまったくアクセスできません。そのため、別の方法として、555発振器を十分に遅くして、3つの電圧を単純なDC電圧計と比較することができます。

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0.1 µFのコンデンサを100 µF以上のものと交換してください。これにより、発振周波数が少なくとも1000倍遅くなり、コンデンサの電圧をゆっくり測定できるようになります。 時間の経過とともに上昇し、オペアンプの出力が「 high 」から遷移します。 」から「低 」コンデンサの電圧がポテンショメータの電圧よりも大きくなった場合。このように発振周波数が遅いと、負荷電力は以前のように比例しなくなります。

むしろ、ランプは一定の間隔でオンとオフになります。ランプが完全にオンまたはオフになることはないが、「スロットル」になるように、他のコンデンサまたは抵抗の値を試して、発振を十分に高速化してください。 」トランジスタの迅速なオン/オフパルスによる。

回路図を調べると、 2つに気付くでしょう。 並列に接続されたオペアンプ。これは、パワートランジスタのベース端子に最大電流出力を提供するために行われます。単一のオペアンプ（1458 ICの半分）では、トランジスタを飽和状態にするのに十分な出力電流を供給できない場合があるため、2つのオペアンプを併用します。

これは、問題のオペアンプが過負荷保護されている場合にのみ実行する必要があります。これは、1458シリーズのオペアンプです。そうしないと、（可能性は低いですが）一方のオペアンプがもう一方のオペアンプよりも先にオンになる可能性があり、2つの出力が互いに短絡する（一方が「高」を駆動する）ことで損傷が発生する可能性があります。 」と他の運転「低 " 同時に）。 1458が提供する固有の短絡保護により、電流制限抵抗を必要とせずにパワートランジスタベースを直接駆動できます。

オペアンプの出力をトランジスタのベースに接続する直列の3つのダイオードは、電圧を降下させ、オペアンプの出力が「ロー」になったときにトランジスタがカットオフに陥ることを保証するためにあります。 1458オペアンプは、出力電圧をグランド電位まで下げることはできませんが、グランドから約2ボルト以内までしかスイングできないため、オペアンプからトランジスタに直接接続すると、トランジスタが完全にオフになることはありません。 3つのシリコンダイオードを直列に追加すると、約2.1ボルト（0.7ボルト×3）低下し、オペアンプの出力が「低」になったときにトランジスタのベースに最小の電圧がかかるようにします。 。」

ポテンショメータは全可動域で調整されるため、オーディオ検出器を介してオペアンプの出力信号を聞くのは興味深いことです。ポテンショメータを調整しても信号周波数には影響しませんが、デューティサイクルに大きく影響します。音質、つまり音色の違いに注意してください 、ポテンショメータがデューティサイクルを0％から50％、100％まで変化させるため。デューティサイクルを変えると、波形の倍音成分が変化し、音色が異なります。

ポテンショメータが中央位置（50％のデューティサイクル—50％の負荷電力）にあるときに検出器のヘッドホンから聞こえる音に特定の独自性があることに気付くかもしれません。これは、偶数次の高調波が存在しないか存在するためです。デューティサイクルが50％の方形波など、中心線の上下で対称な波形には、 no が含まれます。 偶数次の高調波、奇数のみ。

デューティサイクルが50％未満または50％を超える場合、波形は この対称性を示し、偶数次の高調波が発生します。これらの偶数の高調波周波数の存在は、それらのいくつかがオクターブに対応しているため、人間の耳で検出できます。 基本周波数の、したがって「適合 」より自然にトーンスキームに組み込まれます。

関連ワークシート：

• 信号変調ワークシート