PWM電力コントローラ:パルス幅変調ランプドライバの構築
部品と材料
- 6ボルト電池4個
- 100µF電解コンデンサ、35WVDC(例:Radio Shack #272‑1028)
- 0.1µF無極性コンデンサ(Radio Shack #272‑135)
- 555タイマーIC(Radio Shack #276‑1723)
- デュアルオペレーショナルアンプ、1458(Radio Shack #276‑038)
- NPNパワートランジスタ(Radio Shack #276‑2041または同等品)
- 1N4001整流ダイオード3個(Radio Shack #276‑1101)
- 10kΩリニアポテンショメータ(Radio Shack #271‑1715)
- 33kΩ抵抗
- 12ボルト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
関連リファレンス
- Lessons In Electric Circuits、第3巻、第8章:「オペレーショナルアンプ」
- Lessons In Electric Circuits、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として実演する
- オペアンプをコンパレータとして使用する
- ダイオードで不要なDC電圧をドロップする
- パルス幅変調(PWM)で負荷への電力を制御する
回路図

イラストレーション

手順
この回路は、555タイマーを使用してコンデンサに鋸歯状電圧を生成します。コンデンサ電圧を、ポテンショメータからの基準電圧とオペアンプコンパレータで比較します。コンパレータの矩形波出力は、ポテンショメータに応じてデューティサイクルが変化し、パワートランジスタのベースを駆動します。トランジスタが12Vランプを高速でオン/オフ切り替えるため、ランプの平均電力はデューティサイクルに比例します。
PWMの概念は、トランジスタがカットオフ時(電流なし)と飽和時(最小電圧降下)で電力損失が低いことに依存します。レオスタットと比較して、PWMは精密でエネルギー効率の高い電力制御を実現します。
トリプルトレースオシロスコープなしで波形関係を観察するには、0.1µFコンデンサを100µFコンデンサに置き換えてください。これにより555の周波数が約1,000倍遅くなり、DCボルトメータでコンデンサの上昇とオペアンプの遷移を追跡できます。ランプはゆっくりと目に見えてオン/オフし、PWMの基本メカニズムを実演します。
同一の2つのオペアンプを並列接続して、トランジスタベースに必要な電流を供給します。1458シリーズは短絡保護機能を備え、一方のアンプがハイを駆動しもう一方がローを駆動し始めた場合でも破損を防ぎます。直列の3つのシリコンダイオードで約2.1Vドロップさせ、オペアンプ出力がローのときにトランジスタが完全にオフになるようにします。1458はグラウンドまで正確には下がらないためです。
ポテンショメータを調整しながらヘッドホンでオペアンプ出力を聴くと、デューティサイクルが高調波成分をどう形作るかがわかります。50%デューティサイクルでは波形は完全な矩形波で奇数高調波のみを含み、独特の音色になります。50%から外れると偶数高調波が現れ、音が微妙に変化します。
関連ワークシート
- 信号変調ワークシート
産業技術