第9节 PWM功率控制器(修订中)
[TOC]
零件和材料
- 四个 6 伏电池
- 一个电容，100 µF 电解电容，35 WVDC（Radio Shack 目录 # 272-1028 或同等产品）
- 一个电容，0.1 µF，非极化（Radio Shack 目录 #272-135）
- 一个 555 定时器 IC（Radio Shack 目录 #276-1723）
- 双运算放大器，推荐 1458 型（Radio Shack 目录 #276-038）
- 一个 NPN 功率晶体管—（Radio Shack 目录号 276-2041 或同等产品）
- 三个 1N4001 整流二极管（Radio Shack 目录 #276-1101）
- 一个 10 kΩ 电位器，线性锥形（Radio Shack 目录 # 271-1715）
- 一个 33 kΩ 电阻
- 12伏汽车尾灯
- 带耳机的音频检测器
交叉引用
电路课程，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器 (opens new window)”
电路课程，第 2 卷，第 7 章：“混合频率交流信号 (opens new window)”
学习目标
- 说明如何将 555 定时器用作非稳态多谐振荡器
- 说明如何使用运算放大器作为比较器
- 说明如何使用二极管来降低不需要的直流电压
- 说明如何通过脉宽调制控制负载电源
原理图，示意图
插图
指示
该电路使用[555 定时器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt- 比较器 (opens new window)。这两个电压信号的比较从运算放大器产生方波输出，占空比根据电位器的位置而变化。
然后，这个可变占空比信号驱动功率晶体管的基极，通过负载打开和关闭电流。555 的振荡频率远高于灯丝的热循环能力（加热和冷却），因此占空比或_脉冲宽度_的任何变化都会影响负载随时间消耗的总功率。
通过快速打开和关闭负载以及改变“开启”时间来控制通过负载的电力，称为_脉冲宽度调制_或_PWM_。这是控制电力的一种非常有效的方法，因为控制元件（功率晶体管）在打开和关闭时消耗的功率相对较少，特别是与在类似情况下变阻器浪费的功率相比。当晶体管处于截止状态时，它的功耗为零，因为没有电流通过它。
当晶体管饱和时，它的耗散非常低，因为它在传导电流时集电极和发射极之间的电压降很小。PWM (opens new window)是一个通过实验比阅读更容易理解的概念。最好在一台（三重迹线）示波器上查看电容器电压、电位器电压和运算放大器输出波形，以了解它们之间的关系以及与负载功率的关系。然而，我们大多数人都无法使用三迹线示波器，更不用说任何示波器了，因此另一种方法是降低 555 振荡器的速度，以便可以将三个电压与简单的直流电压表进行比较。
用 100 µF 或更大的电容替换 0.1 µF 电容。这将使振荡频率降低至少一千倍，使您能够测量电容器电压随_时间__缓慢_上升，当电容器_电压_大于电位器电压。在如此缓慢的振荡频率下，负载功率将不会像以前那样成比例。
相反，灯将定期打开和关闭。随意尝试使用其他电容器或电阻器值来加速振荡，从而使灯永远不会完全打开或关闭，而是通过晶体管的快速开关脉冲来“节流”。
查看原理图时，您会注意到_两个_运算放大器并联。这样做是为了向功率晶体管的基极端子提供最大电流输出。单个运算放大器（1458 IC 的一半）可能无法提供足够的输出电流来驱动晶体管进入饱和状态，因此串联使用两个运算放大器。
仅当相关运算放大器具有过载保护（如 1458 系列运算放大器）时才应执行此操作。否则，有可能（尽管不太可能）一个运算放大器先于另一个打开，并且由于两个输出相互短路（一个驱动“高”而另一个同时驱动“低”）而导致损坏。1458 提供的固有短路保护允许直接驱动功率晶体管基极，而无需任何限流电阻。
将运算放大器的输出连接到晶体管基极的三个串联二极管用于降低电压并确保当运算放大器输出变“低”时晶体管进入截止状态。因为 1458 运算放大器不能将其输出电压一直摆动到接地电位，而只能摆动到大约 2 伏接地电压范围内，所以从运算放大器直接连接到晶体管将意味着晶体管永远不会完全关闭。串联添加三个硅二极管会降低大约 2.1 伏（0.7 伏乘以 3），以确保当运算放大器输出变“低”时晶体管的基极电压最小。
当电位计在其整个运动范围内进行调整时，通过音频检测器收听运算放大器输出信号很有趣。调节电位器对信号频率没有影响，但对占空比影响很大。请注意音质或_音色_的差异，因为电位器会在 0% 到 50% 到 100% 之间改变占空比。改变占空比会改变波形的谐波含量，从而使音调听起来不同。
您可能会注意到，当电位计处于中心位置（50% 占空比 - 50% 负载功率）时，通过探测器耳机听到的声音具有特殊的独特性，而在 50% 占空比之上或之下的声音则具有某种相似性。这是由于偶数谐波的不存在或存在。任何在其中心线上下对称的波形，例如占空比为 50% 的方波，都_不含_偶数谐波，只有奇数谐波。
如果占空比低于或高于 50%，波形将_不会_表现出这种对称性，会出现偶数次谐波。人耳可以检测到这些偶数谐波频率的存在，因为它们中的一些对应于基频的_八度音阶_，因此更自然地“适合”到音调方案中。
相关练习：
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