Простые схемы ШИМ генераторов на одной микросхеме

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2013

Генераторы широтно-импульсно модулированных сигналов (ШИМ) интегрированы практически в любое устройство импульсного преобразования мощности. В статье будут показаны два способа реализации автономных аналоговых ШИМ генераторов. При необходимости улучшить характеристики генераторов их можно модифицировать, добавив в каждый по одной микросхеме.

Устройства, состоящие из одной микросхемы, могут быть сделаны по двум схемам. В одной используется интегральный таймер ICM7555, а в другой – маломощный компаратор MAX998. Мы рассмотрим обе схемы.

Схема 1: использование маломощного таймера в качестве ШИМ генератора

Таймер ICM7555 включается согласно Рисунку 1.
 

Рисунок 1.	ШИМ генератор и таймер на одной микросхеме.

На Рисунке 1 ширина импульса на выводе 3 модулируется управляющим напряжением V_CONTROL, приложенным к выводу 5. Лабораторные измерения схемы были выполнены при напряжении питания 5 В. На Рисунках 2…5 показаны выходные ШИМ сигналы при трех различных управляющих напряжениях: 1 В, 2 В и 4 В. Конденсатор C1 заряжается напряжением источника питания V_SUPPLY до уровня V_CONTROL и разряжается от V_CONTROL/2 до уровня земли. При отсутствии внешнего управляющего напряжения напряжение V_CONTROL составляет 2/3 от V_SUPPLY.

Рисунок 2.	Выход ШИМ генератора при управляющем напряжении, равном 1 В.

 

Рисунок 3.	Выход ШИМ генератора при управляющем напряжении, равном 2 В.

 

Рисунок 4.	Выход ШИМ генератора при отсутствии управляющего напряжения.

 

Рисунок 5.	Выход ШИМ генератора при управляющем напряжении, равном 4 В.

Представленные осциллограммы иллюстрируют влияние управляющего напряжения, приложенного к выводу 5, на изменения пороговых напряжений двух внутренних компараторов. В отсутствие управляющего напряжения (Рисунок 4) пороги заряда и разряда C1 определяются внутренней структурой таймера и составляют 1/3 и 2/3 от напряжения питания. Этими порогами, равноудаленными от напряжения питания и земли, устанавливается коэффициент заполнения равный 50%. При изменении управляющего напряжения изменяется время заряда C1, за которое напряжение на конденсаторе должно достичь V_CONTROL, и время разряда, в течение которого напряжение спадает до V_CONTROL/2. Этот процесс приводит к модуляции ширины выходного импульса.

Время заряда определяется формулой

где

R = R1,
C =C1.

Время разряда можно вычислить из выражения

Схема 2: генератор ШИМ с компаратором

Компаратор MAX998 включается согласно Рисунку 6.

Рисунок 6.	ШИМ генератор и компаратор.

Ширина выходного импульса модулируется под управлением напряжения, приложенного к R1. При напряжении питания 5 В были проведены лабораторные измерения, результаты которых представлены на Рисунках 7…9, демонстрирующих формы выходных сигналов ШИМ при управляющем напряжении, равном 1 В, 2 В и 4 В.

Рисунок 7.	Выход ШИМ генератора при управляющем напряжении, равном 1 В.

 

Рисунок 8.	Выход ШИМ генератора при управляющем напряжении, равном 2 В.

 

Рисунок 9.	Выход ШИМ генератора при управляющем напряжении, равном 3 В.

Приложенное к микросхеме MAX998 управляющее напряжение устанавливает пороговые напряжения, определяющие моменты начала заряда и разряда C1. Верхний порог равен

а нижнее пороговое напряжение равно V_CONTROL/2.
Время заряда можно найти из формулы

Время разряда описывается выражением
 

где

R = R1,
C =C1.

Варианты ШИМ генераторов на двух микросхемах

Необходимо отметить, что управляющее напряжение в обеих схемах изменяет не только длительность импульсов, но и их частоту. Добавив в каждую из схем по одному компаратору, можно зафиксировать частоту выходных сигналов.

В Схеме 1 пилообразное напряжение с вывода 6 необходимо подать на вход второго компаратора. Это напряжение будет задавать коэффициент заполнения выходных импульсов постоянной частоты. Аналогично, в Схеме 2 на второй компаратор подается пилообразное напряжение с инвертирующего входа MAX998.