Биполярные формирователи ШИМ-сигналов из синусоиды

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2019

Михаил Шустов, г. Томск

Приведено описание устройств, преобразующих входной сигнал синусоидальной формы в биполярные цифровые сигналы той же частоты, причем ширину импульсов положительной и/или отрицательной полярности можно раздельно или одновременно регулировать в пределах от 0 до 100% относительно полупериодов входного синусоидального сигнала

Формирователи широтно-импульсно модулированных (ШИМ) сигналов зачастую используют для плавного регулирования мощности, выделяемой в активной нагрузке. Для коммутации нагрузки обычно используют тиристоры и симисторы, а также силовые полевые транзисторы. Используемые ранее формирователи управляющих ШИМ-сигналов не позволяли раздельно регулировать мощность, выделяемую в нагрузке по положительным и отрицательным полупериодам питающего нагрузку напряжения.

Ниже приведены варианты схем биполярных формирователей ШИМ-сигналов из синусоиды, позволяющие как одновременно, так и раздельно перераспределять мощность в нагрузке по положительным и отрицательным полупериодам. Отличительной особенностью формирователей является то, что они способны работать в широком частотном диапазоне.

На Рисунке 1 показан простейший вариант биполярного формирователя ШИМ-сигналов из синусоиды. Формирователь выполнен на комплементарной n-p-n/p-n-p паре биполярных транзисторов BC817DPN. Рабочая точка устройства задается регулировкой потенциометра R4, напряжение на который подается от двух разнополярных источников постоянного напряжения Е1 и Е2. На базы транзисторов одновременно через резистор R2 подается сигнал синусоидальной или треугольной формы, пиковое значение полупериодов которого примерно на 20% ниже напряжения Е. Частота входного сигнала не критична и может достигать единиц МГц (для устройств силовой электроники обычно 50/60/400 и т.д. Гц).

Рисунок 1.	Формирователь ШИМ-сигналов из синусоиды с взаимозависимой регулировкой ширины выходных импульсов положительной и отрицательной полярности.

На выходах А и В устройства формируются противофазные управляющие сигналы с частотой входного сигнала. Форма этих сигналов близка к прямоугольной, а ширина в пределах от 0 до 100% относительно полупериода входного синусоидального сигнала зависит от положения движка потенциометра R4. Особенностью формирователя ШИМ-сигналов (Рисунок 1) является то, что если длительность сигнала на выходе А возрастает, то длительность сигнала на выходе B уменьшается. Недостатком простейшего формирователя, обусловленным неидентичностью свойств транзисторов комплементарной пары, является заметное различие ширины сформированных импульсов положительной и отрицательной полярности при равных пределах регулировки движка потенциометра R4 в ту или иную сторону.

Более совершенным представляется формирователь ШИМ-сигналов с независимой регулировкой ширины выходных импульсов положительной и отрицательной полярности (Рисунок 2). Формирователь также выполнен на комплементарной паре транзисторов BC817DPN и отличается от предыдущего возможностью индивидуальной регулировки ширины выходных сигналов по каждому из полупериодов той или иной полярности. Диоды VD1, VD2 предназначены для защиты переходов транзисторов VT1.1 и VT1.2. В формирователе (Рисунок 1) такая защита не требуется, поскольку переходы эмиттер-база комплементарной n-p-n/p-n-p пары транзисторов VT1.1 и VT1.2 включены встречно.

Рисунок 2.	Формирователь ШИМ-сигналов из синусоиды с независимой регулировкой ширины выходных импульсов положительной и отрицательной полярности.

Для улучшения формы сигналов на выходах устройства можно использовать выходные каскады на основе двух MOSFET 2N7000 или, что предпочтительней, двух КМОП-микросхем (Рисунок 3а и 3б). Каждая из микросхем DD1 и DD2 получает питание от «своего» источника питания, что позволяет получить на выходах А и В биполярные сигналы регулируемой от 0 до 100% ширины относительно полупериода входного синусоидального сигнала.

Рисунок 3.	Варианты выполнения выходных каскадов биполярных формирователей ШИМ-сигналов и схемы их питания.

На Рисунке 4 показана динамика электрических процессов на входе и выходах А и В биполярного формирователя ШИМ-сигналов, выполненного на основе схем, представленных на Рисунках 2 и 3б.

Рисунок 4.	Динамика входных и выходных сигналов биполярного формирователя ШИМ-сигналов при сочетании схем, Рисунок 2 и 3б.

Ширину выходных импульсов положительной и отрицательной полярности можно раздельно регулировать потенциометрами R4 и R7, соответственно. Преимуществом подобного способа регулировки является то, что она позволяет более гибко управлять электрическими процессами в нагрузке, например, раздельно управлять энерговыделением в двух активных нагрузках или свечением двух светодиодов, используя двухпроводную линию.

Материалы по теме