Схема линейного ШИМ-контроллера на логическом элементе CD4069

Простой ШИМ регулятор мощности – преобразователь входного напряжения в длительность (скважность) без использования специализированных микросхем

ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) – это способ управления мощностью посредством подачи в нагрузку импульсного напряжения определённой (постоянной) амплитуды и частоты, но с изменяющейся длительностью (скважностью) импульсов.
Чем больше длительность импульса – тем выше действующее (эффективное) значение выходного напряжения, а соответственно, и мощность, поступающая в нагрузку.

Управление длительностью импульсов в ШИМ-регуляторах можно производить как при помощи переменного резистора, так и посредством подачи на управляющий вход регулирующего напряжения, причём зависимость преобразования (в большинстве случаев) желательно иметь линейной. И если в первом случае никаких сложностей с поиском схемотехнических решений таких преобразователей не возникает, то во втором – источники, как правило, отсылают нас к применению специализированных ИМС ШИМ-контроллеров.

Ликвидируем данный пробел в информации, изобразив схему простого линейного ШИМ-контроллера – регулятора мощности, выполненного всего на одном элементе базовой КМОП логики.

Рис.1 Схема линейного ШИМ-контроллера и регулятора мощности на логич. элементе

Контроллер выполнен на логическом элементе CD4069 (К561ЛН5), содержащем внутри себя 6 инверторов стандартной КМОП логики. Диапазон напряжений питания микросхемы: +3...15V, корпус – DIP-14/SO-14.

Триггер Щмитта (на DD1.1, DD1.2) и интегратор (DD1.3) образуют генератор треугольного напряжения с выходной амплитудой ~ ±Еп/4. Подстроечный резистор R2 позволяет установить точное значение этой амплитуды.
При указанных на схеме номиналах элементов частота колебаний генератора составляет около 10 кГц.

Вентили DD1.4 и DD1.5 образуют компаратор с напряжением срабатывания ~ ±Еп/2. С одной стороны на вход этого компаратора поступает переменное напряжение генератора треугольной формы, с другой – напряжение, идущее через резистор R5 с управляющего входа ШИМ-контроллера (Евх). Номиналы резисторов R5 и R6 подобраны таким образом, чтобы при нулевом напряжении на управляющем входе компаратор находился на грани срабатывания, т. е. длительность импульсного сигнала на 10 выводе CD4069 имела минимальную длительность, близкую к нулю.

Проиллюстрируем работу ШИМ-регулятора диаграммами:



Рис.2 Диаграммы, поясняющие работу ШИМ-контроллера при Еп = 10 В

Как можно увидеть, при Евх = 0 длительность выходных импульсов минимальна (практически равна нулю), скважность максимальна (стремится к ∞) – мощность в нагрузку не поступает.

При Евх ≈ 0,66Еп длительность выходных импульсов максимальна и практически равна периоду колебаний генератора, скважность минимальна (близка к 1) – вся мощность от источника питания без ослабления поступает в нагрузку.

Поскольку ШИМ-регулятор осуществляет линейное преобразование, то и длительность выходных импульсов в промежуточных точках линейно зависит от значения подаваемого на управляющий вход напряжения, т. е. при Евх = 0,33Еп длительность равна половине периода колебаний, а скважность рана 2 (меандр).

Посредством импульсов, сформированных на выходе DD1.6 (12 вывод), можно осуществлять инверсную регулировку ШИМ, то есть при нулевом напряжении на управляющем входе мощность в нагрузке будет максимальной.

Цепь на транзисторах VT1...VT3, изображённая на Рис.1, предназначена для управления мощной нагрузкой. При подобном построении мощность нагрузки ограничена лишь параметрами выходного транзистора VT3 и может составлять многие сотни ватт. При этом верхний (по схеме) вывод нагрузки никто не мешает подключить и к отдельному источнику питания с любым (допустимым для выходного транзистора) значением напряжения.
Транзисторы VT1, VT2 – любые маломощные комплементарные транзисторы. Они предназначены для быстрой перезарядки высокой входной ёмкости мощного полевика, что способствует снижению длительности переходных процессов и существенно повышает КПД устройства.

Если напряжение питания ШИМ-контроллера ниже 8...9 вольт, то выходной транзистор желательно выбирать из числа MOSFET-ов с низким напряжением отсечки.

Настройка контроллера сводится к установке подстроечного резистора в положение, при котором при нулевом напряжении на управляющем входе, длительность выходных импульсов будет минимальной, но всё ж таки возможной для визуальной фиксации на осциллографе.