Pengontrol Daya PWM

BAGIAN DAN BAHAN

• Empat baterai 6 volt
• Satu kapasitor, 100 F elektrolit, 35 WVDC (Katalog Radio Shack # 272-1028 atau setara)
• Satu kapasitor, 0,1 F, tidak terpolarisasi (Katalog Radio Shack # 272-135)
• Satu IC pewaktu 555 (Katalog Radio Shack #276-1723)
• Penguat operasional ganda, direkomendasikan model 1458 (Katalog Radio Shack # 276-038)
• Satu transistor daya NPN—(Katalog Radio Shack #276-2041 atau yang setara)
• Tiga dioda penyearah 1N4001 (Katalog Radio Shack # 276-1101)
• Satu potensiometer 10 kΩ, lancip linier (Katalog Radio Shack # 271-1715)
• Satu resistor 33 kΩ
• Lampu belakang mobil 12 volt
• Detektor audio dengan headphone

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 8:“Penguat Operasional”

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 2, bab 7:“Sinyal AC Frekuensi Campuran”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Untuk mengilustrasikan cara menggunakan timer 555 sebagai multivibrator astabil
• Untuk mengilustrasikan cara menggunakan op-amp sebagai pembanding
• Untuk mengilustrasikan cara menggunakan dioda untuk menjatuhkan tegangan DC yang tidak diinginkan
• Untuk mengilustrasikan cara mengontrol daya ke beban dengan modulasi lebar pulsa

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Rangkaian ini menggunakan timer 555 untuk menghasilkan bentuk gelombang tegangan gigi gergaji melintasi kapasitor, kemudian membandingkan sinyal tersebut dengan tegangan tetap yang disediakan oleh potensiometer, menggunakan op-amp sebagai pembanding. Perbandingan kedua sinyal tegangan ini menghasilkan keluaran gelombang persegi dari op-amp, yang bervariasi dalam siklus kerja sesuai dengan posisi potensiometer.

Sinyal siklus tugas variabel ini kemudian menggerakkan basis transistor daya, menghidupkan dan mematikan arus melalui beban. Frekuensi osilasi 555 jauh lebih tinggi daripada kemampuan filamen lampu untuk siklus termal (panas dan dingin), jadi setiap variasi dalam siklus kerja, atau lebar pulsa , memiliki efek mengontrol total daya yang dihamburkan oleh beban dari waktu ke waktu.

Mengontrol daya listrik melalui beban dengan cara menyalakan dan mematikannya dengan cepat, dan memvariasikan waktu "hidup", dikenal sebagai modulasi lebar-pulsa , atau PWM . Ini adalah cara yang sangat efisien untuk mengendalikan daya listrik karena elemen pengontrol (transistor daya) mengeluarkan daya yang relatif kecil dalam menghidupkan dan mematikan, terutama jika dibandingkan dengan daya yang terbuang dari rheostat dalam situasi yang sama. Ketika transistor dalam keadaan cutoff, disipasi dayanya adalah nol karena tidak ada arus yang melewatinya.

Ketika transistor dalam keadaan jenuh, disipasinya sangat rendah karena hanya ada sedikit tegangan yang turun antara kolektor dan emitor saat sedang menghantarkan arus. PWM adalah konsep yang lebih mudah dipahami melalui eksperimen daripada membaca. Akan menyenangkan untuk melihat tegangan kapasitor, tegangan potensiometer, dan bentuk gelombang keluaran op-amp semua pada satu (triple-trace) osiloskop untuk melihat bagaimana mereka berhubungan satu sama lain, dan dengan daya beban. Namun, kebanyakan dari kita tidak memiliki akses ke osiloskop triple-trace, apalagi osiloskop sama sekali, jadi metode alternatif adalah memperlambat osilator 555 cukup rendah sehingga ketiga tegangan dapat dibandingkan dengan voltmeter DC sederhana.

Ganti kapasitor 0,1 F dengan yang 100 F atau lebih besar. Ini akan memperlambat frekuensi osilasi dengan faktor setidaknya seribu, memungkinkan Anda untuk mengukur tegangan kapasitor secara perlahan meningkat seiring waktu, dan transisi keluaran op-amp dari “tinggi ” ke “rendah ” ketika tegangan kapasitor menjadi lebih besar dari tegangan potensiometer. Dengan frekuensi osilasi yang begitu lambat, daya beban tidak akan proporsional seperti sebelumnya.

Sebaliknya, lampu akan menyala dan mati secara berkala. Jangan ragu untuk bereksperimen dengan nilai kapasitor atau resistor lain untuk mempercepat osilasi sehingga lampu tidak pernah menyala atau mati sepenuhnya, tetapi “dihambat ” dengan denyut transistor yang hidup dan mati dengan cepat.

Saat Anda memeriksa skema, Anda akan melihat dua penguat operasional yang terhubung secara paralel. Hal ini dilakukan untuk memberikan keluaran arus maksimum ke terminal basis transistor daya. Sebuah op-amp tunggal (setengah dari 1458 IC) mungkin tidak dapat memberikan arus keluaran yang cukup untuk mendorong transistor ke saturasi, sehingga dua op-amp digunakan bersama-sama.

Ini hanya boleh dilakukan jika op-amp yang dimaksud dilindungi dari beban lebih, yaitu op-amp seri 1458. Jika tidak, ada kemungkinan (walaupun tidak mungkin) bahwa satu op-amp dapat menyala sebelum yang lain, dan kerusakan dihasilkan dari dua output yang menyebabkan hubungan arus pendek satu sama lain (satu mengemudi “tinggi ” dan yang lainnya mengemudi “rendah ” secara bersamaan). Perlindungan hubung singkat bawaan yang ditawarkan oleh 1458 memungkinkan penggerak langsung basis transistor daya tanpa memerlukan resistor pembatas arus.

Tiga dioda secara seri yang menghubungkan output op-amp ke basis transistor ada di sana untuk menjatuhkan tegangan dan memastikan transistor jatuh ke cutoff ketika output op-amp menjadi "rendah". Karena op-amp 1458 tidak dapat mengayunkan tegangan outputnya ke potensial ground, tetapi hanya sekitar 2 volt dari ground, koneksi langsung dari op-amp ke transistor akan berarti transistor tidak akan pernah benar-benar mati. Menambahkan tiga dioda silikon secara seri akan menurunkan sekitar 2,1 volt (0,7 volt kali 3) untuk memastikan ada tegangan minimal di basis transistor ketika output op-amp menjadi “rendah .”

Sangat menarik untuk mendengarkan sinyal keluaran op-amp melalui detektor audio karena potensiometer disetel melalui rentang gerak penuhnya. Menyesuaikan potensiometer tidak berpengaruh pada frekuensi sinyal, tetapi sangat mempengaruhi siklus kerja. Perhatikan perbedaan kualitas nada, atau timbre , karena potensiometer memvariasikan siklus kerja dari 0% hingga 50% hingga 100%. Memvariasikan siklus kerja memiliki efek mengubah konten harmonik bentuk gelombang, yang membuat nada terdengar berbeda.

Anda mungkin melihat keunikan tertentu pada suara yang terdengar melalui headphone detektor saat potensiometer berada di posisi tengah (siklus tugas 50%—daya beban 50%), versus sejenis kesamaan suara di atas atau di bawah siklus kerja 50%. Hal ini disebabkan tidak adanya atau adanya harmonik genap. Setiap bentuk gelombang yang simetris di atas dan di bawah garis tengahnya, seperti gelombang persegi dengan siklus kerja 50%, mengandung tidak harmonik bernomor genap, hanya bernomor ganjil.

Jika siklus kerja di bawah atau di atas 50%, bentuk gelombang tidak menunjukkan simetri ini, dan akan ada harmonik bernomor genap. Kehadiran frekuensi harmonik genap ini dapat dideteksi oleh telinga manusia, karena beberapa di antaranya sesuai dengan oktaf dari frekuensi dasar dan dengan demikian “cocok ” lebih alami ke dalam skema nada.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Modulasi Sinyal