Простой генератор сигналов ШИМ, сигнал широтно-импульсной модуляцией используется во многих местах, например, для приводов средней и большой мощности. При регулировке вместо большого и громоздкого генератора сигналов можно использовать это маленькое устройство. Этот простой генератор сигналов ШИМ также можно использовать для плавной регулировки яркости освещения или мощности, подаваемой на двигатель постоянного тока.
Могут ли только микроконтроллеры генерировать ШИМ-сигнал? Абсолютно нет, достаточно всего лишь горстки дешевых и легкодоступных компонентов, чтобы собрать приведенную схему, справляющуюся с этой задачей не хуже микроконтроллеров. Областей применения такого генератора множество, от проведения тестов компонентов до регуляторов яркости освещения или мощности вентиляторов.
Что отличает эту схему от популярных ШИМ-контроллеров на базе таймеров 555, так это полное отсутствие влияния частоты. Потенциометр регулирует один параметр сигнала и не влияет на другой. Также нет проблем с достижением как 0% (выключение), так и 100% (полное включение), что может пригодиться во время практических испытаний. Принципиальная схема простой генератор сигналов ШИМ представлена на рисунке.
Важнейшим активным элементом, несомненно, является двойной компаратор LM393. US1A настроен на работу в качестве генератора сигналов прямоугольной формы, но передаваемый сигнал поступает с конденсатора C1 — он имеет квазитреугольную форму. Результирующее сопротивление последовательного включения элементов R5 и P1 отвечает за скорость перезарядки C1. Чем он ниже, тем быстрее это происходит.
Резисторы R1…R3 создают положительную обратную связь, задавая ширину петли гистерезиса и пороги переключения компаратора. В отличие от генераторов на основе цифровых ключей, этот метод позволяет очень точно определить параметры напряжения вырабатываемого треугольного сигнала. Это важно для нормальной работы следующего каскада.
Если бы US1A был идеальным компаратором, можно было бы закончить описание этой схемы. Но невозможно игнорировать тот факт, что LM393 имеют выходы с открытым коллектором, поэтому они не могут «отдавать» ток, а могут только «отбирать» его. Простое решение этой проблемы, хотя и несовершенное, состоит в использовании повторителя на транзисторе Т1, база которого поляризована резистором R4. Для выравнивания динамического сопротивления такого модифицированного вывода используется диод D1, открывающийся при уменьшении потенциала этого вывода. Поэтому T1 «добавляет» ток к C1, а D1 и выходной транзистор US1A «извлекают» его из C1.
Полученный сигнал треугольной формы (точнее, с экспоненциальным наклоном, но это не имеет большого значения) сравнивается компаратором US1B с напряжением, выдаваемым потенциометром P2 на его выводе. С его помощью можно регулировать скважность, которая совершенно не зависит от регулировки частоты. Если мгновенное значение треугольного напряжения превышает значение, установленное потенциометром, на выходе US1B сигнал становится низким, в противном случае — высоким.
Резисторы R8 и R9 вносят небольшой гистерезис, чтобы переключение выхода этого компаратора происходило без колебаний на пороге регулировки. Резисторы R6 и R7 сужают диапазон регулирования напряжения, задающий порог переворота, поскольку сигнал треугольника на конденсаторе C1 не охватывает весь диапазон доступного напряжения питания.
Выход компаратора US1B буферизуется тем же повторителем, что и выход US1A. Резистор R11 установлен в эмиттере транзистора Т2, обеспечивая его нормальную работу. Таким образом, мы имеем выход с низким выходом по току. Он может подойти для управления емкостными нагрузками. Схема собрана на односторонней печатной плате размерами 60Х32 мм. Внешний вид представлен на рисунке.
Правильно собранная схема практически не нуждается в настройке, и начинает работать сразу после подачи питания. Источник питания постоянного напряжения в диапазоне 10…20 В. Нижний предел обусловлен необходимостью обеспечения корректной работы входных каскадов компаратора. Ток потребления при 12 В не превышает 10 мА без нагрузки на выходе. Испытания прототипа схемы показали, измеренный диапазон частот, который можно получить, простирается от 45 Гц до 1,25 кГц. Скважность (или заполнение, кому как удобно) можно плавно менять от 0% до 100%.
Частоту сигнала, генерируемого этой схемой, можно легко изменить, подобрав конденсатор С1. Увеличение его емкости приведет к пропорциональному уменьшению частоты, а уменьшение – к увеличению. Верхняя предельная частота для этой схемы может составлять примерно 50 кГц или немного выше. Такую частоту можно получить при замене конденсатора C1 емкостью примерно 2200 пф.