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PRATICAMENTE...
ALLA SCOPERTA
DELLA PWM:
REGOLATORE
DI LUMINOSITA’
di Antonio Cecere
[email protected]
Questo articolo tratta di un semplice regolatore di luminosità basato
sulla tecnica PWM (Pulse Width Modulation) ovvero sulla Modulazione della
Larghezza dell’Impulso. Il circuito è stato concepito per fini didattici, per far
comprendere l’utilizzazione dei dispositivi di potenza (transistor, SCR, TRIAC)
ad allievi che hanno avuto solo esperienze di elettrotecnica e di impianti elettrici.
Nella rapida evoluzione dell’elettronica, gli apparecchi che funzionano “a commutazione” o
con tecnica “switching” stanno
soppiantando quelli basati sulla
tecnica “lineare”. I vantaggi della
tecnica “switching” sono evidenti: risparmio di energia (e questo
non guasta se vogliamo proteggere l’ambiente), circuiti che sviluppano poco calore, hanno
minore ingombro e minor costo.
Sostanzialmente i dispositivi di
potenza utilizzati vengono fatti
funzionare
alternativamente
come interruttori aperti e come
interruttori chiusi. In queste due
condizioni “estreme” i dispositivi
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di potenza dissipano poca energia e perciò riscaldano poco.
Esistono due tipi di modulazione
per pilotare i dispositivi di potenza: PWM e PFM, di cui la prima è
largamente più utilizzata (vedi
Figura 1: Schema di principio
l’approfondimento).
Il circuito che segue regola la
luminosità di una lampada utilizzando la modulazione PWM. La
lampada viene alimentata ad
impulsi, la cui durata viene
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modulata “visualmente” attraverso una serie di dip-switch.
SCHEMA DI PRINCIPIO
Il circuito è basato su un classico
oscillatore ad onda quadra realizzato con ”l’evergreen” NE555.
L’oscillatore presenta in uscita
un’onda quadra a frequenza di
circa 1000 Hz. Questo segnale
viene inviato all’entrata di un
contatore digitale a 10 uscite del
tipo CD4017. Una sola delle
dieci uscite del contatore presenta il livello logico 1 (mentre le
altre restano a livello 0). Ad ogni
impulso che arriva in ingresso al
contatore, il livello logico 1 si
sposta via via dall’uscita denominata “0” a quella denominata
“9”, per poi ritornare a quella
“0” e ripetere il ciclo all’infinito.
Con frequenza di ingresso di
1000 Hz, ogni singola uscita del
contatore si porta a livello 1 per
100 volte al secondo e quindi
possiamo prelevarci un segnale a
frequenza di 100 Hz.
Tutte le uscite vengono fatte
confluire al dispositivo di potenza (un transistor BJT) attraverso
un circuito OR “cablato” con
semplici diodi. In questo caso
poiché c’è sempre una uscita a
livello 1, il dispositivo di potenza
avrà sempre in ingresso un
segnale di comando che lo renderà equivalente ad un interruttore chiuso. Se però una o più
uscite del contatore non vengono inviate al circuito OR, escludendole con dei dip-switch,
nella sequenza temporale di
comando ci saranno dei “vuoti”
che renderanno il dispositivo di
potenza equivalente ad un inter-
ruttore aperto.
Se ad esempio colleghiamo le
prime 5 uscite del CD4017ed
escludiamo le ultime 5, avremo
che il transistor di potenza sarà
pilotato da un’onda quadra della
frequenza di 100 Hz che per
metà periodo sarà a livello 1 e
per metà periodo a livello 0.
Variando il numero delle uscite
del contatore collegate in ingresso al circuito OR possiamo ottenere una “modulazione della larghezza dell’impulso” su 10
diversi valori. Ogni uscita del
contatore contribuirà alla conduzione del dispositivo di potenza
per un decimo del periodo.
SCHEMA DEL CIRCUITO
Il circuito riportato nella fig. 2 è
alimentato a 12 V, essendo questa tensione adatta ai due circuiti
Figura 2: Schema elettrico del circuito PWM
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CHE COS’È IL DUTY-CYCLE?
In un’onda quadra che assume alternativamente il livello alto per un tempo ton ed un livello basso per
un tempo toff, si definisce duty-cycle δ il rapporto tra ton e ed il periodo dell’onda T = ton + toff
δ = ton / T = ton/(ton + toff)
Se Vi è la tensione in ingresso ad un modulatore PWM, avremo in uscita una tensione media Vm che
dipende dal duty-cycle secondo la relazione:
Vm = Vi * δ
Nel nostro circuito variando il numero di dip-switch su ON si varia il duty-cycle da 0 a 1.
Figura 7: Onda quadra con i tempi che determinano il duty-cycle
Elenco componenti
Sigla
Valore
R1, R2,
R3
10 KΩ 1/4 W
R4
150 Ω 1/2 W
D1÷D10 1N4148
D11
Figura 3: Circuito stampato scala 1:1 (lato rame)
C1
C2
Figura 4: Piano di montaggio
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1N4007
100 µF 25 V
elettrolitico
47 nF 100 V
ceramico
IC1
NE555
IC2
CD4017
T1
BC337
T2
TIP41
SW1
Dip-switch a 10
posizioni
L
Lampada 5W 12V
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integrati.
La frequenza dell’onda quadra in
uscita dal piedino 3 dell’NE555 è
determinata dai valori di R1, R2 e
C2 (f = 1,44 / (R1+ 2 * R2)*C2.
La logica OR a 10 ingressi viene
realizzata con i diodi da D1 a
D10. Ogni ingresso della logica
OR è escludibile con il dip-switch
che segue ognuno dei diodi.
L’uscita della logica OR non
viene inviata direttamente al BJT
di potenzaT2 (un TIP41), ma
attraverso un transistor di pilotaggio T1 (“driver”), un BC337
montato a collettore comune,
cioè con prelievo del segnale di
uscita sull’emettitore.
Il segnale di uscita del driver in
questo caso è amplificato in
corrente e non in tensione, ed
inoltre non opera modifiche del
livello logico. Il segnale rinforzato in corrente può pilotare
ora il transistor di potenza in
modo da portarlo ad una sicura
“saturazione”.
Il transistor di potenza T2 ha
come carico sul suo collettore
una lampada a 12 Volt, che può
essere una semplice lampada per
presepi da 5W oppure una lampada a siluro per auto. Come
carico si può anche utilizzare un
motore in c.c. di cui si intende
variare la velocità. Per proteggere il transistor T2 dalle extratensioni prodotte dall’induttanza
del motore è stato previsto il
diodo D11 montato in “antiparallelo” cioè con catodo sul positivo di alimentazione.
Con tutti i dip-switch in posizione OFF la lampada apparirà
spenta. Portiamo su ON il dipswitch n. 1 e poi sequenzialmente tutti gli altri. Più sono i dip-
Figura 5: Foto del circuito
switch in posizione ON e più alta
sarà il livello di luminosità della
lampada. Chiaramente con tutti i
dip-switch in posizione ON la
lampada avrà la massima luminosità, uguale a quella che
avremmo collegandola direttamente all’alimentazione.
Con il circuito proposto si possono ottenere solo 10 livelli di luminosità. Si potrebbe modificare il
circuito per avere una risoluzione
di 100 o di 1000 livelli, ma ne
verrebbero penalizzate la semplicità circuitale e l’immediatezza
della comprensione.
REALIZZAZIONE E PROVE
VARIE
Il circuito è semplice ed è di facile
realizzazione anche per chi ha un
minimo di esperienza. La figura 5
mostra una foto del circuito realizzato. Non ci sono regolazioni
da fare; in caso di malfunzionamento è sufficiente controllare la
disposizione dei componenti, le
piste e le saldature.
Per la comprensione del funzionamento ci si può aiutare con un
oscilloscopio a due canali e con
Figura 6: Corrispondenza tra posizione dei
dip-switch e forma d’onda
un voltmetro.
1a prova: visualizzare su un
canale dell’oscilloscopio il segnale presente sulla base di T1
(BC337) e confrontarlo con quello sull’emettitore. Si potrà osservare che i due segnali sono
molto simili e questo conferma la
proprietà del montaggio a collettore comune.
2a prova: osservare le variazioni
del segnale di comando del
transistor di potenza (da prelevare dall’emettitore di T1) mentre
si portano su posizione ON i dipswitch sequenzialmente dal
numero 1 al numero 10.
Vedremo un’onda quadra in cui
la durata del livello alto aumenta
a scapito di quella del livello
basso. L’onda quadra visualizzata
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dall’oscilloscopio “corrisponde”
visualmente alla posizione dei
dip-switch (vedi fig. 6)
3a prova: visualizzare la forma
d’onda della tensione ai capi
della lampada (massa del puntale sul collettore di T2 e sonda sul
positivo di alimentazione) e
osservare la variazione della
luminosità man mano che
aumenta la durata del livello
alto.
4a prova: mettere tutti i dipswitch su ON e misurare con un
voltmetro la tensione Vce tra
emettitore e collettore di T2. La
tensione Vce risulta inferiore a
0,5 Volt ed il transistor si dice
“saturato”; il “complemento” a
12 Volt lo si può misurare ai capi
della lampada. La tensione Vce
non raggiunge mai il valore
zero, come ci si aspetterebbe da
un interruttore chiuso ideale.
5a prova: mettere tutti dipswitch su OFF e verificare su T2
che Vce è uguale a 12 V. Infatti
non essendo presente alcun
comando in base, T2 si comporta come un interruttore
aperto. Il carico non sarà attraversato da nessuna corrente e la
tensione che si misura ai suoi
capi sarà di zero volt. Pertanto
la tensione Vce “complementare” sarà di 12 V.
PWM E PFM
Nella modulazione PWM (Pulse Width Modulation) il periodo e la
frequenza restano costanti, mentre varia il tempo ton a scapito di toff.
Nella modulazione PFM (Pulse Frequency Modulation) il tempo ton
resta costante, mentre variano periodo e frequenza.
DOMANDE
1) Qual è la potenza massima
del carico?
Con il transistor in elenco si consiglia di non superare i 20 W, ma
è possibile utilizzare transistor
adatti a correnti maggiori (ad
esempio il TIP35).
Per i carichi fino a 20 W, il transistor di potenza non ha bisogno
di aletta di raffreddamento.
2) Cosa succede se la frequenza in uscita dall’NE555 non è di
1000 Hz?
Non c’è nessun problema se la
frequenza si discosta anche grossolanamente da questo valore.
Se però la frequenza scende al di
sotto di 300 Hz, la lampada
comincia
a
lampeggiare.
Avremmo realizzato un lampeggiatore, ma non è questo lo
scopo del circuito!
Nella regolazione PWM, il periodo degli impulsi (inverso della
frequenza) deve essere inferiore
all’inerzia del carico; nel caso
della nostra lampada l’inerzia è
dovuta alle caratteristiche del filamento.
3) Cosa succede se i dip-switch
non vengono portati su ON
uno dopo l’altro in ordine crescente?
La forma d’onda in uscita dal circuito OR diventa irregolare e non
è possibile definirne la frequenza.
La luminosità risulta comunque
proporzionale al numero dei dipswitch su ON.
Figura 8: Nella modulazione PWM è costante il periodo,
nella modulazione PFM è costante il tempo ton
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4) Perché un transistor che
lavora in commutazione dissipa
meno energia di un transistor
che lavora in zona lineare?
Ai più bravi l’ardua risposta.
