Высокоточный генератор ШИМ с кнопочным контролем

Read Time:4 Minute, 49 Second

Если ввести в поисковик запрос «схема генератора ШИМ», то подавляющее большинство схем будут основано на микросхеме-таймере NE555, ведь генерирование прямоугольных импульсов является основной задачей этой микросхемы. Стоит напомнить, что аббревиатура «ШИМ» расшифровывается как «широтно-импульсная модуляция». Суть её заключается в том, что сигнал представляет собой непрерывную последовательность прямоугольных импульсов, специальные схемы ШИМ-генераторов позволяют регулировать скважность и частоту такого сигнала. Скважность показывает как долго длятся импульсы, относительно «пробелов» между ними, то есть времени нахождения логической единицы на выходе ко времени длительности логического нуля. Чаще всего ШИМ-сигналы используются для регулирования мощности приборов, питаемым постоянным напряжением. Повсеместное использование ШИМ-регуляторов обусловлено одним их важным преимуществом — напряжение на выходе либо присутствует (коммутирующий элемент, например, транзистор, полностью открыт), либо полностью отсутствует (коммутирующий элемент закрыт и не пропускает ток). Всё это происходит со скоростью около 30-50 тысяч раз в секунду. Таким образом, ШИМ-регуляторы, в отличие от линейных, имеют максимальный КПД, не нагреваются, соответственно, не требуют больших радиаторов охлаждения.

Как было сказано ранее, очень распространены аналоговые схемы ШИМ-генераторов, в частности на основе NE555. Они просты, неприхотливы, могут работать с большим диапазоном напряжений, но имеют недостаток, который в некоторых случаях может быть недопустим — параметры ШИМ-сигнала (частоту, скважность), во-первых, нельзя установить с большой точностью, а во-вторых, эти параметры могут «уплывать» при изменении температуры, влажности и т.д. Для того, чтобы построить высокоточный генератор ШИМ-сигналов не обойтись без микроконтроллера, тактируемого от точного кварца. В этом случае можно будет настраивать скважность с точностью до 1%, а также выбирать частоту из заранее заданных вариантов. Предусмотрен выбор частот между 10/20/40/80/1,25/2,5/5 кГц, этих вариантов хватит для любого применения ШИМ-генератора. Схема представлена ниже.

Сердцем схемы является микроконтроллер Attiny25, здесь также без изменения схемы можно применить микроконтроллеры Attiny25, Attiny85, прошивка,прилагаемая в конце статьи, подойдёт к любому из них. Прошивка написана на языке Ассемблер. Разъём CON1 на схеме предназначен для подачи питания, оно может лежать в пределах от 2,7 до 5,5В, таким образом, схему можно питать даже от батареек или литий-ионного аккумулятора. Полевой транзистор T1 на схеме нужен для защиты микроконтроллера от переполюсовки в случае подачи питания неправильной полярности. Если при питании схемы перепутать плюс с минусом — микроконтроллер моментально сгорит. Этот транзистор не является обязательным элементом, если защита не нужна, то его можно исключить из схемы, замкнув напрямую сток с истоком. Конденсаторы С1 и С2 нужны для фильтрации помех по питанию, С1 — электролитический, С2 — плёночный либо керамический, напряжение должно быть не меньше напряжения питания схемы, номинал ёмкости не критичен. Элемент с обозначением Х1 на схеме — кварцевый резонатор, необходим для правильной работы микроконтроллера. Здесь можно использовать любой кварц на частоту 8 МГц. Конденсаторы С3 и С4 нужны для правильной работы кварца, для подачи тактового сигнала на микроконтроллер. Их ёмкость может лежать в пределах 20-30 пФ.

Кнопки S1 и S2 — единственные органы управления схемы, с их помощью регулируется скважность и частота ШИМ-сигнала. Подключаются кнопки к 5 и 7 выводам микроконтроллера соответственно, как указано на схеме. Однократное нажатие S1 приведёт к единичному уменьшению скважности на 1%, однократное нажатие S2 — к увеличению на 1%. Если нажать и удерживать S1 (S2), то скважность будет непрерывно уменьшаться (увеличиваться) со скорость 4% в секунду. Крайние значения 0% и 100%. Одновременное нажатие кнопок S1 и S2 приведёт к изменению частоты, меняется она по кругу, между значениями 10/20/40/80/1,25/2,5/5 кГц. Точно также как и со скважностью, одновременное нажатие и удержание кнопок приведёт к непрерывному изменению частоты по кругу, пока пользователь не отпустит кнопки. Для контроля сигнала на выходе и настройки схемы удобнее всего использовать осциллограф.

Готовый ШИМ-сигнал снимается с выхода CON2. Амплитуда сигнала на выходе будет зависеть от напряжения питания. Обратите внимание, что вывод микроконтроллера не может отдавать в нагрузку большой ток, а потому, к выходу CON2 можно подключать только маломощные логические устройства. Если необходимо коммутировать мощную нагрузку, к выходу можно подключить полевой транзистор, например, IRF740, IRF3205. Затвор подключается к выходу через резистор 10-20 Ом, исток подключается к земле схемы, а сток — к коммутируемой нагрузке.

Схема собирается на печатной плате, файл прилагается в архиве в конце статьи. Плату можно изготовить методом ЛУТ, процесс при этом стандартный: рисунок распечатывается на лазерном принтере на термотрансферной бумаге, затем переносится на заранее подготовленную поверхность текстолита. После этого лишняя медь стравливается, сверлятся отверстия под компоненты, дорожки залуживаются. После этого плата готова к запаиванию компонентов.

Рекомендуется установить микроконтроллер в панельку с цанговыми зажимами — это позволит в дальнейшем снять с платы микроконтроллер для дальнейшей перепрошивки, если это будет необходимо.

Внешний вид готовой собранной платы:

На фото видны две тактовые кнопки, впаянные прямо в плату, но также можно вывести кнопки и на проводах. Также можно увидеть два штырьковых разъёма — для подачи питания и снятия ШИМ-сигнала. Помимо них также присутствует разъём ISP для прошивки микроконтроллера. Если микроконтроллер прошивается заранее, до установки на плату, выводить этот разъём не обязательно. Не сколько слов о прошивке микроконтроллера. Фьюзы необходимо установить на работу внешнего кварцевого резонатора 8 МГц, внутренний делитель на 8 отключен. Больше никаких требований к фьюзам нет. Для удобства установки фьюзов при прошивке рекомендуется воспользоваться онлайн-калькуляторами установки фьюзов. Прошивается Attiny25(45, 85), например, с помощью доступного и недорого программатора USB ISP, который стоит на Али в районе 100-150 рублей. Программу для прошивки можно использовать, например, ArvDude, она имеет простой и понятный интерфейс.

Готовый генератор ШИМ-сигналов можно как оставить в виде платы, так и укомплектовать в корпус, в зависимости от необходимых целей использования. Важным преимуществом такой цифровой схемы генератора является её управление с помощью кнопок. На основе этой схемы можно сделать, например, регулятор мощности, где мощность будет устанавливаться не «на глаз» поворотом потенциометра, как в аналоговых схемах», а в процентах, путём нажатия или удержания кнопок. Для примера и сравнения ниже приведена аналоговая схема ШИМ-генератор на базе микросхемы NE555. Удачной сборки!