Regolatore pwm
Vediamo in questo articolo, come costruire un regolatore pwm, ovvero un circuito elettronico che ci permetta di regolare l'intensità luminosità di una lampada, o la velocità di rotazione di un motore, semplicemente agendo su un potenziometro.
Il circuito è funzionante a bassa tensione, e di conseguenza potrà regolare carichi funzionanti a bassa tensione, esempio lampade, strisce led, motori come ventole, funzionanti a 12V.
Il circuito basa il suo funzionamento sulla tecnica del pwm, che come abbiamo spiegato nell’articolo Pwm, consiste nell’alimentare il carico tramite impulsi con frequenza sufficientemente alta, e regolando opportunamente la larghezza dell'impulso, è possibile ottenere come effetto una regolazione del carico alimentato in pwm.
Il cuore del circuito, è il l’integrato ne555, di cui abbiamo già spiegato il suo funzionamento nell’articolo ne555, e pure già utilizzato nel circuito lampeggiatore strobo, che vi consiglio di andare a leggere per capire meglio, il funzionamento dell’intero circuito.
Nel lampeggiatore strobo, il ne555 si occupava di generare gli impulsi, e anche qua ha lo stesso compito, se confrontiamo i due circuiti, possiamo notare che la parte di circuito relativa al ne555 e suoi componenti di contorno, è abbastanza simile, ritroviamo sempre la resistenza R1, i condensatori C1, C2, il potenziometro per la regolazione, infatti anche in questo circuito, gli impulsi vengono generati grazie sempre al condensatore C1 che si carica e si scarica, facendo quindi passare ciclicamente l’uscita del 555 dalla condizione di on, alla condizione di off.
Nel lampeggiatore strobo, il condensatore C1, veniva caricato grazie alla serie R1,R2,R3, e scaricato tramite il pin 7 dalla serie R2, R3.
Il grosso della regolazione era comunque affidato alla serie R2,R3, quindi alla fine i tempi di carica e scarica del condensatore erano quasi uguali, cioè C1 si caricava quasi nello stesso tempo in cui si scaricava, e questo permetteva di ottenere sul pin 3 di uscita del 555, degli impulsi in cui era possibile variare la frequenza, ma il tempo di on era sempre uguale al tempo di off.
Nel nostro circuito di regolatore pwm, invece sono stati inseriti 2 diodi, che oramai dovremmo sapere che permettono il passaggio di corrente solo in un verso, se volete andatevi a leggere il relativo articolo, collegati opportunamente in modo che D1, sia interessato durante processo di carica, e D2 sia invece interessato durante il processo di scarica.
L'immagine sopra, mostra ciò che succede, nella foto di sinistra (Carica) si può vedere che quando l’uscita del ne555 è nella condizione di off, e quindi il pin 7 internamente risulta scollegato, il condensatore C1, si può caricare tramite la resistenza R1, il diodo D1, e una parte del potenziometro R2, la tensione positiva infatti può circolare solo tramite il diodo D1, perché D2 risulta in questo caso polarizzato inversamente, e quindi non può condurre.
Nella foto a destra (scarica) si può invece vedere che quando l’uscita del 555 si attiva, e quindi il pin7 viene internamente collegato a massa, il condensatore inizierà a scaricarsi, ma questa volta la tensione negativa proveniente dal pin 7 potrà circolare solo tramite il diodo D2, quindi il condensatore si scaricherà tramite il diodo D2 e l’altra parte del potenziometro R2.
In questa situazione, con il potenziometro a metà corsa o 50%, succedere che il condensatore C1, viene caricato utilizzando la resistenza di metà potenziometro, e scaricato utilizzando l’altra metà, con la conseguenza che il tempo di carica del condensatore, è circa uguale al tempo di scarica.
Ma se ad esempio impostiamo il potenziometro al 20%, succederà che il condensatore C1 in fase di carica utilizzerà il 20% del potenziometro R2, ma in fase di scarica utilizzerà l’altra parte ovvero l’80% del potenziometro R2.
Il risultato è che il condensatore impiegherà meno tempo a caricarsi, e più tempo per scaricarsi.
Sopra ho cercato di riprodurre l’animazione di ciò che avviene nella realtà, e ho anche disegnato l’impulso che si ottiene sul pin 3 di uscita del ne555.
Succede quindi che l’intero ciclo di carica e scarica dura sempre lo stesso tempo, ma all’interno di questo tempo, regolando il potenziometro, possiamo decidere per quanto tempo l'impulso rimane alto, e di conseguenza quanto rimane basso.
Se ad esempio l’intero ciclo di carica e scarica dura 10mS, regolando il potenziometro al 10%, otteniamo un impulso alto per 1mS, e basso per i rimanenti 9ms, se invece regoliamo il potenziometro al 80%, otteniamo un impulso alto per 8mS e di conseguenza basso per i rimanerti 2mS.
Dallo schema possiamo vedere che gli impulsi così ottenuti sull’uscita pin 3 del ne555, vengono per mezzo della resistenza R3, inviati sulla base del transistor Q1.
In questo modo quando l'impulsalo è alto, il transistor si attiva, quando l'impulso è basso il transistor sarà interdetto, questo significa che l’eventuale carico collegato sulla morsettiera J2, sarà alimentato solo per il tempo in cui impulso è alto.
Per fare ancora un esempio, supponiamo che il circuito generi impulsi con una frequenza di 100Hz, ovvero 100 impulsi al secondo, supponiamo poi di collegare sulla morsettiera di uscita J2 una lampada, e di regolare il potenziometro al 20% della sua corsa.
100 impulsi al secondo, significa che un impulso è lungo 1 centesimo di secondo, ovvero 10 millisecondi, e il potenziometro impostato al 20% significa che in quei 10 millisecondi, l'impulso sarà alto per 2 millisecondi e basso per i rimanenti 8, con il risultato che la lampada rimarrà accesa per 2 millisecondi e spenta per 8 millisecondi.
Il risultato sarà una lampada con una luminosità ridotta, una luminosità che sarà proprio il 20% di quella totale.
Inutile dire che impostando il potenziometro al 100%, l'impulso sarà sempre alto, quindi lampada sempre accesa alla sua massima luminosità, impostando al 80% la lampada sarà accesa per 8 millisecondi, e spenta per i rimanerti 2, quindi lampada con una luminosità del 80%.
Stessa cosa possiamo dire per un motore, esempio possiamo regolare la velocità di una ventola, proprio come avviene per il raffreddamento dei processori nei nostri pc.
Come transistor ho utilizzato un bdx53, che permette tranquillamente di regolare carichi anche di diversi ampere, il diodo D3, collegato in antiparallelo all’uscita serve per proteggere il circuito da eventuali ritorni di tensione, sopratutto nel caso il nostro circuito sia utilizzato per regolare la velocità di motori.
Come di consueto, vi lascio l'eventuale disegno pcb già pronto per essere stampato
Infine la lista componenti e lo schema di montaggio
R1,R3=1k
R2=Pot. 50K
D1,D2=1N4148
D3=1N4007
C1=10uF elettr. 16V
C2=100nF
IC1=Ne555
Q1=Bdx53
J1,J2= Morsettiera 2 poli
Il transitor Q1, è montato sdraiato sul pcb, i supi pin quindi dovranno essere piegati a 90 gradi, è previsto un foro per il fissaggio dello stesso tramite una vite e un dado.
Per carichi che assorbono più di 1A, consiglio di dotare il transitor Q1 di apposita aletta per package TO220.