顧 達(dá) 張家港中等專業(yè)學(xué)校

一款基于集成運(yùn)放LM324的脈寬調(diào)制電路

顧 達(dá) 張家港中等專業(yè)學(xué)校

脈寬寬度調(diào)制式(PWM)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過(guò)電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓。

脈寬；PWM；取樣；反饋

引言

脈寬調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，脈寬寬度調(diào)制式(PWM)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過(guò)電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓。如圖1所示為一款以集成運(yùn)放LM324為核心元件的比較常用且通俗易懂的脈寬調(diào)制電路,筆者從電路系統(tǒng)構(gòu)成、各模塊原理來(lái)全面剖析該電路。

1.系統(tǒng)工作原理

如圖2所示為脈寬調(diào)制電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，由方波——三角波發(fā)生電路，PWM脈寬發(fā)生電路，驅(qū)動(dòng)電路，取樣給定電路和直流穩(wěn)壓電源電路五大模塊構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理和具體各個(gè)模塊之間的關(guān)系如下：

直流穩(wěn)壓電源為各模塊提供±12V直流電壓；“方波—三角波發(fā)生電路”輸出三角波，送到“PWM脈寬發(fā)生電路”中的電壓比較器的反相輸入端即IC1-6腳，電壓比較器的同相輸入端的信號(hào)由“取樣給定電路”提供可微調(diào)的直流電壓信號(hào)。給定信號(hào)與三角波的比較結(jié)果決定了輸出電壓，不同的給定電壓信號(hào)產(chǎn)生不同占空比的矩形波，也將獲得不同平均直流電壓，再經(jīng)基本放大電路使發(fā)光二極管流過(guò)的電流不同，發(fā)出的亮光也不同，這就是用PWM脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)直流電壓無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的基本工作原理。

2.模塊分析

2.1 取樣給定電路

該模塊由R1、R2、RW1、IC1A構(gòu)成。電位器RW1和電阻R1組成取樣給定環(huán)節(jié)。測(cè)試點(diǎn)A的電位由電位器決定：電位器調(diào)到最高端電壓為 —12V；電位器調(diào)到最低端電壓為-6.2V。因而取樣給定的電壓范圍為-6.2V≥VA≥—12V。

運(yùn)放IC1A，反相輸入端與輸出端短接是同相輸入比例運(yùn)算電路特例電壓跟隨器，電壓跟隨器在此時(shí)起到隔離、驅(qū)動(dòng)的作用，為PWM脈寬發(fā)生器提供給定電壓。VB隨VA變化而變化，并且相位和數(shù)值一樣。

2.2 方波—三角波發(fā)生電路

由R5-R11、VZ1、VZ2、VZ3、C8、IC1C、IC1D構(gòu)成。由R5-R9、VZ1、VZ2、VZ3、IC1D構(gòu)成一滯回比較器，輸出電壓VE經(jīng)R8反饋到同相輸入端，構(gòu)成正反饋工作狀態(tài)。反相輸入端由于—12V經(jīng)VZ1（5.1V的穩(wěn)壓管）經(jīng)R5到地，提供-6.9V基準(zhǔn)電壓。同相輸入端的另一輸入信號(hào)為IC1C輸出電壓VD經(jīng)R7加入。R9為限流電阻，主要防止當(dāng)IC1D輸入—Vom(-12V)時(shí)，灌電流過(guò)大，并保證流經(jīng)VZ2、VZ3的穩(wěn)壓管工作電流使穩(wěn)壓管能正常工作而設(shè)。根據(jù)VZ2、VZ3穩(wěn)壓值為5.1V，并為硅穩(wěn)壓管，正向工作電壓為0.7V，則運(yùn)放輸出為±5.8V。（VZ2、VZ3總是一個(gè)工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，一個(gè)工作在正向?qū)顟B(tài)）此電路構(gòu)成方波發(fā)生器。

由R10、R11、C8、IC1C構(gòu)成起延遲作用的積分電路。輸出電壓VD等于電容兩端的電壓，輸入信號(hào)為VE提供的±5.8V的矩形波脈沖電壓，經(jīng)R10對(duì)C8進(jìn)行充放電。此電路構(gòu)成三角波發(fā)生器。

此電路為同相輸入滯回比較器（IC1D）和延時(shí)作用的積分電路（IC1C），其中IC1C的輸出VD反送到IC1D作為輸入信號(hào)，同時(shí)作為PWM脈寬發(fā)生器中運(yùn)放IC1B的反相輸入信號(hào)。

由于運(yùn)放IC1D的電路中，U-=-6.9V，因此滯回比較器的閥值電壓UT可由U+過(guò)-6.9V的條件推出，由電路可知IC1D的U+=VE-（-VE-VD）÷（R8+R7）×R8。當(dāng)U+=-6.9V時(shí)，即可計(jì)算出輸入信號(hào)VD使輸出VE翻轉(zhuǎn)時(shí)的閥值電壓，而VE=±UZ=±5.8V，R7=2.4K，R8=10K,當(dāng)VE=-UZ=-5.8V時(shí)，UT+==7.164V,當(dāng)VE=+UZ=+5.8V時(shí)，UT-=-9.948V,VD與VE的波形如圖3所示。因延時(shí)積分電路的充放電電阻均為R10（36K），電容也均為C8（0.01uF）。故充放電時(shí)間常數(shù)是相同的，TL正程掃描時(shí)間和TH回程掃描時(shí)間是相等的。振蕩周期的計(jì)算，在運(yùn)放IC1C組成的積分運(yùn)算電路中，由積分運(yùn)算關(guān)系計(jì)算可得TL=TH=o.17ms，周期T=TL+TH=0.34ms，F(xiàn)=1/T=3KHz，在E點(diǎn)利用示波器可測(cè)出±5.8V的方波，所產(chǎn)生的方波-三角波波形如圖3所示，在D點(diǎn)可測(cè)得三角波。方波、三角波頻率理論上都在3KHz左右。

2.3 PWM脈寬發(fā)生電路

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該模塊由R3、R4、IC1B構(gòu)成。運(yùn)放IC1B組成單值電壓比較器，加入在反相輸入的信號(hào)三角波與同相輸入端給定的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)三角波信號(hào)UD大于UB時(shí)，IC1B輸出C點(diǎn)電位VC=-12V。當(dāng)三角波小于UB時(shí)，IC1B輸出C點(diǎn)電位VC=+12V。這樣隨著給定電壓的不同，輸出Vc脈寬不同。給定電壓的變化范圍在 —6.2V到 —12V間。

2.4 驅(qū)動(dòng)部分

驅(qū)動(dòng)部分由R12、R13、VD1、VD2、VT1構(gòu)成。三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，當(dāng)+12V時(shí)，VT1飽和導(dǎo)通，VD2發(fā)光管導(dǎo)通發(fā)光，當(dāng)-12V時(shí)，VT1截止，VD2截止無(wú)光。VD2發(fā)光的亮度直接與PWM調(diào)制波占空比有關(guān)，當(dāng)占空比大時(shí)，VD2亮度高，當(dāng)占空比小時(shí)，VD2亮度低或熄滅。

[1]張金華.電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能.高等教育出版社.2014.

[2]鈴木雅臣.晶體管電路設(shè)計(jì).科學(xué)出版社.2012.