ШИМ схема на популярном операционном усилителе

Простейшая ШИМ схема с использованием распространенных операционных усилителей

ШИМ схема — представленный здесь вариант построения электронных регуляторов напоминает ранее описанную схему, но отличается от нее большей простотой. Схема формирует прямоугольные импульсы, коэффициент заполнения которых изменяется между 0 и 100% в соответствии с входным сигналом постоянного напряжения, изменяющимся от 0 до 5 В (Рисунок 1).

Как и в вышеупомянутой ШИМ схеме, частота не постоянна (Рисунок 2), но схема настолько проста, что в определенных приложениях может быть полезна.

Благодаря гистерезису, создаваемому резистором R₂, и RC-цепочке с постоянной времени R₃C₁ компаратор превращается в генератор прямоугольных импульсов (Рисунок 3).

Напряжение V- на инвертирующем входе колеблется между двумя пороговыми уровнями V_TH и V_TL. Если предположить, что R₂ >> R₁, то напряжение V+ всегда будет очень близким к VIN. Цепь R₃C₁ усредняет выходной сигнал V_OUT, a постоянное напряжение на входе V- пропорционально коэффициенту заполнения V_OUT. Замкнутая петля обратной связи стремится сделать напряжение V- равным V+, поэтому коэффициент заполнения импульсов на выходе V_OUT пропорционален V_IN.

Напряжение V_OH определяет как высокий уровень выходного сигнала, так и диапазон полной шкалы управляющего напряжения V_IN. Оно может иметь любое значение, не выходящее из диапазона допустимых синфазных входных напряжений компаратора. Математический анализ ШИМ схемы будет прост, если, учитывая, что разность V_TH — V_TL мала, экспоненциальную характеристику заряда и разряда C₁ аппроксимировать линейной зависимостью. Во время фазы заряда ток приблизительно равен (V_OH-V_IN)/3, поэтому:

Аналогично, во время фазы разряда можно считать, что ток равен V_IN/3, и

Сопоставление двух уравнений дает

и коэффициент заполнения D равен

Можно видеть, что коэффициент заполнения прямо пропорционален V_IN. При V_IN = 0 В он равен 0%, а при V_IN = V_OH равен 100%. Более того, коэффициент заполнения по существу не зависит от номиналов компонентов, при соблюдении ограничения R₂ >> R₁( необходимого для того, чтобы гистерезис оставался небольшим. Обратная зависимость между коэффициентом заполнения и V_OH может быть полезна в некоторых приложениях, поэтому V_OH можно рассматривать как дополнительный вход. Выходная частота соответствует соотношению

достигая своего максимума при V_IN = V_OH/2.

Сравнительные испытания ШИМ схемы с КМОП компаратором TLC393 и биполярным LM393 показали, что с TLC393 схема лучше работает при низких входных напряжениях V,N благодаря более низкому уровню нуля на выходе. Не допускайте перегрузки выхода компаратора; используйте при необходимости буфер, поскольку нагрузка может ухудшать уровни выходных сигналов.