Pulsweitenmodulation mit dem NE556
Zur
Steuerung von Lampenhelligkeit oder Motordrehzahl kann neben einer
linearen Längsregelung auch eine Pulsweitenmodulation (PWM) zum
Einsatz kommen. Dabei wird im Gegensatz zur Längsregelung nicht
kontinuierlich Leistung im Längsregler „verheizt“,
sondern die Spannung wird durch schnelles Ein- und Ausschalten mit
veränderlicher Ein- und Ausschaltzeit am Verbraucher
verändert. Als Zusatzbauteil wird ein Potentiometer mit 10 kΩ
eingesetzt, um die Stellgröße vorgeben zu können.
Die
erste Schaltungsansatz verwendet nur einen Timer aus dem NE556. Die
grüne LED D3 dient in Verbindung mit dem Vorwiderstand R3 als
Last. C1 wird über R1, D2 und R2 aufgeladen. Nach dem Erreichen
der Schaltschwelle von 2/3 der Batteriespannung wird C1 vom
Discharge-Anschluss über R2 und D1 entladen. Fällt die
Ladespannung von C1 unter 1/3 der Batteriespannung, beginnt ein neuer
Ladevorgang. In Ermangelung an normalen Dioden werden für D1 und
D2 die beiden roten LEDs eingesetzt. Mit einer nicht mehr ganz neuen
Batterie, die nur noch 7,52 Volt bietet, lässt sich der Ausgang im
Bereich von 0,14 Volt bis 6,16 Volt steuern.
Die
LED leuchtet auch schon bei der geringen Ausgangsspannung von 0,14
Volt, da ja die LED die volle Spannung über einen Teil der Zeit
erhält. Der Messwert ist ein Mittelwert über die Zeit. Einen
kleinen Schönheitsfehler hat diese Schaltung. Durch die
Änderung der Ein- und Ausschaltzeiten verändert sich auch
geringfügig die Schaltfrequenz. Dies soll ein einem weiteren
Schaltungsansatz vermieden werden.
Im
zweiten Schaltungsansatz arbeitet der erste Timer als gewöhnlicher
Multivibrator. C1 wird über R1 und R2 geladen. Nach Erreichen der
Schaltschwelle von 2/3 der Batteriespannung wird C1 über R2 und
den Discharge-Anschluss des Timer 1 entladen. Sinkt die Ladespannung
von C1 unter 1/3 der Batteriespannung beginnt ein neuer Ladevorgang.
Der Triggereingang des zweiten Timers ist über den
Pullup-Widerstand R5 auf Batteriespannung gelegt. Mit fallender Flanke
am Ausgang des ersten Timers erhält der Triggereingang des zweiten
Timers über C2 einen kurzzeitigen negativen Impuls. Damit wird der
als Mono-Flop geschaltete Timer 2 aktiviert. Der Ausgang des zweiten
Timers wird auf Plus gelegt sowie der Discharge-Anschluss hochohmig.
Die Kondensatoren C3/C4 werden über R3/R4 geladen. Nach Erreichen
von 2/3 der Batteriespannung wird der Ausgang wieder auf Minus gelegt.
Die Kondensatoren C3/C4 werden über den Discharge-Anschluss des
Timer 2 entladen. Mit dem Potentiometer R4 lässt sich der
Ladestrom und damit die Schaltzeit des Mono-Flop einstellen.
Die
grüne LED dient wieder in Verbindung mit R6 als Last. Inzwischen
habe ich die Batterie ausgetauscht. Mit der neuen Batterie lässt
sich ein Wertebereich von 0,87 Volt bis 7,61 Volt am Ausgang einstellen.
Wer
genau hinsieht bemerkt, dass der Potentiometer bei maximaler Spannung
noch nicht voll aufgedreht ist. Wird die Schaltzeit des Mono-Flop
weiter verlängert, wird diese länger als die Schaltzeit des
Multivibrators. Damit „verschluckt“ das Mono-Flop den
nächsten Startimpuls und reagiert erst auf den
übernächsten Schaltimpuls. Damit kommt es wieder zu einer
verlängerten Ausschaltzeit des Mono-Flop. In einer
Schaltungsoptimierung würden die Bauteilwerte so gewählt,
dass dieser Effekt nicht auftreten kann, worauf ich auf Grund der
begrenzten Bauteilauswahl verzichtet habe.
