Premessa:

Attraverso questo circuito è possibile controllare la velocità delle ventole o di qualsiasi altro dispositivo; per es. regolare la luminosità dei led o dipiccole lampadine da 12 V.

ventole in pwm

Descrizione del circuito:

Qui sotto è riportato lo schema generale del circuito; per comprendere al meglio il funzionamento del circuito ho deciso di dividere in parti lo schema. Infatti, esso è costituito da tre blocchi principali :

– Un generatore di onde triangolari con amplificatore operazionale;
– Un amplificatore invertente;
– Un comparatore che pilota un transistor di media potenza.

Schema :

Lista componenti:

Resistori
R1 : 10 K ¼ watt;
R2 : 10 K ¼ watt;
R3 : 22 K ¼ watt;
R4 : 47 K ¼ watt;
R5 : 10 K ¼ watt;
R6 : 10 K ¼ watt;
R7 : 22 K ¼ watt;
R8 : 1 K ¼ watt;
R9 : 1 K ¼ watt;
R10 : 1 K ¼ watt;
R11 : 10 K potenziometro;

Condensatori
C1: 100 nF poliestere;

Integrati
IC1: LM324N;

Diodi
D1: 1n4148 o simili;
LED1: diodo led da 5 mm;

Transistor
T1: 2N2222 o simili;

Per alimentare il circuito occorre una tensione stabilizzata di 12 V.

Generatore di onde triangolari

Il generatore di onde triangolari (Triangle Wave generator) è costituito da un integratore alimentato da un trigger di Schmitt non invertente. Ricordiamo che la tensione di uscita dell’ integratore è una rampa lineare, se la tensione di ingresso è costante.

Supponiamo che la tensione V’o del comparatore, che è anche l’ ingresso dell’ integratore, sia a livello positivo: la tensione di uscita Vo assume l’andamento lineare, cioè una rampa decrescente; conseguentemente diminuisce anche la V di ingresso e, nell’ istante in cui assume il valore zero, avviene la commutazione del trigger a livello basso.

L’integratore risponde alla nuova sollecitazione con una rampa a pendenza positiva. La V d’ingresso tende a valori positivi unitamente alla Vo, ma, raggiunto lo zero, avviene una nuova commutazione del comparatore e il ciclo si ripete identicamente a se stesso.

Determiniamo il periodo del segnale di uscita. Applicando il principio della sovrapposizione degli effetti calcoliamo la tensione all’ingresso non invertente del comparatore:  V= (V’o*R1)/(R1+Rf)

Il periodo T è :     T = 4RC(R1/Rf)

La frequenza dell’onda triangolare è inversamente proporzionale alla costante di tempo RC dell’integratore e direttamente proporzionale al rapporto Rf/R1.

f =    1/T = Rf/4RR1C

Amplificatore operazionale in configurazione invertente

 

Nella configurazione invertente il segnale d’ ingresso è applicato al morsetto invertente ( – ), mentre il morsetto non invertente ( + ) è collegato a massa; la resistenza RF effettua una reazione parallela di tensione. Determiniamo il guadagno G = Vo/Vin dell’amplificatore reazionato nell’ ipotesi che l’ amplificatore sia ideale.

Essendo Ri = ∞, l’ ingresso invertente non assorbe corrente, quindi Ii = If.
Il guadagno dell’ amplificatore reazionato G è inferiore al guadagno ad anello aperto Ad e perciò l’uscita Vo assume un valore finito.

La tensione Vo è:        Vo = -Rf x If = – Rf x Ii = – Rf ( Vi/R1 )

Da cui si ricava il guadagno G dell’ amplificatore invertente:

G = Vo/Vi = Rf/R1

Comparatore e finale di potenza

Il comparatore è un amplificatore operazionale dedicato che genera in uscita una tensione alta o bassa a seconda del livello del segnale d’ingresso rispetto a una tensione di riferimento.

Per regolare la velocità della ventola basta agire sul potenziometro da 10Kohm, in questo modo varia il PWM in uscita del comparatore.
Questo accade perché, attraverso il potenziometro si modifica la soglia di tensione presente sul piedino invertente del comparatore, in questo modo il segnale triangolare presente sul piedino non invertente viene squadrato, ed in uscita ci sarà un onda quadra.

Nella figura qui sotto, viene illustrato il funzionamento del comparatore.
Si può intuire che, aumentando il Voltage Level (agendo sul potenziometro) gli impulsi in uscita dal comparatore saranno più stretti, viceversa diminuendo il Voltage Level gli impulsi saranno più larghi. In poche parole stiamo variando il PWM, che comporta la variazione di velocità della ventola.

Come si può intuire, con un duty cycle pari a zero la potenza trasferita è nulla, mentre al 100% la potenza corrisponde al valore massimo trasferito. Ogni valore intermedio determina una corrispondente fornitura di potenza.

Il vantaggio di questa tecnica è di ridurre drasticamente la potenza dissipata dal circuito limitatore rispetto all’impiego di transistor controllati analogicamente. In un semiconduttore la potenza dissipata è determinata dalla corrente che lo attraversa per la differenza di potenziale presente ai suoi capi. In un circuito PWM il transistor in un istante conduce completamente, riducendo al minimo la caduta ai suoi capi, oppure non conduce, annullando la corrente, ed in entrambi i casi la potenza dissipata è minima.

a cura di: Conicella Valerio