Premessa

Ho deciso di scrivere questo piccolo articolo nel tentativo di venire incontro a quegli utenti che spesso richiedono una regolazione di potenza variabile, ottenibile con una modulazione PWM, a partire da un circuito molto semplice senza l'uso di un microcontrollore, mentre in altre occasioni viene richiesto un oscillatore a frequenza fissa ma con un duty cycle di un tempo prestabilito destinato ad essere < 50%.

Le soluzioni spesso e volentieri richiedono o si appoggiano sempre al 555, quindi per la modulazione PWM a duty cycle variabile il circuito ad illustrare è il seguente:

555 & PWM

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Il circuito è basicamente un oscillatore astabile, dove il funzionamento, come tutti gli oscillatori ad onda quadra, si basa sulla carica e scarica di un condensatore ed una comparazione di tensione che tipicamente forma la rete di retroazione per il cambio di stato o valore della tensione di output.

Diversamente dalla classica configurazione astabile del 555, in questo caso i tempi di carica e scarica del condensatore sono determinati dalla regolazione del potenziometro PT e dalla presenza di D1 e D2. Possiamo quindi considerare PT come due resistenze separate variabili così:

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Mentre a seguire si mostra una piccola grafica di esempio del percorso di carica e scarica del condensatore

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Detto ciò il condensatore si carica grazie a D2 e attraverso R_y quando l'output dello stesso 555 è a stato logico alto, mentre si scarica sempre attraverso quest'ultimo grazie a D1 attraverso R_x. R₁ è sempre presente in tutte e due le operazioni, quindi considerando il tempo di scarica come T_OFF ed il tempo di carica come T_ON si ha che

• T_ON = ln(2)(R₁ + R_y)C₁
• T_OFF = ln(2)(R₁ + R_x)C₁

Considerando R_x ed R_y come una unica resistenza denominata R_POT data dalla somma delle prime due, si ha che la frequenza di modulazione è data dalla formula:

Mentre la tensione media di output è data dalla tensione nominale di output del 555 (che dipende dalla tensione di alimentazione dello stesso) moltiplicata per il duty cycle, quindi

mentre la corrente media di output (p.es. usata per accendere un LED con resistenza in serie) è data dalla corrente richiesta dal carico, sempre moltiplicata per il duty cycle, quindi:

In questo caso la resistenza di carico (nel caso di alimentazione LED) va messa tra il piedino centrale del potenziometro o trimmer e l'output del 555.

Il circuito può tanto essere usato come regolatore di luminosità variabile per LED come pilotaggio di transistore, sia quest'ultimo usato per pilotare un motore con conseguenze regolazione di velocità.

555 e duty cycle < 50%

Il prossimo circuito a descrivere viene spesso richiesto l'implementazione di uno stroboscopio (ultimo caso) tipicamente usato per ottenere un duty cycle minore del 50%, ed è il seguente:

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Il circuito è sempre un oscillatore astabile, con l'unica differenza: il diodo D1 in parallelo con R2. La resistenza interna del diodo (tipicamente un 1N4148) è inferiore alla resistenza interna del resistore R2 (idealmente di qualche kΩ ma questo dipende anche dalla frequenza voluta), quindi il condensatore si caricherà solo attraverso R1 mentre si scaricherà come al solito attraverso ad R2 ed il collettore dell'NPN interno.

Tuttavia dire che il condensatore si carica solo attraverso R1 è una maniera comoda di spiegare il funzionamento, perchè detto correttamente si ottiene una resistenza equivalente data dal parallelo tra R₂ ed la resistenza interna del diodo R_D, solo che quest'ultima è talmente inferiore che si può trascurare il valore di R₂ nella formula.

Come nello schema anteriore si mostra una grafica del percorso di carica e scarica del condensatore

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Nel calcolo della frequenza in configurazione astabile, per T_ON si considera giustamente anche R2, ma come è facilmente intuibile, non è il caso di questo circuito, quindi si ha che

Conoscendo quindi il tempo di duty cycle (T_ON) voluto e la frequenza di oscillazione, quest'ultima è quindi calcolabile con la formula

Conclusioni

I due circuiti non sono assolutamente un'ultima invenzione del sottoscritto quindi sono abbastanza conosciuti. Con questo piccolo articolo ho solo voluto proporre una risorsa da consultare nel caso si volesse implementare una applicazione che richieda delle specifiche tali da poter usare le soluzioni descritte, che come ripeto, sono spesso richieste all'interno del forum.

Spero quindi che possa risultare utile a qualcuno in un prossimo momento.

A presto.

gohan.