(worthless) Tips & Technologies

温故知新。 いえいえ "何を今更" が好きなだけです。

&MonolithicIC

例のじゃない PWM 回路

実用上は特に問題は無い " 例の " 回路はデンキヤとしてソコハカとなく気持ち悪さが纏わり付くので(、三角波()に comparator という定番の可変 duty 回路を 311 で構成してみました。

図面描きの環境を未だ整備していないので今回も図面無しです申し訳ない。

当然ながら duty 可変は綺麗に成立するわけなんですが comparator の hysteresis をどうする ? というところで引っ掛かりました(無しでもイケそうではあるんですがやはり気持ち悪いので、笑)。

出力をいきなり 1/3 VCC即ち threshold 下端未満に clip してますからよくある " 出力から非反転入力への正帰還 " では機能しないのです。

策の候補はいくつか考えられるんですが " あまり気持ち悪くないところ " に落としたいので休み休み検討中、…

と、今日はそんなところで。
 

例の PWM 回路の式

不審点が無くなったので例の pwm 回路の設計用の式を解い(立て)た。 とても見難いが、

t := ln[ { (2/3)vcc - 3vbe } / { (1/3)vcc - 3vbe } ] . c . r

となる。 3vbe の項が無ければ ln(2) となり即ち [ 0.693 . c . r ]  という見慣れた式になる。 問題は見ての通り vcc 依存になってしまうこと。 まあ今回の用途なら問題になる範囲ではないが。 そんで vcc = 12v、vbe = 0.6v を入れると、

t := 1.037 . c . r

となる。 実験に使った可変抵抗 50k の中点 25kΩ + 750Ω と 0.0012 μF を使えば約 32 μs が幅だから周期にして 64 μs 。 これは管面読み 65 μs に合致する。

おー、すばらしい ♪ (


さて 25kHz に拘る必要も無さそうなんだけどあまり下げるのも気持ち悪いので 20kHz で duty : 5..95 くらいで設計することにする、と …

t =  20  25 μs 、r = 1kΩ + 20kΩ /2 、で c : 0.002191 μF

となるから 222 で誤差が少ないし手に入りやすい。 ま、良い分配で、しょ(いくつか値を試したのは内緒、笑)。

今日はそんなところで。

後記 @2017/7/30: 数字、間違えてましたので修正。
 

bipolar 555 の propagation

例の pwm 回路で trigger level が変動する(ように見える)原因が分かりましたよ ♪

えー、久しくその手の設計をしておりませんでしたのですっかり勘が鈍ってた(何でそんなことに気づかないかという)模様。

さて結論から言うと、

幅 10 μs を割るあたりから trig/thres 差動 amp が反転してから出力が変わるまでの時間が無視できなくなる = そのぶんだけ充放電が行き過ぎる = 周波数が下がる

ということ。 で、もっと早くに気づくべきだったのは、…

  1. 幅 10 μs と言えば周波数にして 50kHz 、application note の f/c chart の周波数上限は 100kHz でしたっけ
  2. discharge trs が off になるのは out の 0 → 1 遷移より 1 μs も遅れていた
  3. 仕様(電気的特性)では出力の tr/tf が 100ns(typ. もありますから論理回路部分の速度は推して知るべし、でしたわね
  4. 等価回路で見る限り論理回路部分は特段の高速化を施してあるわけではありません

設計という意味での結論は(細かいことを気にするなら)、…

25kHz で duty = 10..90 の外側は bipolar の 555 の想定外(遅延を考慮しなさいよ)の使いかたである

ということ。 もちろん、動作しなくなるわけではなく、この回路に於いて問題の無い範囲の周波数変動が起こるだけです。 少なくともいくつかの 4 pin fan では周波数を 1 桁下げても回転数調整は機能しましたし。

ちょいと気になるのが unipolar の 555 が存在すること。 ご存知の通り carrier の引き抜きをしなくていいぶんだけは少なくとも速いハズなのと source 側の電圧降下が少ないハズですから。

今回の回路の動作は押さえることができましたし実用上は bipolar でも問題ありませんから気が向いたら unipolar 版を試してみることでしょう。
 

例の PWM 回路の続き

あちこち見忘れた箇所の波形(と動作)を見たのでまずは memo 。

  1.  out pin の波形は一旦 12v 近傍まで上がった直後に 1 v くらい drop している
  2.  c の端子電圧は discharge が早くなると trig level が 1/3 vcc より下回る

さて周波数がズレる(動く)理由をはっきりさせるには block diagram では話になりません。 少なくとも等価回路が必要なので探したらとりあえず Harris のに描いてありました(Signetics の databook は持っていません故)ので眺め悩み試し眺め悩むこと久し。

結論から言えば最初に見た TI の data sheet(等価回路は描いてない) の " 電気的特性 " の項目の書き方に引っ掛かったというか勝手に誤解して "  IOH が小さい時には VOH は vcc 近傍(vcc - VCEO)まで上がる " と思い込んだが故に slope の正負を対称であるとして設計したところに原因があります。

出力段の上(source)側は npn 2 段の darlington なので vcc - (2VBE +) までは少なくとも落ちます。 電気的特性では vcc = 15v, IOH = 200mA の時に VOH = 13.3v(typ) となっていますがこれは直に relay などを駆動する設計者のため(application note にはその類の例がある)の数値であって仮に IOH = 2mA の項目があったとしても VOH はせいぜい 13.5v くらいまでしか上がらないハズ。

その結果として c の充電は 1/3 vcc を割った時点で ≒ vcc - 2VBE から供給され、放電は 2/3 vcc を超えた時点で ≒ 0v に対して行なわれる -- 絶対値で 2VBE ぶんだけ電圧即ち充放電電流が正負で異なることになります。

速くする(duty: 大)と遅くなる(周波数)のは on 時間 = 充電時間なので、電圧が低いぶん逆の場合より時間が延びる(遅くなる) からです。

ここまで分かれば後は簡単。 放電側経路に 2VBE ぶんだけ pn 接合を追加して再実験してみましたらば予想通り、…

充放電電圧に起因すると思しき)周期変動はほぼ無くなりました

が、最初の 2. は未だ不明(かなーりアリエナイ)です故、もう少し datasheet とにらめっこしてみます。
 

例の PWM 回路

普通に考えて(trick とか使わないで)普通に作ろう思っていたんですが何気にあちこちで pwm の " 速度可変基板 " 的なものが売っていて写真を見るとどーも部品点数が少ない、何だコレはと思いつつさらにあちこち見ているとどうやら定番の 555 の trick があるらしい。

いきなり作っても良かったんだけど tricky な回路はきちんと設計で追い込んでおかないと(思い込みとかの起因で)予想とは異なる動きをする(見落とす)場合が多いので、…

周波数も低いし bread board で try 。

今回使ったのは 555 の out pin を charge/discharge に使う方式のもの(disch pin だと正負非対称で設計が少しだけ面倒になるから)。 out は source/sink 共に 200mA(maxもちろん損失は別)となっているので TTL/HTL の totempole のようなものと判断し(TI の最近の datasheet には block 図しか描いてなかった故とりあえず)、 Io が小さければ出力振幅は落ちない様子なので電流制限を付加し目標値 25kHz で設計。

先行していた山洋の資料では pwm は 25kHz で level は 5v なので各社踏襲と判断。 disch pin 直結で問題無さそうなんだけど TTL 入力とか書いてあるから pull up して zener で clip して TTL level にした。

図面描いて貼んなさいよと言いたいところなんですが未だ環境未達なのでご容赦を。

さて実験結果。

機能的には duty 可変は問題無いですし速度は変わるんですが周波数も変わる(20KHz → 14kHz)のが気持ち悪いというか計算とズレてます

これは out pin の仕様が予想と違っていた、と考えると辻褄が合います。 配線を外してしまった(片付けないとコレが書けない、笑)ので検証は後日。
 
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