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Oscillateur PWM à porte logique NAND, ou NOR, ou inverseur

On à l'habitude de concevoir des oscillateurs PWM (Pulse Width Modulation) ou MLI (Modulation Largeur Impulsion) grâce à des AOP et des comparateurs, ou en ayant recourt à des circuits intégrés tout fait. Je vous propose ici un nouveau concept de PWM que j'ai mis au point personnellement, constitué uniquement de portes logiques (NAND, NOR ou inverseur) ! On obtient ainsi un PWM passe partout et bon marché, pouvant monter à 3Mhz voir plus !

A quoi sert un PWM (ou MLI)?

Un PWM est un oscillateur dont on peut faire varier le rapport cyclique grâce à une tension externe. On obtient ainsi, grâce à des impulsions pures, une tension moyenne variable en proportion de cette tension de commande . L'intérêt, c'est qu'on a un excellent rendement (peu de pertes et échauffement dans les sytèmes de commande) et beaucoup de puissance (les impulsions ont plus de "punch" qu'une alimentation linéaire car fournissent la tension/intensité maximale).

On utilise les PWM dans des convertisseurs de tension DC/DC (alimentations à découpage, abaisseur / augmenteur de tension), le pilotage de moteurs (perceuse, ventilateur, train électrique...), le pilotage d'éclairage variable (LED, LED multicolore), la transmission d'une tension analogique (hertzienne, optocoupleur) ou la commande de servo moteurs (modélisme). Mais il y a bien autres applications possible...

Oscillateur PWM à portes logique (NAND, NOR, ou  inverseur) Version 1

Voici le circuit PWM à NAND (circuit intégré série 7400) et le graphique PWM associé.

Ceci est la version 1, car j'ai réussi à créer le même résultat avec 2 portes logique seulement, et même un double controleur PWM permettant une gestion par 2 tensions de références (pour un contrôle de tension U et intensite I dans un régulateur à découpage). Je le mettrais à disposition prochainement.

La première chose intéressante dans ce circuit, c'est sa simplicité, mais en plus:
  • Il est bon marché, un circuit intégré NAND ne coûte quasiment rien et y'en a généralement 4 dans un boitier 7400.
  • Haute fréquence et fronts raides : on peut très facilement monter à plus de 3Mhz, voir plus !! Imaginez le prix si c'était en AOP ou en circuit intégré PWM dédié...
  • C'est un autre moyen de réaliser un PWM quand on ne dispose pas d'AOP rapide.
  • Peu de composants nécessaires : je dirai même moins de composants qu'un convertisseur PWM classique
  • La contre réaction (non présent sur ce schéma) peut être réalisée avec un AOP (classique) ou avec un NAND + RC de lissage (pour un mini circuit tout simple).
  • On peut remplacer les NAND par des NOR ou des inverseurs, c'est universel selon le type de gates qu'il vous reste sur vos circuits.
  • On dispose de 3 entrées supplémentaires sur les NAND (ou NOR) pour intégrer de la logique TTL. On peut en effet détacher une entrée sur chaque porte logique pour intégrer une commande TTL externe, comme une information de marche/arrêt, de dépassement d'intensité, ou toute autre TTL nécessitant un forcing à 0 ou à 1.
  • Vous pouvez utiliser la sortie du NAND3 ou celle du NAND2 selon vos besoins, votre étage de puissance ou la contre réaction peuvent en effet nécessiter un signal inversé.
Je suis sure que vous trouverez d'autres intérêts à ce circuit.

Fonctionnement du PWM à portes logiques

Le principe de ce circuit électronique est assez simple :
  • On a le NAND1 qui possède d'origine un seuil de 1.5V environ. En dessous de ce seuil, sa sortie, mais aussi celle du montage complet Uout (sur NAND3) est haute, et au dessus la sortie Uout est basse (c'est globalement un circuit inverseur).
  • On modifie les seuils de la porte NAND1 grâce à un trigger (pont de résistances R1/R2 qui injecte une petite tension inverse à Uout). Ce trigger impose au signal d'entrée (R2) de "forcer" plus pour atteindre le seuil de la porte logique, le RC voit donc un seuil plus bas quand Uout est bas et inversement.
  • On charge un condensateur avec Uout (circuit RC qui défini la fréquence), qu'on ramène sur le NAND1 via une résistance (R2), qui aura pour effet de créer un oscillateur contrôlé par le trigger et le RC.
  • En jouant sur la tension Uref de commande et sa résistance, on peut modifier les 2 seuils du trigger en les faisant monter ou descendre en même temps, ce qui change le rapport cyclique.
Il y a cependant un défaut. Ce PWM fonctionne parfaitement entre les rapports cycliques 25% et 75%, mais la fréquence baisse aux extrémités (à cause de la charge du condensateur qui n'est pas linéaire), le rapport cyclique restant contrôlé. Ce petit défaut peut être atténué en installant 1 (ou 2) transistors FET pour charger en courant constant le condensateur. Ce problème n'est pas trop génant pour la majorité des cas.

Voici des exemples d'utilisation possible de cette commande PWM: pilotage pwm d'un ventilateur pour ordinateur, commande pwm pour LED, signal PWM pour communiquer une tension analogique au travers d'un optocoupleur, convertisseur DC/DC step up ou step down.

Par contre, il ne doit pas être possible de piloter des servo-moteurs en modélisme car la fréquence n'est pas stable (comme précisé plus haut).

J'ai réalisé un prototype réel de ce circuit et celui-ci fonctionne très bien.

Revenez dans quelques temps pour découvir la version 2, avec 2 NAND (ou 2 NOR) seulement, un autre circuit à double commande (contrôle U et I d'une régulateur à découpage), et en bonus je vous fournirai le schéma complet de ce régulateur à découpage.

Oscillateur PWM à porte logique NAND, ou NOR, ou inverseur : dernières mises à jour (29/11/2011)

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