オペアンプ1個で作るPWMジェネレータ/矩形波発生器とコンパレータの組み合わせ

この記事では、オペアンプを使ってPWM信号を発生させる電子回路をご紹介する。

矩形波発生器から三角波を取り出し、スレッショルドを設けたコンパレータでPWM信号を作り出す。デュアルのオペアンプ1つで実現できるので、ちょっとしたコントローラに使えると思うのでぜひ参考に。

モジュール化されたPWM発生器も販売されているので、作るのが面倒な方は参考に。ちなみにこちらの製品は、オペアンプではなくタイマーIC555を使っている。

Aideepen 2個 5A DC 3V-35V ミニ DC モーター扇風機 20kHz PWMモーター速度コントローラスピードコントローラースイッチLED調光器 電圧 DC 3V 5V 6V 12V 24V
Aideepen 2個 5A DC 3V-35V ミニ DC モーター扇風機 20kHz PWMモーター速度コントローラスピードコントローラースイッチLED調光器 電圧 DC 3V 5V 6V 12V 24V

PWM週波数:20khz。PWMデューティ比:1%-100%。作動電圧:DC 3-35V。効率:90W。静態電流:0.015A(待機状態)

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オペアンプで作るPWMジェネレータ

それではさっそく、オペアンプを使ったPWMジェネレータの回路を紹介する。


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オペアンプの指定はとくにないが、価格の面で5V以上の電源なら4558、もっと低い電圧で動かしたい場合は022あたりをオススメしておく。どちらとも一個数十円で買えるオペアンプだ。

さきほどの回路図の内容を説明していく。

矩形波発生器


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前段の回路は矩形波発生器になっている。秋月電子の「オペアンプの応用回路例集」を参考にさせてもらった。

抵抗の値は回路例の通りだが、コンデンサCの値だけ0.01μFに変えてある。オシロスコープで確認したところ、700Hzあたりの周波数で発振していた。

矩形波発生器なので矩形波を取り出すために使われる回路だが、実はTriangleの点から三角波も取り出すことができ、今回はそちらを使う。写真のように少し歪んだ三角波だが、今回の用途ではこれでもまったく問題ない。


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もっと正確な三角波を作りたい場合は、オペアンプを2段使った回路を記事の最後に載せておいたので参考に。

コンパレータ


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後段の回路はコンパレータである。

コンパレータとは「反転入力の電圧より非反転入力の電圧が高ければ1を、それより低ければ0を返す」回路である。


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この場合の1とはオペアンプの電源電圧で、0はGNDと同じ電位になる。と言いたいところだが、それは理想上の話。実際は0Vにはならず、1V以上のオフセット電圧が生じてしまう。また出力の最大電圧も、実際は電源電圧より少しだけ低いのが現実だ。

作り出したPWM波形をオシロスコープで観察すると、Lowは1Vほどになっていて、Highは電源電圧より少し低い出力になっていることがわかる。ただし、MOSFETは2〜3Vあたりが閾値(しきいち)となるのでこの信号でも大丈夫。


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PWMのデューティ比を変える

ところでコンパレータとは、「反転入力の電圧より非反転入力の電圧が高ければ1を、それより低ければ0を返す」のだった。つまり反転入力の電圧を変えることができれば、コンパレータの動作点も変えられる。それを実現しているのが回路図内の100kΩ可変抵抗である。

可変抵抗を調整すると、下の写真のようにデューティ比を0%から100%まで変化さられる。


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このPWM信号を元に、MOSFETでLEDライトをドライブさせれば、明るさのコントロールができる。Raspberry PiやArduinoなどのコンピュータを使わなくとも、アナログ回路だけでもPWMコントロールでき、用途によってはこれで十分だったりする。


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Raspberry PiでPWM制御した記事を書いたので、よかったら参考に。

【おまけ】精度の良い三角波発信器

最後に、精度の良い三角波発信器の作り方を載せておく。下の回路どおり作れば、約150Hzのきれいな三角波が作れる。


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三角波の周波数は抵抗とコンデンサの値によって、次の式で決めるられる。ただし、R2はR3より大きくなければならない。

$$ f = \frac{R_2}{4CR_1R_3} $$

最後まで読んでいただきありがとうございました。

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