Широтно-импульсный модулятор — принцип работы
Широтно-импульсная модуляция
ШИМ или PWM (широтно-импульсная модуляция, по-английски pulse-width modulation) – это способ управления подачей мощности к нагрузке. Управление заключается в изменении длительности импульса при постоянной частоте следования импульсов. Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой, цифровой, двоичной и троичной.
Применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить КПД электрических преобразователей, особенно это касается импульсных преобразователей, составляющих сегодня основу вторичных источников питания различных электронных аппаратов. Обратноходовые и прямоходовые однотактные, двухтактные и полумостовые, а также мостовые импульсные преобразователи управляются сегодня с участием ШИМ, касается это и резонансных преобразователей.
Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать яркость подсветки жидкокристаллических дисплеев сотовых телефонов, смартфонов, ноутбуков. ШИМ реализована в сварочных аппаратах, в автомобильных инверторах, в зарядных устройствах и т. д. Любое зарядное устройство сегодня использует при своей работе ШИМ.
В качестве коммутационных элементов, в современных высокочастотных преобразователях, применяются биполярные и полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме. Это значит, что часть периода транзистор полностью открыт, а часть периода — полностью закрыт.
И так как в переходных состояниях, длящихся лишь десятки наносекунд, выделяемая на ключе мощность мала, по сравнению с коммутируемой мощностью, то средняя мощность, выделяемая в виде тепла на ключе, в итоге оказывается незначительной. При этом в замкнутом состоянии сопротивление транзистора как ключа очень невелико, и падение на нем напряжения приближается к нулю.
В разомкнутом же состоянии проводимость транзистора близка к нулю, и ток через него практически не течет. Это позволяет создавать компактные преобразователи с высокой эффективностью, то есть с небольшими тепловыми потерями. А резонансные преобразователи с переключением в нуле тока ZCS (zero-current-switching) позволяют свести эти потери к минимуму.
В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется аналоговым компаратором, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подается треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий — модулирующий непрерывный сигнал.
Выходные импульсы получаются прямоугольными, частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Когда напряжение пилы выше модулирующего сигнала — на выходе будет отрицательная часть импульса.
Если же пила подается на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий сигнал — на инвертирующий, то выходные импульсы прямоугольной формы будут иметь положительное значение тогда, когда напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, поданного на инвертирующий вход, а отрицательное — когда напряжение пилы ниже сигнала модулирующего. Пример аналогового формирования ШИМ — микросхема TL494, широко применяющаяся сегодня при построении импульсных блоков питания.
Цифровая ШИМ используются в двоичной цифровой технике. Выходные импульсы также принимают только одно из двух значений (включено или выключено), и средний уровень на выходе приближается к желаемому. Здесь пилообразный сигнал получается благодаря использованию N-битного счетчика.
Цифровые устройства с ШИМ работают также на постоянной частоте, обязательно превосходящей время реакции управляемого устройства, этот подход называется передискретизацией. Между фронтами тактовых импульсов, выход цифрового ШИМ остается стабильным, или на высоком, или на низком уровне, в зависимости от текущего состояния выхода цифрового компаратора, который сравнивает уровни сигналов на счетчике и приближаемый цифровой.
Выход тактуется как последовательность импульсов с состояниями 1 и 0, каждый такт состояние может сменяться или не сменяться на противоположное. Частота импульсов пропорциональна уровню приближаемого сигнала, а единицы, следующие друг за другом могут сформировать один более широкий, более продолжительный импульс.
Получаемые импульсы переменной ширины будут кратны периоду тактования, а частота будет равна 1/2NT, где T – период тактования, N – количество тактов. Здесь достижима более низкая частота по отношению к частоте тактования. Описанная схема цифровой генерации — это однобитная или двухуровневая ШИМ, импульсно-кодированная модуляция ИКМ.
Эта двухуровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой по сути серию импульсов с частотой 1/T, и шириной Т или 0. Для усреднения за больший промежуток времени применяется передискретизация. Высокого качества ШИМ позволяет достичь однобитная импульсно-плотностная модуляция (pulse-density-modulation), называемая также импульсно-частотной модуляцией.
При цифровой широтно-импульсной модуляции прямоугольные подимпульсы, которыми оказывается заполнен период, могут приходиться на любое место в периоде, и тогда на среднем за период значении сигнала сказывается только их количество. Так, если разделить период на 8 частей, то комбинации импульсов 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т. д. дадут одинаковое среднее значение за период, тем не менее, отдельно стоящие единицы утяжеляют режим работы ключевого транзистора.
Корифеи электроники, повествуя о ШИМ, приводят такую аналогию с механикой. Если при помощи двигателя вращать тяжелый маховик, то поскольку двигатель может быть либо включен, либо выключен, то и маховик будет либо раскручиваться и продолжать вращаться, либо станет останавливаться из-за трения, когда двигатель выключен.
Но если двигатель включать на несколько секунд в минуту, то вращение маховика будет поддерживаться, благодаря инерции, на некоторой скорости. И чем дольше продолжительность включения двигателя, тем до более высокой скорости раскрутится маховик. Так и с ШИМ, на выход приходит сигнал включений и выключений (0 и 1), и в результате достигается среднее значение. Проинтегрировав напряжение импульсов по времени, получим площадь под импульсами, и эффект на рабочем органе будет тождественен работе при среднем значении напряжения.
Так работают преобразователи, где переключения происходят тысячи раз в секунду, и частоты достигают единиц мегагерц. Широко распространены специальные ШИМ-контроллеры, служащие для управления балластами энергосберегающих ламп, блоками питания, преобразователями частоты для двигателей и т. д.
Отношение полной длительности периода импульса ко времени включения (положительной части импульса) называется скважностью импульса. Так, если время включения составляет 10 мкс, а период длится 100 мкс, то при частоте в 10 кГц, скважность будет равна 10, и пишут, что S = 10. Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения импульса, по-английски Duty cycle, или сокращенно DC.
Так, для приведенного примера DC = 0.1, поскольку 10/100 = 0.1. При широтно-импульсной модуляции, регулируя скважность импульса, то есть варьируя DC, добиваются требуемого среднего значения на выходе электронного или другого электротехнического устройства, например двигателя.
Широтно-импульсный модулятор, принцип работы и схема
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, английская аббревиатураPWM – Pulse-Width Modulation) – это способ кодирования аналогового сигнала путем изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис.1 представлены типичные графики ШИМ-сигнала.
Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (Т) остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (рис.16) и наоборот, при расширении импульса пауза сужается (рис.1в).
Если ШИМ-сигнал пропустить через фильтр низших частот (ФНЧ), то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Скважность Q – это отношение периода импульсов Т к их длительности t, т.е. Формула:
Величина, обратная скважности, которая также встречается в литературе, называется “коэффициентом заполнения” (К3). Назначение ФНЧ – не пропускать на выход несущую частоту ШИМ.
Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC-цепочки или же отсутствовать вовсе, например, если нагрузка имеет достаточную инерцию.
Рис. 1. Графики работы ШИМ.
Таким образом, с помощью двух логических уровней “1 ” и “0” можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала. Широтно-импульсная модуляция широко используется в современной электронике, например, в импульсных источниках питания или в устройствах цифровой обработки звуковых сигналов. В [1] описан широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.
Он выполнен на основе двух логических элементов (рис.2) микросхемы К176ЛП1 (рис.За), которая называется универсальным логическим элементом (зарубежный аналог – CD4007).
Универсальность ИМС заключается в том, что она может быть использована и как три самостоятельных элемента НЕ, и как элемент ЗИЛИ-НЕ (рис.Зб), и как элемент НЕ с большим коэффициентом разветвпения (рис.Зв).
Рис. 2. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.
Рис. 3. Структура микросхемы К176ЛП1.
Микросхема содержит шесть МОП-транзисторов, три из которых (VT1. VT3) – с п-каналом, три других (VT4. VT6)-с р-каналом. Напряжение питания подают на выводы 14 (+9 В) и 7 (общий), выводы 6, 3 и 10 – входы, остальные – выходы.
Разные по функциональному назначению логические элементы получают путем соответствующих соединений входных и выходных выводов. Модулятор (рис.2) изменяет коэффициент заполнения импульсов автогенератора в соответствии с управляющим напряжением.
Регулирование коэффициента заполнения обеспечивается шунтированием времязадающего резистора R2 сопротивлением каналов полевых транзисторов VТ1 и VТ2, входящих в состав микросхемы.
Коэффициент заполнения изменяется в пределах от 1 до 99% периода рабочей частоты. Недостатком этого генератора является ненадежный запуск при уменьшении емкости времязадающего конденсатора С1 (при увеличении частоты генерации).
Для устранения этого недостатка предлагаю выполнить широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах (рис.4). Трехэлементный генератор запускается в любом случае, а конденсатор просто снижает его частоту. Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD2 и инверторе DD1.
Полевые транзисторы VТ1 и VТ2 из состава микросхемы подключены через диоды VD1 и VD2 параллельно резистору R2.
Рис. 4. Широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах.
При высоком уровне на выходе генератора диод VD2 открывается, т.е. сопротивление п-канала VТ2 включается параллельно R2. Подобным образом сопротивление р-канала VТ1 включается через VD1 параллельно R2 при низком уровне на выходе генератора.
Широтно-импульсный модулятор измененяет коэффициент заполнения импульсов генератора в соответствии с управляющим напряжением. Само изменение частоты колебаний минимально зависит от коэффициента заполнения, т.к. сопротивление канала одного транзистора возрастает, а другого уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R2 сопротивления остается постоянным.
Увеличение управляющего напряжения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импульсов, уменьшение – наоборот. Частота колебаний остается неизменной. Данный генератор может генерировать сигнал частотой до 10 МГц.
В. Калашник, г. Воронеж. E-mail: kalaviv[a]mail.ru. РМ-07-12.
- Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме. – Электроника, 1977, №13, С.55.
- Генераторы на элементах КМОП. – Схемотехника, 2007, №6, С.37.
Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция?
Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.
Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.
Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.
В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.
Принцип импульсного регулирования
Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.
Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.
Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.
Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:
Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:
На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.
Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:
А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:
Широтно-импульсное регулирование ШИР
В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.
Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.
В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.
Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.
В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.
При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.
Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.
Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.
Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.
ШИМ – широтно-импульсная модуляция
ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.
Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.
В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.
Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.
В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.
Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).
Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.
Еще статьи по данной теме
Здравствуй Дмитрий! Рад, что продолжаешь делать новые уроки, у тебя, это отлично получается. Продолжай в том же духе.
Урок по ШИМ хороший, как всегда, но явно требуется продолжение. А именно, как реализуется ШИМ в микроконтроллерах, программно и аппаратно. Это очень актуальная тема для начинающих.
По поводу твоего сборника уроков по радиоэлектронике, согласен полностью, что информацию нужно собирать на просторах Ютуба, как говорят, » с миру по нитке». Но, содержание, твоего сборника, меня немного насторожило. Вот например, усилитель к174ун4, его наверно и в продаже нет. В свое время, я пытался собрать на этой мс усилок, но получил генератор, сильно капризная, чють, что не так, сразу самовозбуждается. Есть же неплохой усилитель на TDA2004, 2005(стерео), почему бы о ней не рассказать. По поводу резисторов, конденсаторов, транзисторов и диодов, то опытные радиолюбители давно перешли на SMD компоненты. Преимущества на лицо. Не нужно сверлить отверстия в печатной плате, компактно, стоят дешево (на али). Да ,и не мешало бы, в сборник уроков включить рекомендации, как самому нарисовать и распечатать плату. Ну это конечно автору решать, я лишь поделился своими мыслями.
Лично меня интересуют микроконтроллеры, все, что с ними связано. Вот, где Дмитрий, можно по настоящему развернуться. Я учусь программировать МК AVR, работаю с Atmel Stud!o7 , пишу на С, и считаю, что это самое перспективное направление. В будущем хотел бы заняться STM, но знаний, пока маловато. Твои уроки по МК, я смотрел с удовольствием, даже распечатал их в небольшую брошюрку, всегда под рукой если что то подзабыл, открыл, почитал, вспомнил. Очень удобно. Жаль, что нет продолжения уроков по микроконтроллерам AVR. Единственный канал на Ютубе по МК, который действительно раскрывает все аспекты программирования микроконтроллеров на си, это канал «narod stream», но смотреть его тяжело, очень специфически даёт материал, нужно пересматривать несколько раз, прежде чем поймёшь о чем речь. Ну может, автор на ,это и расчитывал.
Удачи тебе Дмитрий и новых уроков мы от тебя ждём!
Да и кстати, по работе в Atmel Studio, вообще очень скудная информация на русском. Можно сказать, что уроков , по настоящему раскрывающих эту мощную программу, нет, так скудные, обрывочные уроки.
Спасибо вам за вашу работу. Хотел бы предложить вам идею. Можно сделать такие видео, там например как очистить старые платы(разные способы) +как сделать из этих же плат новые(травление) и на них схемы собрать. Если вам идея понравилась скажите, если нет то тоже скажите.
Здравствуйте. Идея хорошая, только я ее не до конца понимаю. Точнее, не понимаю саму реализацию.
ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема
При работе с множеством различных технологий часто стоит вопрос: как управлять мощностью, которая доступна? Что делать, если её необходимо понизить или повысить? Ответом на эти вопросы служит ШИМ-регулятор. Что он собой представляет? Где применяется? И как самому собрать такой прибор?
Что такое широтно-импульсная модуляция?
3. Двоичный (двухуровневый).
4. Троичный (трехуровневый).
Что такое ШИМ-регулятор?
Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.
Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B . U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат – использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.
Схема №1
Схема №2
Причины распространения
Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных источников питания для электронной аппаратуры. Благодаря данному свойству можно данную технологию найти также при изготовлении компьютерных мониторов, дисплеев в телефонах, ноутбуках, планшетах и подобной техники, а не только в автомобилях. Также следует отметить значительную дешевизну, которой отличается данная технология при своём использовании. Также, если решите не покупать, а собирать ШИМ-регулятор собственноручно, то можно сэкономить деньги при усовершенствовании своего собственного автомобиля.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая
Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.
Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.
Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.
Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.
Аналоговая широтно-импульсная модуляция
Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.
Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t.
Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).
Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.
Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.
В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.
Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.
При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.
Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.
Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку электродвигатель обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.
Реализовать ШИМ можно посредством компаратора с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.
При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.
Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.
Цифровая широтно-импульсная модуляция
Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.
В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.
В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.
ШИМ — широтно-импульсная модуляция
ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.
Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.
Принцип действия ШИМ
Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:
Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:
где:
- Ton — время высокого уровня
- Toff — время низкого уровня
- T — период сигнала
Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.
На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.
Расчет коэффициента заполнения ШИМ
Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:
Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:
Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.
Важной характеристикой широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:
Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.
Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.
Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:
В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.
ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для регулировки яркости свечения светодиодов, или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.
Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.
Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован биполярный транзистор BC547.
Пример управления светодиодом при помощи ШИМ.
Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:
Упрощенная схема управления светодиодом.
Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут мигающий светодиод.
Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.
Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод будет гореть меньшее время.
Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для управления двигателем постоянного тока. В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.
Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.
Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.
Не следует, однако, слишком завышать частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.
Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.
Управляя двигателем постоянного тока с помощью ШИМ, следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.
Схема системы управления скоростью вращения двигателя постоянного тока с защитным диодом.
Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.
