Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ)

Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) – це метод перетворення сигналу, при якому змінюється тривалість імпульсу (шпаруватість), а частота залишається константою. В англійській термінології позначається як PWM (pulse-width modulation). У цій статті докладно розберемося, що таке ШІМ, де вона застосовується і як працює.

Галузь застосування

З розвитком микроконтроллерной техніки перед ШІМ відкрилися нові можливості. Цей принцип став основою для електронних пристроїв, що вимагають, як регулювання вихідних параметрів, так і підтримання їх на заданому рівні. Метод широтно-імпульсної модуляції застосовується для зміни яскравості світла, швидкості обертання двигунів, а також в управлінні силовим транзистором блоків живлення (БП) імпульсного типу.

Широтно-імпульсна (ШІ) модуляція активно використовується в побудові систем управління яскравістю світлодіодів. Завдяки низькій інерційності, світлодіод встигає переключатися (спалахувати і гаснути) на частоті в кілька десятків кГц. Його робота в імпульсному режимі сприймається людським оком як постійне світіння. У свою чергу яскравість залежить від тривалості імпульсу (відкритого стану світлодіода) протягом одного періоду. Якщо час імпульсу дорівнює часу паузи, тобто коефіцієнт заповнення – 50%, то яскравість світлодіода становитиме половину від номінальної величини. З популяризацією світлодіодних ламп на 220В стало питання про підвищення надійності їх роботи при нестабільному вхідній напрузі. Рішення було знайдено у вигляді універсальної мікросхеми – драйвера харчування, що працює за принципом широтно-імпульсної або частотно-імпульсної модуляції. Схема на базі одного з таких драйверів детально описана тут.

Подається на вхід мікросхеми драйвера мережеве напруга постійно порівнюється з внутрісхемним опорною напругою, формуючи на виході сигнал ШІМ (ЧИМ), параметри якого задаються зовнішніми резисторами. Деякі мікросхеми мають висновок для подачі аналогового або цифрового сигналу управління. Таким чином, роботою імпульсного драйвера можна керувати за допомогою іншого ШИ-перетворювача. Цікаво, що на світлодіод надходять не високочастотні імпульси, а згладжений дроселем струм, який є обов’язковим елементом подібних схем.

Масштабне застосування ШІМ відображено у всіх LCD панелях зі світлодіодним підсвічуванням. На жаль, в LED моніторах велика частина ШИ-перетворювачів працює на частоті в сотні Герц, що негативно відбивається на зорі користувачів ПК.

Мікроконтролер Ардуіно теж може функціонувати в режимі ШІМ контролера. Для цього слід викликати функцію AnalogWrite () із зазначенням в дужках значення від 0 до 255. Нуль відповідає 0В, а 255 – 5В. Проміжні значення розраховуються пропорційно.

Повсюдне поширення пристроїв, що працюють за принципом ШІМ, дозволило людству піти від трансформаторних блоків живлення лінійного типу. Як результат – підвищення ККД і зниження в кілька разів маси і розмірів джерел живлення.

ШІМ-контролер є невід’ємною частиною сучасного імпульсного блоку живлення. Він керує роботою силового транзистора, розташованого в первинному ланцюзі імпульсного трансформатора. За рахунок наявності ланцюга зворотного зв’язку напруга на виході БП завжди залишається стабільним. Найменше відхилення вихідної напруги через зворотний зв’язок фіксується мікросхемою, яка миттєво коригує шпаруватість імпульсів. Крім цього сучасний ШІМ-контролер вирішує ряд додаткових завдань, що сприяють підвищенню надійності джерела живлення:

  • забезпечує режим плавного пуску перетворювача;
  • обмежує амплітуду і шпаруватість імпульсів;
  • контролює рівень вхідної напруги;
  • захищає від короткого замикання і перевищення температури силового ключа;
  • при необхідності дає змогу встановити в черговий режим.

Принцип роботи ШІМ контролера

Завдання ШІМ контролера полягає в управлінні силовим ключем за рахунок зміни керуючих імпульсів. Працюючи в ключовому режимі, транзистор знаходиться в одному з двох станів (повністю відкритий, повністю закритий). У закритому стані струм через p-n-перехід не перевищує кілька мкА, а значить, потужність розсіювання прагне до нуля. У відкритому стані, не дивлячись на великий струм, опір p-n-переходу надмірно мало, що також призводить до незначних теплових втрат. Найбільша кількість тепла виділяється в момент переходу з одного стану в інший. Але за рахунок малого часу перехідного процесу в порівнянні з частотою модуляції, потужність втрат при перемиканні незначна.

Широтно-імпульсна модуляція розділяється на два види: аналогова і цифрова. Кожен з видів має свої переваги і схемотехнически може реалізовуватися різними способами.

аналогова ШІМ

Принцип дії аналогового ШИ-модулятора заснований на порівнянні двох сигналів, частота яких відрізняється на декілька порядків. Елементом порівняння виступає операційний підсилювач (компаратор). На один з його входів подають Пікоподібне напруга високої постійної частоти, а на іншій – низькочастотне модулююча напруга зі змінною амплітудою. Компаратор порівнює обидва значення і на виході формує прямокутні імпульси, тривалість яких визначається поточним значенням сигналу, що модулює. При цьому частота ШІМ дорівнює частоті сигналу пилкоподібної форми.

цифрова ШІМ

Широтно-імпульсна модуляція в цифровий інтерпретації є однією з численних функцій мікроконтролера (МК). Оперуючи виключно цифровими даними, МК може формувати на своїх виходах або високий (100%), або низький (0%) рівень напруги. Однак в більшості випадків для ефективного управління навантаженням напруга на виході МК необхідно змінювати. Наприклад, регулювання швидкості обертання двигуна, зміна яскравості світлодіода. Що робити, щоб отримати на виході мікроконтролера будь-яке значення напруги в діапазоні від 0 до 100%?

Питання вирішується застосуванням методу широтно-імпульсної модуляції і, використовуючи явище передискретизации, коли задана частота перемикання в кілька разів перевищує реакцію керованого пристрою. Змінюючи шпаруватість імпульсів, змінюється середнє значення вихідної напруги. Як правило, весь процес відбувається на частоті в десятки-сотні кГц, що дозволяє домогтися плавного регулювання. Технічно це реалізується за допомогою ШІМ-контролера – спеціалізованої мікросхеми, яка є «серцем» будь-який цифровий системи управління. Активне використання контролерів на основі ШІМ обумовлено їх незаперечними перевагами:

  • високої ефективності перетворення сигналу;
  • стабільність роботи;
  • економії енергії, споживаної навантаженням;
  • низької вартості;
  • високої надійності всього пристрою.

Отримати на висновках мікроконтролера ШІМ сигнал можна двома способами: апаратно і програмно. У кожному МК є вбудований таймер, який здатний генерувати ШІМ імпульси на певних висновках. Так досягається апаратна реалізація. Отримання ШІМ сигналу за допомогою програмних команд має більше можливостей в плані роздільної здатності і дозволяє задіяти більшу кількість висновків. Однак програмний спосіб веде до високого завантаження МК і займає багато пам’яті.

Примітно, що в цифровий ШІМ кількість імпульсів за період може бути різним, а самі імпульси можуть бути розташовані в будь-якій частині періоду. Вихідний рівень визначається сумарною тривалістю всіх імпульсів за період. При цьому слід розуміти, що кожен додатковий імпульс – це перехід силового транзистора з відкритого стану в закрите, що веде до зростання втрат під час перемикань.

Приклад використання ШІМ регулятора

Один з варіантів реалізації ШІМ простого регулятора вже описувався раніше в цій статті. Він побудований на базі мікросхеми NE555 і має невелику обв’язку. Але, незважаючи на простату схеми, регулятор має досить широку область застосування: схеми управління яскравості світлодіодів, світлодіодних стрічок, регулювання швидкість обертання двигунів постійного струму.

Ссылка на основную публикацию