При роботі з безліччю різних технологій часто стоїть питання: як управляти потужністю, яка доступна? Що робити, якщо її необхідно знизити або підвищити? Відповіддю на ці питання служить ШІМ-регулятор. Що він собою являє? Де застосовується? І як самому зібрати такий прилад?
Що таке широтно-імпульсна модуляція?
Без з'ясування значення цього терміна продовжувати не має сенсу. Отже, широтно-імпульсна модуляція - це процес управління потужністю, яка підводиться до навантаження, що здійснюється шляхом видозміни скважности імпульсів, яка робиться при постійній частоті. Існує кілька типів широтно-імпульсної модуляції:
1. Аналоговий.
2. Цифровий.
3. Двійковий (дворівневий).
4. Трійчастий (трирівневий).
Що таке ШІМ-регулятор?
Тепер, коли ми знаємо, що таке широтно-імпульсна модуляція, можна поговорити і про головну тему статті. Використовується ШІМ-регулятор для того, щоб регулювати напругу живлення і для недопущення потужних інерційних навантажень в авто- і мототехніки. Це може звучати занадто складно і найкраще пояснити на прикладі. Припустимо, необхідно зробити, щоб лампи освітлення салону міняли свою яскравість не відразу, а поступово. Це саме можна сказати до габаритних вогнів, автомобільних фар або вентиляторів. Втілити таке бажання можна шляхом установки транзисторного регулятора напруги (параметричний або компенсаційний). Але при великому струмі на ньому буде виділятися надзвичайно велика потужність і буде потрібно установка додаткових великих радіаторів або доповнення у вигляді системи примусового охолодження з використанням маленького вентилятора, знятого з комп'ютерного пристрою. Як бачите, цей шлях тягне за собою багато наслідків, які необхідно буде подолати.
Справжнім порятунком з даної ситуації став ШІМ-регулятор, який працює на потужних польових силових транзисторах. Вони можуть комутувати великі струми (які досягають 160 Ампер) при напрузі всього в 12-15В на затворі. Слід зазначити, що опір у відкритого транзистора задоволене мало, і завдяки цьому можна помітно знизити рівень потужності, що розсіюється. Щоб створити свій власний ШІМ-регулятор, знадобиться схема управління, яка зможе забезпечити різницю напруги між витоком і затвором в межах 12-15В. Якщо цього не вийде досягти, то опір каналу буде сильно збільшуватися і значно зросте розсіює потужність. А це, в свою чергу, може привести до того, що транзистор перегріється і вийде з ладу.
Випускається цілий ряд мікросхем для ШІМ-регуляторів, які зможуть витримати підвищення вхідного напруги до рівня 25-30В, при тому, що харчування буде всього 7-14В. Це дозволить включати вихідний транзистор в схемі разом із загальним стоком. Це, в свою чергу, необхідно для підключення навантаження із загальним мінусом. Як приклади можна привести такі зразки: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Більшість навантажень не споживає струм більше 10 ампер, тому вони не можуть викликати просідання напруги. І як результат - використовувати можна і прості схеми без доопрацювання у вигляді додаткового вузла, який буде підвищувати напругу. І саме такі зразки ШІМ-регуляторів і будуть розглянуті в статті. Вони можуть бути побудовані на основі несиметричного або чекає мультивібратора. Варто поговорити про ШІМ-регулятор оборотів двигуна. Про це далі.
схема №1
Ця схема ШІМ-регулятора збиралася на інверторах КМОП-мікросхеми. Вона є генератором прямокутних імпульсів, який діє на 2-х логічних елементах. Завдяки диодам тут окремо змінюється постійна часу розряду і заряду частотозадаючого конденсатора. Це дозволяє змінювати шпаруватість, яку мають вихідні імпульси, і як результат - значення ефективного напруги, яке є на навантаженні. В даній схемі можливе використання будь-яких инвертирующих КМОП-елементів, а також АБО-НЕ і І. Як приклади підійдуть К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можна використовувати і інші види, але перед цим доведеться добре подумати про те, як правильно згрупувати їх входи, щоб вони могли виконувати покладений функціонал. Переваги схеми - доступність і простота елементів. Недоліки - складність (практично неможливість) доопрацювання та недосконалість щодо зміни діапазону вихідної напруги.
схема №2
Має кращі характеристики, ніж перший зразок, але складніше у виконанні. Може регулювати ефективну напругу на навантаженні в діапазоні 0-12В, до якого змінюється з початкового значення 8-12В. Максимальний струм залежить від типу польового транзистора і може досягати значних значень. З огляду на, що вихідна напруга є пропорційним вхідному керуючому, дану схему можна використовувати як частину системи регулювання (для підтримки рівня температури).
причини поширення
Чим приваблює автолюбителів ШІМ-регулятор? Слід зазначити прагнення до збільшення ККД, коли проводиться побудова вторинних для електронної апаратури. Завдяки цій властивості можна дану технологію знайти також при виготовленні комп'ютерних моніторів, дисплеїв в телефонах, ноутбуках, планшетах і подібної техніки, а не тільки в автомобілях. Також слід зазначити значну дешевизну, яким характеризується дана технологія при своєму використанні. Також, якщо вирішите не купувати, а збирати ШІМ-регулятор власноруч, то можна заощадити гроші при удосконаленні свого власного автомобіля.
висновок
Що ж, ви тепер знаєте, що собою являє ШІМ-регулятор потужності, як він працює, і навіть можете самі зібрати подібні пристрої. Тому, якщо є бажання поекспериментувати з можливостями свого автомобіля, можна сказати з цього приводу тільки одне - робіть. Причому можете не просто скористатися представленими тут схемами, а й істотно доопрацювати їх при наявності відповідних знань і досвіду. Але навіть якщо все не вийде з першого разу, то ви зможете отримати дуже цінну річ - досвід. Хто знає, де він може в наступний раз стати в нагоді і наскільки важливим буде його наявність.
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.
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. Він побудований на базі мікросхеми 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.
Читайте також
Запропоновано простий модульований генератор, який можна застосувати для формування і обробки різних сигналів в електронних приладах.
Для початку розглянемо схему генератора прямокутних імпульсів (рис. 1), який виконаний на двох RS-тригерах з логічних елементів мікросхеми МОП або КМОП.
В такому стані тригери будуть перебувати до тих пір, поки на вході 1 цієї статті не з'явиться рівень лог. 0. Це час визначається вхідною ємністю С2, струмом витоку входу * і різницею між напругою лог. 1 (приблизно рівним Uпит) і граничним напруженням мікросхеми (приблизно половині Uпит): t \u003d C2- (Uпит · Uпор) · Iут.
Після розрядки ємності С2 до порогового напруги другий тригер знову переключиться, знову зарядиться С2 і почнеться розрядка С1. Після досягнення на ньому порогового напруги другий тригер знову переключиться; в подальшому процеси повторюються.
Тривалістю імпульсів в такому генераторі можна управляти, змінюючи струм розряду вхідних ємностей логічних елементів. На основі цього принципу може бути побудований генератор з широтно-імпульсною модуляцією.
Розглянемо цей варіант модуляції докладніше. До входів 1 і 6 елементів DD1 підключимо два джерела струму, керованих модульованим сигналом (рис. 2). При зміні вхідного сигналу струм одного джерела збільшується на ΔI, іншого - зменшується на ΔI.
Відповідно один період становитиме: Т \u003d t1 + t2 \u003d С1 X Uпор / (I + ΔI) + С2 х X Uпор / (I - ΔI).
Як видно з формули, чим більше струм розряду вхідних ємностей, тим менше період і, відповідно, вище частота модулятора.
Відновлення вихідного (модулюючого) сигналу можливо за допомогою простої інтегруючого ланцюга, на виході якої при постійній амплітуді імпульсів (Uамп) вихідна напруга складе: U вих \u003d Uамп х t1 (t1 + t2). Неважко зробити висновок, що при ΔI \u003d 0, однакових вхідних ємностях і порогових напружених входів логічного елемента на виході інтегруючого ланцюга буде діяти напруга, близьке за величиною до половини напруги живлення. Зміна вихідної напруги і коефіцієнт передачі для модулюючого сигналу відповідають виразами: ΔUвих \u003d Uамп Х ΔI / 2I; К \u003d ΔUвих / ΔUвх \u003d (Uамп / 2I) ∙ (2I / Uт) \u003d Uамп / Uт, де Uт - температурне напругу, рівну 26 мВ при температурі 300 к.
Ще одне зауваження. Під дією вхідного сигналу змінюється як тривалість імпульсу, так і тривалість паузи. Частота імпульсів також дещо змінюється: при збільшенні вхідного сигналу вона зменшується. Цим визначається досить великий динамічний діапазон пристрою. Практична схема генератора наведена на рис. 3. Його елементи обрані з міркувань їх доступності та повторюваності параметрів.
Вхідний диференціальний каскад (VT1, VT2) виконаний на біполярних транзисторах КТ315 (з будь-яким буквеним індексом), бажано з близькими коефіцієнтами передачі струму бази. Як діодів використані КД102 з малим зворотним струмом. Для збільшення стабільності роботи генератора в схему введена негативний зворотний зв'язок з виходу 4 через низькочастотний фільтр з резистора R5, конденсатора С2 і резистора R4 з частотою зрізу близько 16 Гц.
Найпростіший генератор широтно-імпульсних сигналів.
Основним призначенням програми PWM Generator є формування сигналів широко-імпульсної модуляції в режимі реального часу. Дані тони генеруються на основі заданих значень частоти (в Герцах), робочого циклу - співвідношення часу між низьким і високим станом сигналу (у відсотках) і амплітуди - рівня цифрового сигналу (в dBFS). Всі перераховані вище параметри можуть бути миттєво змінені під час роботи. Максимально можливий рівень генерується сигналу дорівнює 0 dBFS, а найбільша частота становить половину частоти дискретизації. Для настройки генерування звуку оптимального рівня якості передбачено ціле меню вихідних характеристик. Тут присутня можливість зміни кількості і розміру внутрішніх буферів даних, частоти дискретизації і квантування.
Програмне забезпечення може бути використане для створення керуючих тонів різних електричних і електромеханічних пристроїв. Зокрема результуючий ШІМ-сигнал, знятий з виходу звукової карти персонального комп'ютера і пропущений через стандартний аудіокоректор, застосовується для регулювання двигунів, вентиляторів, приладів освітлення.
PWM Generator підтримує роботу з декількома звуковими картами, причому надається можливість вибору тієї з них, яка буде використовуватися для виведення шуканого сигналу (за замовчуванням програма працює з пристроєм виведення, зазначеним в панелі управління Windows). Варто зазначити, що робочий ШІМ-сигнал може бути збережений як WAV-файлу і надалі прослуханий за допомогою стандартного програмного забезпечення. А при регулярному використанні певних тонів генератор ШИМ-сигналів дає можливість зберігати (і завантажувати) їх у вигляді пресетів. Крім того, кілька пресетів поставляються разом з додатком.
PWM Generator підтримує опцію синхронізації всіх запущених екземплярів програми, дозволяючи генерувати відразу кілька тонів. Необхідно відзначити можливість роботи програмного забезпечення в фоновому режимі, дозволяючи, користувачам переключити увагу на інші додатки. Крім того PWM Generator може управлятися за допомогою скриптових команд, а також через системи Windows Messaging.
Автори повідомляють, що чим швидше робоча станція, тим вищою буде якість звуку і «чуйність» елементів керування під час відтворення тонів.
Розглядається додаток було написано працівниками німецької компанії Esser Audio. Дана організація займається створенням і розповсюдженням програмних продуктів (, і т.д.), призначених, в основному, для тестування і випробування аудіоапаратури. Програми від Esser Audio відрізняються непоганою функціональністю і вкрай простим інтерфейсом.
Програма PWM Generator є умовно-безкоштовною, ознайомча версія дає можливість вільного запуску і тестування програми протягом перших тридцяти днів. Вартість програми для країн що не входять в Європейський союз становить 14 євро, для вхідних - 16,66 євро (за рахунок додавання податку на продаж). При покупці декількох ліцензій надається знижка.
Додаток поширюється на англійській та німецькій мовах. Довідковий документі докладно описано всіх можливостей софта, а для додаткової підтримки користувачів програмного пакета був створений довідковий онлайн-форум. Російської версії PWM Generator поки не існує.
Остання версія програмного забезпечення працездатна на будь-яких комп'ютерах з 32- або 64-розрядної операційною системою Microsoft Windows (9x, NT, 2000, 2003, XP, Vista, 7, 8) і звуковою картою.
Поширення програми: умовно-безкоштовна 14 євро. Є тріал-версія (30 діб)
Гарне визначення широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) полягає в самій його назві. Це означає модуляція (зміна) ширини імпульсу (НЕ частоти). Щоб краще зрозуміти що таке ШІМ, Давайте спочатку подивимося деякі основні моменти.
Мікроконтролери являють собою інтелектуальні цифрові компоненти які працюють на основі бінарних сигналів. Краще уявлення бінарного сигналу - меандр (сигнал має прямокутну форму). Наступна схема пояснює основні терміни, пов'язані з прямокутним сигналом.
У ШІМ-сигнал час (період), і отже частота є завжди сталою величиною. Змінюється тільки час включення і час вимкнення імпульсу (шпаруватість). Використовуючи даний метод модуляції, ми можемо отримати необхідну нам напругу.
Єдина відмінність між меандрові і ШІМ-сигналом полягає в тому, що у меандру час включення і відключення рівні і постійні (50% шпаруватість), в той час як ШІМ-сигнал має змінну шпаруватість.
Меандр може розглядатися як окремий випадок ШІМ сигналу, який має 50% робочий цикл (період включення \u003d період відключення).
Розглянемо на прикладі використання ШІМ
Припустимо, ми піднесімо напруга живлення 50 вольт і нам необхідно живити будь-яку навантаження, що працює від 40 вольт. В цьому випадку хороший спосіб отримання 40В з 50В - це використовувати так званий понижуючий чопер (переривник).
ШІМ сигнал, що генерується чеппера, надходить на силовий вузол схеми (тиристор, польовий транзистор), який в свою чергу управляє навантаженням. Цей ШІМ-сигнал може легко генеруватися мікро контролером, що має таймер.
Вимоги до ШІМ-сигналу для отримання за допомогою тиристора 40В з 50В: подача харчування, на час \u003d 400мс і вимикання на час \u003d 100мс (з урахуванням періоду ШІМ сигналу рівного 500 мс).
У загальних словах це можна легко пояснити наступним чином: в основному, тиристор працює як перемикач. Навантаження отримує напруга живлення від джерела через тиристор. Коли тиристор знаходиться у вимкненому стані, навантаження не підключена до джерела, а коли тиристор знаходиться у відкритому стані, навантаження підключається до джерела.
Цей процес включення і виключення тиристора здійснюється за допомогою ШІМ сигналу.
Співвідношення періоду ШІМ-сигналу до його тривалості називається шпаруватість сигналу, а зворотна до скважности величина називається коефіцієнтом заповнення.
Якщо коефіцієнт заповнення дорівнює 100, то в цьому випадку у нас сигнал постійний.
Таким чином, шпаруватість імпульсів (робочий цикл) може бути обчислений з використанням такої формули:
Використовуючи вище наведені формули, ми можемо розрахувати час включення тиристора для отримання необхідного нам напруги.
Помноживши шпаруватість імпульсів на 100, ми можемо уявити це в процентному співвідношенні. Таким чином, відсоток шпаруватість імпульсів прямо пропорційний величині напруги від початкового. У наведеному вище прикладі, якщо ми хочемо отримати 40 вольт від 50 вольт джерела живлення, то це може бути досягнуто шляхом генерації сигналу з шпаруватість 80%. Оскільки 80% з 50 замість 40.
Для закріплення матеріалу, вирішимо наступну задачу:
- розрахуємо тривалість включення і виключення сигналу, що має частоту 50 Гц і шпаруватість 60%.
Отриманий ШІМ хвилі буде мати наступний вигляд:
Один з кращих прикладів застосування широтно-імпульсної модуляції є використання ШІМ для регулювання швидкості двигуна або яскравості світіння світлодіода.
Цей прийом зміни ширини імпульсу, щоб отримати необхідний робочий цикл називається "широтно-імпульсна модуляція".
