Широтно-импульсная модуляция

Коэффициент заполнения

Одним из параметров любого прямоугольного сигнала является коэффициент заполнения. У большинства прямоугольных сигналов он составляет 50%, это нормально, но сигналы не обязательно должны быть симметричными. Время состояния «открыт» (включен) может варьироваться от полностью выключенного сигнала до полного включения, от 0% до 100%, и принимать любые значения во всем диапазоне.

Ниже показаны примеры коэффициента заполнения 10%, 50% и 90%. Хотя частоты у сигналов одинаковы, это не является обязательным требованием.

Рисунок 1 – Примеры ШИМ сигналов

Причина популярности ШИМ проста. У многих нагрузок, таких как резисторы, отклик (реакция) пропорционален потребляемой мощности. То есть преобразование между ними простое. Но, например, у светодиодов отклик (реакция) на ток очень не линейна, подав на светодиод половину его номинального тока, вы всё равно получите больше половины светового потока, который может излучать светодиод. С ШИМ уровень света, производимый светодиодом, очень линеен. Двигатели, о которых будет рассказано позже, также хорошо реагируют на ШИМ.

Одним из нескольких способов получения ШИМ сигнала является использование пилообразного сигнала и компаратора. Как показано ниже, пилообразный (или треугольный) сигнал не обязательно должен быть симметричным, но при этом важна линейность формы сигнала. Частота пилообразного сигнала соответствует частоте дискретизации сигнала.

Рисунок 2 – ШИМ модулятор. И почему симметричность наклонов формы сигнала не имеет значения.

Если не требуется никаких вычислений, то ШИМ может быть быстрым. Ограничивающим фактором является частотная характеристика компаратора. Это может не быть проблемой, так как в основных применениях используется довольно низкая скорость. Некоторые микроконтроллеры имеют встроенный ШИМ и могут записывать или создавать необходимые сигналы.

Область использования ШИМ довольно широка. ШИМ является сердцем усилителей класса D, где, увеличивая напряжение, вы увеличиваете максимальную выходную мощность, а частоту ШИМ выбираете за пределами человеческого слуха (обычно 44 кГц). Динамики не реагируют на высокие частоты, но повторяют низкие частоты, которые являются аудиосигналами. Для еще большей точности могут быть использованы более высокие частоты дискретизации, 100 кГц или более так же не слышны.

Рисунок 3 – Как аудиосигнал модулирует ШИМ сигнал

Еще одно популярное применение ШИМ – управление скоростью двигателя. Двигатели, как класс нагрузок, для работы требуют очень больших токов. Возможность изменять их скорость с помощью ШИМ значительно повышает эффективность всей системы. ШИМ более эффективны при управлении частотой вращения двигателя при низких оборотах, чем линейные методы.

Схема шим регулятора

   Регулировка оборотов электродвигателей в современной электронной технике достигается не изменением питающего напряжения, как это делалось раньше, а подачей на электромотор импульсов тока, разной длительности.

Для этих целей и служат, ставшие в последнее время очень популярными — ШИМ (широтно-импульсно модулируемые) регуляторы.

Схема универсальная — она же и регулятор оборотов мотора, и яркости ламп, и силы тока в зарядном устройстве.

Схема ШИМ регулятора

   Указанная схема отлично работает, печатная плата прилагается. 

   Без переделки схемы напряжение можно поднимать до 16 вольт. Транзистор ставить в зависимости от мощности нагрузки. 

   Можно собрать ШИМ регулятор и по такой электрической схеме, с обычным биполярным транзистором:

   А при необходимости, вместо составного транзистора КТ827 поставить полевой IRFZ44N, с резистором R1 — 47к. Полевик без радиатора, при нагрузке до 7 ампер, не греется. 

Работа ШИМ регулятора

   Таймер на микросхеме NE555 следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR. Как только оно достигнет максимума — открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS на землю.

При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю — система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт.

Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь. 

   Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R2->верхнее плечо R1 ->D2«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS. Когда вращаем переменный резистор R1, у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе.

Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1

Меняя отношение сопротивлений заряда/разряда — меняем скважность. Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором

Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень. 

Рекомендации по сборке и настройке

   Диоды можно ставить любые, конденсаторы примерно такого номинала, как на схеме. Отклонения в пределах одного порядка не влияют существенно на работу устройства. На 4.7 нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно.

     Если после сборки схемы греется ключевой управляющий транзистор, то скорее всего он полностью не открывается. То есть на транзисторе большое падение напряжения (он частично открыт) и через него течет ток. В результате рассеивается большая мощность, на нагрев.

В общем область применения очень широкая, особенно перспективным будет её использование в качестве регулятора яркости мощных светодиодных ламп, LED лент и прожекторов, но про это в следующий раз. Статья написана при поддержке ear, ur5rnp, stalker68.

•    Форум по широтно-импульсным регуляторам
•    Обсудить статью Схема шим регулятора

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства

Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки

Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• высокой эффективности преобразования сигнала;
• стабильность работы;
• экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
• низкой стоимости;
• высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Как проверить ШИМ-контроллер

Есть несколько способов как сделать проверку ШИМ-контроллера. Можно, конечно это сделать без мультиметра, но зачем так мучаться, если можно воспользоваться нормальным прибором.

Прежде, чем проверять работу ШИМ-контроллера, необходимо выполнить базовую диагностику самого блока питания. Она выполняется так:

Шаг 1. Внимательно осмотреть в выключенном состоянии сам источник питания, в котором установлен PWM. В частности надо тщательно осмотреть электролитические конденсаторы на предмет вздутости.

Шаг 2. Провести проверку предохранителя и элементов входного фильтра блока питания на исправность.

Шаг 3. Провести проверку на короткое замыкание или обрыв диодов выпрями­тельного моста. Прозвонить их можно не вы­паивая из платы. При этом надо быть уверен­ным, что проверяемая цепь не шунтируется обмотками трансформатора или резистором. Если есть на это подозрение, то всё таки придётся выпаивать элементы и проверять уже по отдельности.

Шаг 4. Провести проверку исправностм выходных цепей, а именно электролитических конденсаторов низкочастотных филь­тров, выпрямительных диодов, диодных сборок и т.п.

Шаг 5. Провести проверку силовых транзисторов высокочастотного преобразователя и тран­зисторов каскада управления. При этом в обязательном порядке проверьте возвратные диоды, которые включенны параллельно электродам коллектор-эмиттер силовых транзисторов.

Проверка ШИМ-контроллера — видео инструкции:

Регуляторы оборотов

Теперь возвращаемся к теме регулятора оборотов. Все доступные сегодня схемы можно разделить на две большие категории:

• Стандартная схема регулятора оборотов,
• Модифицированные устройства контроля оборотов.

Разберемся в особенностях схем подробнее.

Стандартные схемы

Стандартная схема регулятора коллекторного электромотора имеет несколько особенностей:

Изготовить динистор не составит труда

Это важное преимущество устройства,
Регулятор отличается высокой степенью надежности, что положительно сказывается в течение его периода эксплуатации,
Позволяет комфортно для пользователя менять обороты двигателя,
Большинство моделей основаны на тиристорном регуляторе.. Если вас интересует принцип работы, то такая схема выглядит довольно просто

Если вас интересует принцип работы, то такая схема выглядит довольно просто.

Заряд тока от источника 220 Вольт идет к конденсатору.
Далее идет напряжение пробоя динистора через переменный резистор.
После этого происходит непосредственно сам пробой.
Симистор открывается

Этот элемент несет ответственность за нагрузку.
Чем выше окажется напряжение, чем чаще будет происходить открытие симистора.
За счет подобного принципа работы происходит регулировка оборотов электродвигателя.
Наибольшая доля подобных схем регулировки электродвигателя приходится на импортные бытовые пылесосы.
Но при использовании стандартной схемы регулятора оборотов важно понимать, что он обратной связью не обладает. И если с нагрузкой произойдут изменения, обороты электродвигателя придется настраивать.

Модифицированная схема

Прогресс не стоит на месте. Несмотря на удовлетворительные характеристики стандартной схемы регулятора оборотов двигателя, усовершенствования никому еще не навредили.

Наиболее часто применяемыми схемами являются две:

• Реостатная. Из названия становится очевидно, что здесь основой выступает реостатная схема. Такие регуляторы высокоэффективные при смене количества оборотов электродвигателя. Высокие показатели эффективности объясняются использованием силовых транзисторов, отбирающих часть напряжения. Так меньшее количество тока из источника 220 Вольт поступает на двигатель, ему не приходится работать с большой нагрузкой. При этом схема имеет определенный недостаток большое количество выделяемого тепла. Чтобы регулятор работал длительное время, для электроинструмента потребуется активное постоянное охлаждение,
• Интегральная. Для работы интегрального устройства регулирования используется интегральный таймер, который отвечает за нагрузку на электродвигатель. Здесь могут быть задействованы всевозможные транзисторы. Это обусловлено наличием микросхемы в конструкции с большими параметрами выходного тока. При нагрузке менее 0,1 Ампер, все напряжение идет непосредственно на микросхему, обходя транзисторы. Чтобы регулятор работал эффективно, на затворе требуется наличие напряжения в 12 Вольт. Из этого вытекает, что электрическая цепь и напряжение питания обязаны отвечать данному диапазону.

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:

Uср.н = Uип tи/T.

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D

А величина, обратная ему называется скважностью:. S = 1/D = T/tи

S = 1/D = T/tи.

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:

Uср.н = Uип∙D.

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Pср.н = Pип∙D.

3Пример скетча с ШИМ

Откроем из примеров скетч «Fade»: Файл Образцы 01.Basics Fade.

Открываем скетч для Arduino с использованием ШИМ

Немного изменим его и загрузим в память Arduino.

int ledPin = 3;        // объявляем пин, управляющий светодиодом
int brightness = 0;    // переменная для задания яркости
int fadeAmount = 5;    // шаг изменения яркости

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  analogWrite(ledPin, brightness); // устанавливаем яркость brightness на выводе ledPin

  brightness += fadeAmount; // изменяем значение яркости

  /* при достижении границ 0 или 255 
     меняем направление изменения яркости */
  if (brightness == 0 || brightness == 255) { 
    fadeAmount = -fadeAmount; // изменяем знак шага
  }
  delay(30); // задержка для большей видимости эффекта
}

Управление многоуровневыми синусоидальными ШИМ (СШИМ)

Напряжение на участке инвертора.(а) Выходное напряжение с применением СШИМ. (b) Выходное напряжение с добавлением синусоидальной третьей гармоники.

Несколько методов были разработаны для сокращения искажения в многоуровневых инверторах, на основе классического СШИМ с треугольным носителем. Некоторые методы используют расположение источника, другие используют сдвиг фазы из нескольких несущих сигналов . Рисунок справа показывает типичное напряжение, сгенерированное одной секцией инвертора путем сравнения синусоидального сигнала с треугольным несущим сигналом.

Множество N_c-каскадов в одной фазе с их источниками, смещенными на угол θ_с = 360°/N_c и использующими то же управляющее напряжение, производят напряжение нагрузки с самым маленьким искажением. Этот результат был получен для многоэлементного инвертора в семи-уравневой конфигурацией, которая использует три подключенных последовательно сегмента в каждой фазе. Самое маленькое искажение получено, когда источник смещен на угол в θ_с = 360°/3 = 120 °.

Довольно обыденной практикой в промышленном применении для многоуровневого инвертора является вставка третьей гармоники в каждый сегмент, как показано на Рисунок справа(b), для увеличения выходного напряжения. Еще одна положительная сторона многоуровневого СШИМ -эффективная частота переключения напряжения нагрузки в Nc-количество раз, и частота переключения каждого сегмента, в зависимости от ее несущего сигнала. Это свойство позволяет сокращать частоты переключения каждого сегмента, таким образом уменьшая потери на переключении.

Метод опорных векторов (MOB)

Пространственно-векторная диаграмма :(а) для двух-уровневого ,(b) трех-уровневого, и (c) пяти-уровневого инвертора.

Техника МОВ может быть легко применима для всех многоуровневых инверторов. Рисунок справа показывает векторы пространства для традиционных двух-, трёх- и пятиуровневых инверторов. Эти векторные диаграммы универсальны независимо от типа многоуровневого инвертора. Другими словами, рисунок справа действителен для пятиуровневого зафиксированного на диод, зафиксированного на конденсатор, или расположенного каскадом инвертора. Смежные три вектора могут синтезировать желаемый вектор напряжения путем вычисления рабочего цикла (T_j, T_j+1, и T_j+2) для каждого вектора.

Пространственно-векторные методы ШИМ обычно имеют следующие преимущества: хорошее использование напряжения источника постоянного тока, низкая пульсация и относительно легкая аппаратная реализация цифровым сигнальным процессором (DSP). Эти функции делают его подходящим для высоковольтных и мощных потребителей.

С увеличением количества уровней, существенно увеличиваются перегрузки и сложность переключения . Некоторые авторы использовали разложение пятиуровневой пространственно-векторной диаграммы в две трехуровневые пространственно-векторные диаграммы с фазовым сдвигом, чтобы минимизировать пульсации и упростить управление. Кроме того, простой пространственно-векторный метод  был представлен без вычисления рабочего цикла смежных трех векторов .