Що таке ШІМ – широтно-імпульсна модуляція?

Це сучасний метод управління рівнем потужності подається до навантаження, що полягає у зміні тривалості імпульсу при постійній частоті їхнього прямування. Це технологія модуляції сигналу за рахунок варіативної зміни ширини імпульсів, а не вихідної напруги. ШІМ перетворювач може бути аналоговий, цифровий та ін.

Широтно-імпульсна модуляція - найважливіші параметри:

1. Т-період тактування - проміжки часу, через які подаються імпульси.
2. Тривалість імпульсу - час поки що подається сигнал.
3. Добре - розраховане за формулою співвідношення довжини імпульсу до імпульсного Т періоду тактування.
4. D коефіцієнт заповнення – показник зворотний шпаруватості.

Область застосування

Застосування ШІМ дозволяє збільшити і коефіцієнт корисної дії електричних перетворювачів. Тим більше це стосується імпульсних перетворювачів, які сьогодні переважно застосовуються у вторинних джерелах живлення різних електронних апаратів. Імпульсні перетворювачі зворотноходові, прямоходові 1-тактні, 2-тактні, напівмостові, резонансні управляються за участю ШІМ.

Принцип ШІМ сьогодні став основним для електронних пристроїв, яким потрібна підтримка на заданому рівні вихідних параметрів та їх регулювання. Метод застосовується зміни швидкості обертання двигунів, яскравості світла, управління силовим транзистором БП імпульсного типу.

Використовується ЩИМ модуляція і в системах керування яскравістю світлодіодів. Світлодіод, завдяки низькій інерційності, встигає мигнути на частоті всього кілька десятків кГц.Для ока робота світлодіода в імпульсному режимі сприймається як світіння. Яскравість світлодіода залежить від тривалості імпульсу протягом одного періоду. При коефіцієнті заповнення 50%, тобто, якщо час світіння дорівнює часу паузи, яскравість світлодіода становить одну другу номінальної величини. Коли з'явилися світлодіодні лампи 220В, знайшлася проблема підвищення їхньої надійності при нестабільній вхідній напрузі. Завдання було вирішено розробкою драйвера живлення, що функціонує за принципом ШІМ.

Поширення пристроїв, що функціонують за принципом ШІМ, дозволило уникнути лінійних трансформаторних БП. Внаслідок чого підвищився ККД та зменшилися маса та габарити джерел харчування. Тому сьогодні ШІМ-контролер є сьогодні невід'ємною частиною імпульсного БП. Він керує силовим транзистором і напруга на виході блока живлення завжди залишається стабільною. Крім цього, ШІМ-контролер:

• забезпечує плавний запуск перетворювача;
• обмежує шпаруватість та амплітуду керуючих імпульсів;
• контролює вхідну напругу;
• захищає від КЗ силового ключа;
• в аварійній ситуації переводить пристрій деж. режим.

Сьогодні широтно-імпульсна модуляція застосовується повсюдно і дозволяє керувати яскравістю підсвічування РК-дисплеїв мобільних телефонів, смартфонів, ноутбуків. Реалізовано мікросхему ШІМ у зварювальних апаратах, в автоінверторах, у зарядних пристроях та ін. У будь-якому зарядному пристрої використовується сьогодні ШІМ.

Принцип роботи ШІМ

Сигнал, промодулированний по ширині імпульсу, формується двома способами:

При аналоговому способі створення ШІМ-сигналу, що несе у вигляді пилкоподібного або трикутного сигналу, подається на вхід, що інвертує компаратора, а інформаційний - на неінвертуючий. Якщо миттєвий рівень несучої вище модулюючого сигналу, то виході компаратора нуль, якщо нижче – одиниця. На виході виходить дискретний сигнал з частотою, що відповідає частоті несучого трикутника або пилки, і довжиною імпульсу, пропорційною рівню модулюючої напруги.

Як приклад наведена модуляція по ширині імпульсу трикутного сигналу лінійно-зростаючим. Тривалість вихідних імпульсів пропорційна до рівня вихідного сигналу.

Аналогові ШІМ-контролери випускаються і у вигляді готових мікросхем, усередині яких встановлено компаратор та схема генерації несучої. Є входи для підключення зовнішніх частотних елементів і подачі інформаційного сигналу. З виходу знімається сигнал, що управляє потужними зовнішніми ключами. Також є входи для зворотного зв'язку – вони потрібні підтримки встановлених параметрів регулювання. Такою є, наприклад, мікросхема TL494. Для випадків, коли потужність споживача відносно невелика, випускаються ШІМ-контролери із вбудованими ключами. На струм до 3 Ампер розрахований внутрішній ключ мікросхеми LM2596.

Цифровий спосіб здійснюється застосуванням спеціалізованих мікросхем чи мікропроцесорів. Довжина імпульсу регулюється внутрішньою програмою. У багатьох мікроконтролерах, включаючи популярні PIC та AVR, «на борту» є вбудований модуль для апаратної реалізації ШІМ, для отримання PWM-сигналу треба активувати модуль та задати параметри його роботи. Якщо такий модуль відсутній, то ШІМ можна організувати суто програмним методом, це нескладно.Цей метод дає більш широкі повноваження і надає більше свободи рахунок гнучкого використання виходів, але задіює більше ресурсів контролера.

Аналогова ШІМ

У аналогових ШИМ-генераторах керуючий сигнал формується за допомогою аналогового компаратора, коли на його вхід, що інвертує, подається пилкоподібний або трикутний сигнал, а на неінвертуючий - безперервний модулюючий.

Вихідні імпульси йдуть прямокутної форми. Частота їхнього прямування відповідає частоті пили, а тривалість плюсової частини імпульсу залежить від часу, коли рівень постійного модулюючого сигналу, що йде на неінвертуючий вхід компаратора, вище рівня пилкоподібного сигналу, що подається на вхід, що інвертує. У період коли напруга пилкоподібного сигналу перевищуватиме модулюючий сигнал - на виході фіксуватиметься негативна частина імпульсу.

Під час коли пилкоподібний сигнал подається на неінвертуючий вхід, а модулюючий - на інвертуючий, вихідні прямокутні імпульси будуть позитивними, коли напруга пили буде вище рівня модулюючого сигналу на вході, що інвертує, а негативне - коли напруга пили стане нижче сигналу модулюючого.

Цифрова ШІМ

Працюючи з цифровою інформацією, мікроконтролер може формувати на виходах або 100% високий або низький рівень напруги 0%. Але для ефективного керування навантаженням таку напругу на виході потрібно змінювати. Наприклад, коли здійснюється регулювання швидкості обертання валу двигуна або при зміні яскравості світлодіода.

Питання вирішують ШІМ контролери. Тобто, 2-х рівнів імпульсно-кодована модуляція - це серія імпульсів, що характеризується частотою 1/T і або шириною Т, або шириною 0.Для їх усереднення застосовується передискретизація. При цифровій ШІМ прямокутні підімпульси, якими заповнений період, можуть займати будь-яке місце в періоді. Тоді на середньому значенні сигналу за період позначається лише їхня кількість. Оскільки процес здійснюється на частоті в сотні кГц, можна досягти плавного регулювання. ШИМ контролери вирішують це завдання.

Можна провести наступну аналогію із механікою. Коли маховик обертається за допомогою двигуна, при включеному двигуні маховик розкручуватиметься або продовжуватиме обертання, якщо двигун вимкнений, маховик гальмуватиме через сили тертя. Однак, якщо двигун вмикати/вимикати на кілька секунд, обертання маховика триматиметься на певній швидкості завдяки інерції. Чим довше період включення двигуна, тим швидше розкрутиться маховик. Аналогічно працює і ШІМ модулятор. Так працюють ШІМ контролери, в яких перемикання відбуваються за секунду тисячі разів, і частоти можуть досягти одиниць мегагерц.

Використання ШІМ-контролерів обумовлено їх наступними перевагами:

• стабільністю роботи;
• високою ефективністю перетворення сигналу;
• економією енергії;
• низькою вартістю.

Отримати на висновках мікроконтролера (МК) ШІМ сигнал можна:

У кожному МК є вбудований таймер, що генерує ШІМ імпульси на певних висновках. Це апаратний метод. Отримання ШІМ сигналу за допомогою команд програмування ефективніше за рахунок роздільної здатності і дає можливість використовувати більше висновків. Але програмний спосіб викликає високе завантаження МК, займаючи багато пам'яті.

Характеристики ШІМ сигналу

Важливими характеристиками ШІМ сигналу є:

• амплітуда (U);
• частота (f);
• шпаруватість (S) або коефіцієнт заповнення D.

Амплітуда у вольтах визначається залежно від навантаження. Вона має забезпечувати номінальну напругу живлення споживача.

Частота сигналу, що модулюється за шириною імпульсу, вибирається з таких міркувань:

1. Чим вища частота, тим вища точність регулювання.
2. Частота не повинна бути нижчою за час реакції пристрою, яким керують за допомогою ШІМ, інакше виникнуть помітні пульсації регульованого параметра.
3. Що частота, то вище комутаційні втрати. Він виникають через те, що час перемикання ключа звичайно. У замкненому стані на ключовому елементі падає вся напруга живлення, але струм майже відсутній. У відкритому стані через ключ протікає повний струм навантаження, але падіння напруги невелике, оскільки прохідний опір становить одиниці Ом. І в тому, і в іншому випадку розсіювання потужності незначне. Перехід від одного стану до іншого відбувається швидко, але не миттєво. У процесі відмикання-замикання на частково відкритому елементі падає велика напруга і одночасно через нього йде значний струм. У цей час розсіювана потужність досягає високих значень. Цей період невеликий, ключ не встигає значно розігрітися. Але з підвищенням частоти таких тимчасових проміжків за одиницю часу стає більшим, і втрати на тепло підвищуються. Тому для побудови ключів важливим є використання швидкодіючих елементів.
4. При керуванні електродвигуном частоту доводиться виводити за межі ділянки, що чує людиною, - 25 кГц і вище. Тому що при нижчій частоті ШІМ виникає неприємний свист.

Ці вимоги часто суперечать одна одній, тому вибір частоти у випадках – це пошук компромісу.

Величину модуляції характеризує шпаруватість. Так як частота проходження імпульсів стала, то стала і тривалість періоду (T=1/f). Період складається з імпульсу та паузи, що мають тривалість, відповідно, tімп і tпаузи, причому tімп+tпаузи=Т. Добре називається відношення тривалості імпульсу до періоду - S = tимп / T. Але на практиці виявилося зручніше користуватися зворотною величиною – коефіцієнтом заповнення: D=1/S=T/tімп. Ще зручніше виражати коефіцієнт заповнення у відсотках.

У чому відмінність ШІМ від ШИР

У зарубіжній технічній літературі немає різниці між широтно-імпульсною модуляцією та широтно-імпульсним регулюванням (ШИР). Російські фахівці ці поняття намагаються розмежувати. Насправді ШІМ - це вид модуляції, тобто зміни несучого сигналу під дією іншого, що модулює. Несучий сигнал виконує роль переносника інформації, а модульуючий задає цю інформацію. А широтно-імпульсне регулювання – це регулювання режиму навантаження за допомогою ШІМ.

Розрахунок коефіцієнта заповнення ШІМ

Розрахунок коефіцієнта заповнення ШІМ на прикладі:

Для розрахунку відсоткового коефіцієнта заповнення необхідно виконати аналогічні обчислення, а результат помножити на 100%:

Інвертор 12 В/ 220 Вінвертор з чистою синусоїдою, може забезпечувати харчування змінно.

Як випливає з розрахунку, на даному прикладі сигнал (високого рівня) характеризується заповненням, рівним 0,357 або інакше 37,5%. Коефіцієнт заповнення є абстрактним значенням.

Важливою характеристикою широтно-імпульсної модуляції може бути частота сигналу, яка розраховується за формулою:

Значення T, у нашому прикладі, слід взяти вже в секундах для того, щоб збіглися одиниці у формулі.Оскільки формула частоти має вигляд 1/сек, тому 800ms переведемо в 0,8 сек.

Завдяки можливості регулювання ширини імпульсу можна змінювати, наприклад, середнє значення напруги. На малюнку нижче показані різні коефіцієнти заповнення при збереженні тієї ж частоти сигналів і однієї амплітуди.

Для обчислення середнього значення напруги ШІМ необхідно знати коефіцієнт заповнення, оскільки середнє значення напруги є добутком коефіцієнта заповнення та амплітуди напруги сигналу.
Для прикладу, коефіцієнт заповнення дорівнював 37,5% (0,357) і амплітуда напруги U1 = 12В дасть середню напругу Uср:

У цьому випадку середня напруга сигналу ШІМ становить 4,5 Ст.

ШИМ дає дуже просту можливість знижувати напругу в діапазоні від напруги живлення U1 і до 0. Це можна використовувати, наприклад, для регулювання яскравості світлодіодів, або швидкості обертання двигуна DC (постійного струму), що живляться від величини середньої напруги.

Сигнал ШІМ може бути сформований мікроконтролером або аналоговою схемою. Сигнал від таких схем характеризується низькою напругою та дуже малим вихідним струмом. У разі необхідності регулювання потужних навантажень слід використовувати систему управління, наприклад, за допомогою транзистора.

Це може бути біполярний чи польовий транзистор. На наступних прикладах буде використано біполярний транзистор BC547.

Сигнал ШІМ надходить на базу транзистора VT1 через резистор R1, інакше кажучи, транзистор VT1 зі зміною сигналу вмикається, то вимикається. Це подібно до ситуації, при якій транзистор можна замінити звичайним вимикачем, як показано нижче:

Коли перемикач замкнутий, світлодіод живиться через резистор R2 (обмежує струм) напругою 12В. А коли перемикач розімкнуть, ланцюг переривається, і світлодіод гасне. Такі перемикання з малою частотою в результаті дадуть світлодіод, що миготить.

Однак, якщо необхідно керувати інтенсивністю світіння світлодіодів, необхідно збільшити частоту сигналу ШІМ, так, щоб обдурити людське око. Теоретично перемикання з частотою 50 Гц не непомітні для людського ока, що у результаті дає ефект зменшення яскравості свічення світлодіода.

Чим менший коефіцієнт заповнення, тим слабше світитиметься світлодіод, оскільки під час одного періоду світлодіод горітиме менше часу.

Такий самий принцип і подібну схему можна використовувати і для керування двигуном постійного струму. У разі двигуна необхідно, проте, застосовувати більш високу частоту перемикань (вище 15-20 кГц) з двох причин.

Перша їх стосується звуку, який може видавати двигун (неприємний писк). Частота 15-20 кГц є теоретичною межею чутності людського вуха, тому частоти вище цієї межі будуть нечутні.

Друге питання стосується стабільності роботи двигуна. При керуванні двигуном низькочастотним сигналом з малим коефіцієнтом заповнення обороти двигуна будуть нестабільні або може призвести до його повної зупинки. Тому, чим вища частота сигналу ШІМ, тим вища стабільність середньої вихідної напруги. Також менше пульсацій напруги.

Не слід, однак, занадто завищувати частоту сигналу ШІМ, так як при великих частотах транзистор може не встигнути повністю відкритися або закритися, і схема управління працюватиме неправильно.Особливо це стосується польових транзисторів, де час перезарядки може бути відносно великий, залежно від конструкції.

Надто висока частота сигналу ШІМ також викликає збільшення втрат на транзисторі, оскільки кожне перемикання викликає втрати енергії. Керуючи великими струмами на високих частотах, необхідно підібрати швидкодіючий транзистор з низьким опором провідності.

Керуючи двигуном постійного струму за допомогою ШІМ, слід пам'ятати про застосування діода для захисту транзистора VТ1 від індукційних сплесків, що з'являється в момент вимкнення транзистора. Завдяки використанню діода, індукційний імпульс розряджається через нього та внутрішній опір двигуна, захищаючи цим транзистор.

Для згладжування сплесків живлення між клемами двигуна можна підключити до них паралельно конденсатор невеликої ємності (100nF), який стабілізуватиме напругу між послідовними перемиканнями транзистора. Це також знизить перешкоди, створювані частими перемикання транзистора VT1.

ШИМ та мікроконтролери

Найпростіший генератор ШІМ можна зібрати і без будь-яких мікроконтролерів, тільки з мікросхемою таймера 555. Зрозуміло, будь-який мікроконтролер теж вміє працювати з ШІМ сигналом.

Наприклад, плата Ардуїно має 6 контактів: 3, 5, 6, 9, 10 і 11, які можна налаштувати для генерації апаратного ШІМ. За замовчуванням, на контактах 5 та 6 частота сигналу буде 1кГц, на решті – скромні 500Гц. Як ними користуватись ШІМ на Ардуїно докладно розповідається на уроці «Ардуїно: ШИМ» (скоро буде).

STM32F103 - набагато серйозніший мікроконтролер. У нього цілих 20 контактів мають можливість генерації ШІМ.Частота цього мікроконтролера - 72МГц, що уможливлює плавне і точне управління моторами постійного струму, не кажучи вже про світлодіоди. Дізнаємося подробиці в уроці про STM32 і ШІМ.

До речі, мікроконтролери вміють не тільки генерувати ШІМ, а й детектувати такі сигнали.

Приклад використання ШИМ регулятора

Один із варіантів реалізації ШІМ простого регулятора вже описувався раніше у цій статті. Він побудований на базі мікросхеми NE555 та має невелику обв'язку. Але, незважаючи на простату схеми, регулятор має досить широку сферу застосування: схеми управління яскравості світлодіодів, світлодіодних стрічок, регулювання швидкості обертання двигунів постійного струму.