ШИМ pwm контролер: принцип роботи, сфера застосування, характеристики

При широтно-імпульсної модуляції вихідного сигналу незмінними залишаються амплітуда, частота та фаза вихідного сигналу. Зміни під впливом інформаційного сигналу піддається тривалість (ширина) прямокутного імпульсу. В англомовній технічній літературі позначається абревіатурою PWM – pulse-width modulation.

Частота ШІМ визначає період імпульсу - T (див. картинку вище). Вимоги до цієї частоти диктуються кількома чинниками, залежно від типу керованого пристрою.

У разі управління світлодіодами одним із головних факторів стає видимість мерехтіння. Чим вище частота, тим менш помітне мерехтіння випромінюваного світла. Висока частота також допомагає знизити вплив температурних стрибків, які світлодіоди не люблять. Насправді для світлодіодів досить мати частоту ШИМ не більше 100-300 Гц.

З моторами постійного струму справи трохи інакше. З одного боку, що більша частота, то більш плавно і менш шумно працює мотор. З іншого — на високих частотах падає момент, що крутить. Потрібен баланс. Більш детально про мотори ми поговоримо в одній із майбутніх статей, а поки що рекомендуємо для більшості DIY завдань використовувати частоту ШІМ 2кГц.

Плюс, загальна проблема для всіх випадків керування силовим навантаженням - втрати в ланцюгах силової комутації (у транзисторах, і не тільки), які збільшуються із зростанням частоти ШІМ. Чим більша частота, тим більше часу транзистори перебувають у перехідних станах, активно виділяючи тепло і знижуючи ефективність системи.

Ще один важливий параметр - роздільна здатність ШИМ сигналу. Цей параметр показує, з якою точністю ми можемо змінювати коефіцієнт наповнення.Чим більша роздільна здатність, тим плавніше змінюватиметься потужність на керованому пристрої.

Наприклад, у плати Ардуїно з базовими налаштуваннями, роздільна здатність ШІМ - 256. Тобто ми можемо змінювати сигнал від 0 до 255 - не густо, але для більшості DIY завдань вистачає.

Характеристики ШІМ

Для Широтно-модульованого сигналу характеристик всього дві:

1. Частота проходження імпульсів
2. Добре імпульсів, або коефіцієнт заповнення. По суті це те саме. Різниця лише у позначенні: для шпаруватості -це D, для заповнення використовуємо літеру S. Коефіцієнт заповнення = одиниця / період сигналу T

Таким чином, коефіцієнт заповнення ніщо інше як інтервал від періоду сигналу. Звідси випливає, що він (коефіцієнт заповнення) завжди буде менше одиниці, що не скажеш про шпаруватість - вона завжди буде більше 1.

Частота сигналу = 50 кгц.

Період сигналу = 20 мкс.

Тепер припустимо, що ключ виходу ШІМ відкривається на 4 мкс. Коефіцієнт заповнення складе мінус 20%, а шпаруватість дорівнюватиме 5.

Звичайно ж, до уваги необхідно брати конструкцію ШІМ, виходячи з кількості силових ключів.

Формування ШІМ-сигналів

Створювати ШИМ-сигнали потрібної форми досить складно. Проте індустрія сьогодні може порадувати чудовими спеціальними мікросхемами, відомими як ШІМ-контролери. Вони недорогі і вирішують завдання формування широтно-импульсного сигналу. Зорієнтуватися у пристрої подібних контролерів та їх використанні допоможе ознайомлення з їхньою типовою конструкцією.

Стандартна схема контролера ШІМ передбачає наявність наступних виходів:

• Загальне виведення (GND). Він реалізується у вигляді ніжки, що підключається до загального дроту схеми живлення пристрою.
• Виведення живлення (VC). Відповідає за електроживлення схеми.Важливо не сплутати його із сусідом із схожою назвою – висновком VCC.
• Виведення контролю живлення (VCC). Зазвичай, чіп контролера ШИМ приймає він керівництво силовими транзисторами (біполярними чи польовими). Якщо напруга на виході знизиться, транзистори будуть відкриватися лише частково, а не повністю. Стрімко нагріваючись, вони незабаром вийдуть з ладу, не впоравшись із навантаженням. Щоб виключити таку можливість, необхідно стежити за показниками напруги живлення на вході мікросхеми і не допускати перевищення розрахункової позначки. Якщо напруга на даному виводі опускається нижче встановленого спеціально для цього контролера, пристрій, що управляє, відключається. Як правило, цю ніжку з'єднують безпосередньо з виводом VC.

Вихідна керуюча напруга (OUT)

Кількість висновків мікросхеми визначається її конструкцією та принципом роботи. Не завжди вдається одразу розібратися у складних термінах, але спробуємо виділити суть. Існують мікросхеми на 2-х висновках, що управляють двотактними (двоплечовими) каскадами (приклади: міст, напівміст, 2-тактний зворотний перетворювач). Існують і аналоги ШІМ-контролерів для управління однотактними (одноплечовими) каскадами (приклади: прямий/зворотний, що підвищує/знижує, інвертує).

Крім цього, вихідний каскад може бути за будовою одно-та двотактним. Двотактний використовується в основному для управління польовим транзистором, що залежить від напруги. Для швидкого закриття необхідно добитися швидкої розрядки ємностей “затвор – витік” та “затвор – стік”. Для цього використовується двотактний вихідний каскад контролера, завданням якого є забезпечення замикання виходу на загальний кабель, якщо потрібно закрити польовий транзистор.

Для контролю над біполярним транзистором двотактний каскад не використовується, оскільки керування здійснюється за допомогою струму, а не напруги. Для закриття біполярного транзистора достатньо лише припинити протікання струму через базу. У цьому замикання бази загальний провід необов'язково.

Область застосування

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

Широтно-імпульсна (ШІ) модуляція активно використовується у побудові систем керування яскравістю світлодіодів. Завдяки низькій інерційності, світлодіод встигає перемикатися (спалахувати і гаснути) на частоті кілька десятків кГц. Його робота в імпульсному режимі сприймається людським оком як постійне свічення. 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 постало питання про підвищення надійності їх роботи при нестабільній вхідній напрузі. Рішення було знайдено у вигляді універсальної мікросхеми - драйвера живлення, що працює за принципом широтно-імпульсної або частотно-імпульсної модуляції. Схема на базі одного з таких драйверів описана тут.

Подане на вхід мікросхеми драйвера мережна напруга постійно порівнюється з внутрішньосхемною опорною напругою, формуючи на виході сигнал ШІМ (ЧИМ), параметри якого задаються зовнішніми резисторами. Деякі мікросхеми мають висновок для подання аналогового чи цифрового сигналу керування. Таким чином, роботою імпульсного драйвера можна керувати за допомогою іншого ШІ-перетворювача. Цікаво, що 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 більшість ШІ-перетворювачів працює на частоті в сотні Герц, що негативно відбивається на зір користувачів ПК.

Мікроконтролер Ардуїно також може функціонувати в режимі ШІМ контролера. Для цього слід викликати функцію AnalogWrite() із зазначенням у 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 уникнути трансформаторних блоків живлення лінійного типу. Як результат – підвищення ККД та зниження у кілька разів маси та розмірів джерел живлення.

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

• забезпечує режим плавного запуску перетворювача;
• обмежує амплітуду та шпаруватість керуючих імпульсів;
• контролює рівень вхідної напруги;
• захищає від короткого замикання та перевищення температури силового ключа;
• за потреби переводить пристрій у черговий режим.

Ще про функції контролерів ШІМ

Задумавши спроектувати контролер ШІМ своїми руками, необхідно добре продумати всі деталі його реалізації. Тільки так можна створити працюючий пристрій. Крім вищевказаних виходів, робота ШІМ-контролера передбачає наявність таких функцій:

• Опорна напруга (VREF). Фабричні вироби для зручності зазвичай доповнюються функцією вироблення стабільної опорної напруги. Фахівці заводів-виробників рекомендують з'єднувати цей висновок із загальним проводом через ємність не менше 1 мкФ для підвищення якості та можливості стабілізації опорної напруги.

• Обмеження струму (ILIM). Якщо показники напруги цьому висновку істотно перевищують встановлене (як правило, близько 1 В), то контролер автоматично закриває силові ключі. У випадках, коли показник напруги перевищує друге граничне значення (у межах 1,5-2 В), пристрій відразу обнуляє напругу на підключенні до м'якого старту.
• М'який старт (SS). Показник напруги на даному виході визначає максимально допустиму ширину майбутніх імпульсів, що модулюються. Цей висновок подає струм встановленої величини.Якщо між ним та загальним кабелем вмонтувати додаткову ємність, то вона буде повільно, але впевнено заряджатися, що призведе до поступового розширення кожного імпульсу від мінімуму аж до остаточного розрахункового значення. Завдяки цьому можна забезпечити плавне, а не стрімке наростання величин струму і напруги в загальній схемі пристрою, завдяки чому така система і заслужила свою назву "м'який старт". При цьому, якщо спеціально ввести обмеження по напрузі на даному висновку, припустимо, підключивши дільник напруги і систему діодів, можна взагалі обмежити перевищення імпульсами якогось значення ширини, що задається.

ШИМ контролер: принцип роботи

ШИМ сигналом управляє ШІМ контролер. Він керує силовим ключем завдяки змінам керуючих імпульсів. У ключовому режимі транзистор може бути повністю відкритим або відкритим. У закритому стані через p-n-перехід йде струм не більше кількох мкА, тобто потужність розсіювання близька до нуля. У відкритому стані йде великий струм, але оскільки опір p-n-переходу замало, відбуваються невеликі тепловтрати. Більше тепла виділяється при переході з одного стану в інший. Однак завдяки швидкості перехідного процесу порівняно з частотою модуляції потужність цих втрат незначна.

Все це дозволило розробити високоефективний компактний широтно-імпульсний перетворювач, тобто з малими тепловтратами. Резонансні перетворювачі з перемиканням 0 струму ZCS дозволяють звести тепловтрати до мінімуму.

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

Широтно-імпульсна модуляція цифрової 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 у більшості випадків для ефективного управління навантаженням напругу на виході МК необхідно змінювати. Наприклад, регулювання швидкості обертання двигуна, зміна яскравості світлодіода. Що робити, щоб отримати на виході мікроконтролера будь-яке значення напруги від 0 до 100%?

Питання вирішується застосуванням методу широтно-імпульсної модуляції та, використовуючи явище передискретизації, коли задана частота перемикання у 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 досягти плавного регулювання.Технічно це реалізується за допомогою ШІМ-контролера – спеціалізованої мікросхеми, яка є серцем будь-якої цифрової системи управління. Активне використання контролерів на основі ШІМ обумовлено їх незаперечними перевагами:

• високої ефективності перетворення сигналу;
• стабільність роботи;
• економії енергії, що споживається навантаженням;
• низька вартість;
• високій надійності всього пристрою.

Отримати на висновках мікроконтролера ШІМ сигнал можна двома способами: апаратно та 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 у плані роздільної здатності та дозволяє задіяти більшу кількість висновків. Однак, програмний спосіб веде до високого завантаження МК і займає багато пам'яті.

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

Мікросхема ШІМ із силовим ключем в одному корпусі

Подібні ШІМ-контролери використовуються як в імпульсних блоках живлення на базі імпульсного трансформатора, так і в DC-DC знижувальних або перетворювачах, що підвищують.

Можна навести приклад однієї з найпоширеніших мікросхем у цьому сегменті – LM2596. На її основі можна виявити велику кількість схем перетворювачів, у тому числі і зображена нижче.

LM2596 включає всі технічні рішення, описані вище, плюс в неї ще інтегрований силовий ключ на струм до 3 Ампер.

Структура мікросхеми LM2596

Як можна побачити великі відмінності від мікросхем, які ми розглядали раніше в ній немає.

Ще один приклад блоку живлення для світлодіодних стрічок на ШІМ-контролері 5L0380R - У неї всього 4 висновки. Як можна помітити, у схемі відсутній силовий ключ. Звичайно він у мікросхемі, а сама мікросхема виконана в корпусі транзистора і кріпиться на радіатор.

Вивчаючи ШІМ-контролери можна зробити кілька висновків: Якщо ми маємо справу з потужним джерелом живлення і нам необхідна достатня гнучкість використання цього контролера, то така мікросхема як TL494 (і подібні) підходить для таких завдань краще. А якщо блок живлення середньої та невисокої потужності, то цілком свою роль виконають ШІМ-контролери з інтегрованими в них силовими ключами. У таких бп немає великих вимог до пульсацій та перешкод, а вихідні ланцюги можна згладити фільтрами. Зазвичай, це блоки живлення для побутової техніки, світлодіодних стрічок, ноутбуків, зарядних адаптерів.

Як перевірити ШІМ-контролер

Є кілька способів як зробити перевірку ШІМ-контролера. Можна, звичайно, це зробити без мультиметра, але навіщо так мучитися, якщо можна скористатися нормальним приладом.

Перед тим, як перевіряти роботу ШІМ-контролера, необхідно виконати базову діагностику самого блоку живлення. Вона виконується так:

Крок 1. Уважно оглянути у вимкненому стані саме джерело живлення, в якому встановлено PWM. Зокрема треба ретельно оглянути електролітичні конденсатори щодо здутості.

Крок 2. Провести перевірку запобіжника та елементів вхідного фільтра блоку живлення на справність.

Крок 3Провести перевірку на коротке замикання або обрив діодів випрямлячого моста. Продзвонити їх можна не випаюючи з плати. окремо.

Крок 4. Провести перевірку справністю вихідних ланцюгів, а саме електролітичних конденсаторів низькочастотних фільтрів, випрямляючих діодів, діодних зборок і т.п.

Крок 5. Провести перевірку силових транзисторів високочастотного перетворювача і транзисторів каскаду керування.

Перевірка ШІМ-контролера — відео інструкції:

Розташування та призначення висновків мікросхеми.

Не інвертуючий (позитивний) вхід підсилювача ошибки 1.
Якщо вхідна напруга на ньому буде нижчою, ніж напруга на виводі 2, то на виході цього підсилювача помилки 1, напруги не буде (вихід матиме низький рівень) і він не буде впливати на ширину (скважність) вихідних імпульсів.
Якщо на цьому виводі напруга буде вищою, ніж на виводі 2, то на виході цього підсилювача 1, з'явиться напруга (вихід підсилювача 1, матиме високий рівень) і ширина (шпаровість) вихідних імпульсів буде зменшуватися тим більше, чим вище вихідна напруга цього підсилювача (Максимум 3,3 вольта).

Це інвертуючий (негативний) вхід підсилювача сигналу 1 помилки.
Якщо вхідна напруга на цьому висновку вище, ніж на виведенні 1, на виході підсилювача помилки напруги не буде (вихід матиме низький рівень) і він не буде впливати на ширину (шпаровість) вихідних імпульсів.
Якщо ж напруга цьому висновку нижче, ніж виведенні 1, вихід підсилювача матиме високий рівень.

Підсилювач помилки, це звичайний ОУ з коефіцієнтом посилення порядку = 70..95дБ за постійною напругою (Ку = 1 на частоті 350 кГц). Діапазон вхідної напруги ОУ простягається від -0.3В і до напруги живлення, мінус 2В. Тобто максимальна вхідна напруга має бути нижчою за напругу живлення мінімум на два вольти.

Це виходи підсилювачів помилки 1 і 2, з'єднаних із цим висновком через діоди (схема АБО). Якщо напруга на виході будь-якого підсилювача змінюється з низького на високий рівень, то на виведенні 3 воно також переходить у високий.
Якщо напруга на цьому висновку перевищить 3,3, то імпульси на виході мікросхеми пропадають (нульова шпаруватість).
Якщо напруга на цьому виводі близька до 0, тоді тривалість вихідних імпульсів (шпаруватість) буде максимальна.

Висновок 3 зазвичай використовується для забезпечення ОС підсилювачів, але якщо це необхідно, висновок 3 може бути використаний і в якості вхідного, для забезпечення зміни ширини імпульсів.
Якщо напруга на ньому висока (> ~ 3,5), то імпульси на виході МС будуть відсутні. Блок живлення не запуститься за жодних обставин.

Він управляє діапазоном зміни "мертвого" часу (англ. Dead-Time Control), в принципі це та ж шпаруватість.
Якщо напруга на ньому буде близько до 0, то на виході мікросхеми будуть, як мінімально можливі, так і максимальні по ширині імпульси, що може задаватися іншими вхідними сигналами (підсилювачі помилок, висновок 3).
Якщо напруга на цьому висновку буде близько 1,5 В, то ширина вихідних імпульсів буде в районі 50% їх максимальної ширини.
Якщо напруга на цьому висновку перевищить 3,3, то імпульси на виході МС будуть відсутні. Блок живлення не запуститься за жодних обставин.
Але варто не забувати, що при збільшенні "мертвого" часу діапазон регулювання ШИМ буде зменшуватися.

Змінюючи напругу на виведенні 4, можна задавати фіксовану ширину "мертвого" часу (R-R дільником), здійснити в БП режим м'якого старту (R-C ланцюжком), забезпечити дистанційне вимкнення МС (ключ), а також можна використовувати цей висновок як лінійний вхід, що управляє.

Давайте розглянемо (для тих, хто не знає), що таке “мертве” час і для чого воно потрібне.
Працюючи двотактної схеми БП, імпульси по черзі подаються з виходів мікросхеми на бази (затвори) вихідних транзисторів. Оскільки будь-який транзистор – елемент інерційний, він може миттєво закритися (відкритися) під час зняття (подачі) сигналу з бази (затвора) вихідного транзистора. І якщо на вихідні транзистори подавати імпульси без "мертвого" часу (тобто з одного імпульсу зняти і на другий відразу подати), може наступити такий момент, коли один транзистор не встигне закритися, а другий вже відкрився. Тоді весь струм (називається наскрізний струм) потече через обидва відкритих транзистори минаючи навантаження (обмотку трансформатора), і оскільки він ні чим не буде обмежений, вихідні транзистори миттєво вийдуть з ладу.
Щоб таке не відбулося, необхідно після закінчення одного імпульсу і до початку наступного - пройшов якийсь певний час, достатній для надійного закриття вихідного транзистора, з входу якого знятий керуючий сигнал.
Цей час і називається "мертвим" часом.

Так, ще якщо подивитися малюнок зі складом мікросхеми, то бачимо, що висновок 4 з'єднаний з входом компаратора регулювання мертвим часом (DA1) через джерело напруги, величиною 0,1-0,12 В. Для чого це зроблено?
Це якраз і зроблено для того, щоб максимальна ширина (шпаровість) вихідних імпульсів ніколи не дорівнювала 100%, для забезпечення безпечної роботи вихідних (вихідного) транзисторів.
Тобто якщо "посадити" висновок 4 на загальний провід, то на вході компаратора DA1 все одно не буде нульової напруги, а буде напруга саме цієї величини (0,1-0,12) і імпульси з генератора пилкоподібної напруги (ГПН) з'являться на виході мікросхеми тільки тоді, коли їхня амплітуда на виведенні 5 перевищить цю напругу. Тобто, мікросхема має фіксований максимальний поріг шпаруватості вихідних імпульсів, який не перевищить для однотактного режиму роботи вихідного каскаду 95-96%, і для двотактного режиму роботи вихідного каскаду – 47,5-48%.

Це висновок ГПН, він призначений для підключення до нього конденсатора, що задає час Ct, другий кінець якого приєднується до загального проводу. Місткість його вибирається зазвичай від 0,01 мкФ до 0,1 мкФ, залежно від вихідної частоти ГПН імпульсів ШІМ-контролера. Як правило, тут використовуються конденсатори високої якості.
Вихідну частоту ДПН можна контролювати на цьому висновку. Розмах вихідної напруги генератора (амплітуда вихідних імпульсів) десь у районі 3-х вольт.

Теж висновок ДПН, призначений для підключення до нього резистора Rt, що вчасно-задає, другий кінець якого приєднується до загального проводу.
Величини Rt і Ct визначають вихідну частоту ДПН і розраховуються за формулою для однотактного режиму роботи;

Для двотактного режиму роботи формула має такий вигляд;

Для ШІМ-контролерів інших фірм частота розраховується за такою ж формулою, за винятком – цифру 1 необхідно буде поміняти на 1,1.

Він приєднується до загального дроту схеми пристрою на ШІМ-контролері.

У складі мікросхеми є вихідний каскад із двома вихідними транзисторами, які є її вихідними ключами. Висновки колекторів та емітерів цих транзисторів вільні, і тому залежно від необхідності, ці транзистори можна включати до схеми для роботи як із загальним емітером, так і із загальним колектором.
Залежно від напруги на виводі 13 цей вихідний каскад може працювати як в двотактному режимі роботи, так і в однотактному. В однотактному режимі роботи ці транзистори можна з'єднувати паралельно збільшення струму навантаження, що зазвичай роблять.
Так ось, висновок 8, це висновок колектора 1 транзистора.

Це висновок емітера транзистора 1.

Це висновок емітера транзистора 2.

Це колектор транзистора 2.

До цього висновку приєднується плюс джерела живлення TL494CN.

Це висновок вибору режиму роботи вихідного каскаду. Якщо цей висновок підключити до спільного дроту, вихідний каскад працюватиме однотактному режимі. Вихідні сигнали на виводах транзисторних ключів будуть однаковими.
Якщо подати цей висновок напруга +5 (з'єднати між собою висновки 13 і 14), вихідні ключі працюватимуть у двотактному режимі. Вихідні сигнали на висновках транзисторних ключів будуть протифазними і частота вихідних імпульсів буде вдвічі меншою.

Це вихід стабільного Джерела Опорної Напруги (ІОН), З вихідною напругою +5 В і вихідним струмом до 10 мА, яке може бути використане як зразкове для порівняння в підсилювачах помилки, та в інших цілях.

Він працює так само, як і висновок 2. Якщо другий підсилювач помилки не використовується, то висновок 15 просто підключають до 14-го виводу (опорна напруга +5).

Він працює так само, як і висновок 1. Якщо другий підсилювач помилки не використовується, його зазвичай підключають до загального проводу (висновок 7).
З висновком 15, підключеним до +5 і висновком 16, підключеним до загального дроту, вихідна напруга другого підсилювача відсутня, тому він не впливає на роботу мікросхеми.

Відмінні риси імпульсних і лінійних БП.

Істотною перевагою імпульсних джерел живлення перед лінійними є добрий ККД (близько 90%)

Давайте розглянемо структуру будь-якого ШІМ-контролера. Хоча у своєму величезному сімействі різні ШІМ-и і мають додаткові функціональні особливості, але все ж вони всі схожі.

Заглянувши в мікросхему, ми побачимо напівпровідниковий кристал, у якому знаходяться такі функціональні складові:

1. Генератор послідовних імпульсів.
2. Джерело опорної напруги.
3. Схема зворотний зв'язок (ОС), підсилювач помилки.
4. Генератор прямокутних імпульсів, що керує транзисторами, які у свою чергу комутують силові ключові каскади.

Кількість цих ключів залежить від призначення самого ШІМ-контролера. Наприклад, прості зворотноходові схеми побудовані на 1-му силовому ключі, підлозі мостові на 2-х, а мостові перетворювачі на 4-х ключах.

Вибираючи ШІМ-контролер необхідно виходити з того, який ключ використовується.Наприклад, якщо в блоці живлення як вихідний каскад стоїть біполярний транзистор, то підійде більша частина контролерів. Пов'язано це з тим, що керувати таким силовим ключем досить просто – подаючи імпульси на базу транзистора, ми відкриваємо та закриваємо його.

А ось якщо ми використовуватимемо польові транзистори з ізольованим затвором (MOSFET) або IGBT транзистори, то тут вже трохи складніше. Вихідний транзистор-ключ мало того, що потрібно відкрити - шляхом заряду затвора, так нам його ще треба і закрити, природно розряджаючи затвор ключа. Для таких схем використовуються відповідні ШІМ-контролери. У них на виході стоїть 2 транзистори – один заряджає затвор ключа, а інший розряджає, замикаючи його на землю.

Arduino та ШІМ

В уроці про функції часу я розповідав, що мікроконтролер має так звані лічильники, які вважають “стусани” від тактового генератора (кварцу). Дані лічильники таки генерують ШИМ сигнал, тобто. саме обчислювальне ядро ​​мікроконтролера у цьому бере участь. Крім розрахунків, навіть виведення сигналу з ноги МК лягає на плечі лічильника. Це дуже важливо розуміти, тому що ШІМ сигнал не гальмує виконання коду, тому що його генерацією займається буквально інша залізниця.

На платах UNO/Nano/Pro Mini у нас є три таймери-лічильники, у кожного таймера є по два виходи на піни МК, тобто у нас є 2*3=6 пінів, здатних генерувати ШІМ сигнал. Для генерації ШІМ ми маємо готову функцію analogWrite(pin, duty)

• pin - пін, що є виведенням таймера. Для Нано/Уно це піни D3, D5, D6, D9, D10, D11. На деяких платах вони позначені зірочкою, а взагалі для визначення ШІМ пінів на будь-якій іншій моделі Ардуїно достатньо загуглити розпинування
• duty - заповнення ШИМ сигналу. За замовчуванням всі "виходи" ШІМ у нас 8-бітні, тобто duty може набувати значення з "роздільною здатністю" 8 біт, а це 0-255

Поєднаємо ці знання з минулим уроком та спробуємо змінювати яскравість світлодіода, підключеного через резистор до піна D3. Потенціометр підключений до піна A0

Розглянутий приклад змінює яскравість світлодіода залежно від положення ручки потенціометра.

Пару слів про “стандартний” ШИМ сигнал – ми отримуємо його з такими налаштуваннями, які нам дає бібліотека Arduino.h, а ці налаштування сильно занижені в порівнянні з можливостями Arduino. Про "покращення" ШІМ ми поговоримо пізніше, а зараз давайте глянемо на характеристики ШІМ "з коробки":

Це дуже плачевні цифри, особливо за частотою. Всі таймери наведені під одну гребінку, щоб користувач не думав, не гадав і зайву документацію не вивчав. До зміни частоти та розрядності ШІМ ми повернемося в окремому уроці, а поки що можете переглянути цей урок у відео варіанті.

ШІМ 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. Про це можна почитати у відповідній статті на нашому порталі (незабаром буде).

Основні проблеми ШІМ-перетворювачів

При роботі будь-якого пристрою повністю виключити ймовірність поломки неможливо, і це теж стосується перетворювачів. Складність конструкції при цьому не має значення, проблеми в експлуатації може викликати навіть відомий контролер ШИМ TL494. Несправності мають різну природу – деякі з них можна виявити на око, а для виявлення інших потрібне спеціальне вимірювальне обладнання.

Щоб дізнатися, як перевірити ШІМ-контролер, слід ознайомитись зі списком основних несправностей приладів, а лише пізніше – з варіантами їх усунення.

Діагностика несправностей

Одна з найпоширеніших проблем – пробою ключових транзисторів. Результати можна побачити не тільки при спробі запуску пристрою, але і при обстеженні за допомогою мультиметра.

Крім того, існують інші несправності, які дещо складніше виявити. Перед тим як перевірити ШІМ-контролер безпосередньо, можна розглянути найпоширеніші випадки поломок. Наприклад:

• Контролер глухне після старту - обрив петлі ОС, перепад по струму, проблеми з конденсатором на виході фільтра (якщо є), драйвером; можливо, розладналося управління ШІМ-контролером.Треба оглянути пристрій на предмет сколів та деформацій, заміряти показники навантаження та порівняти їх із типовими.
• ШИМ-контролер не стартує - відсутня одна з вхідних напруг або пристрій несправно.
• Напруга на виході відрізняється від номінального - проблеми з петлею ООС або з контролером.
• Після старту ШІМ на БП іде на захист за відсутності КЗ на ключах - некоректна робота ШІМ або драйверів.
• Нестабільна робота плати, наявність дивних звуків – обрив петлі ООС чи ланцюжка RC, деградація ємності фільтра.

Як зробити пристрій керування своїми руками

Виготовлення пристрою своїми руками доступне тільки тим, хто має деякі навички роботи з паяльником, може впевнено читати схеми і взагалі має хоча б загальне уявлення про електротехніку і принципи роботи електронних пристроїв. такого майстра в безвихідь.

Розрахунок контролера

Цей момент досить складний і найчастіше виконується не стільки саме шляхом розрахунків, скільки припасуванням параметрів баластного регулятора до наявних характеристик вітрогенератора Справа в тому, що кожен пристрій має власні робочі показники, невідповідність яким не дозволить контролеру якісно виконувати свої функції. потрібно 12 вольт для початку зарядки, а контролер зібраний на 24, то така система просто не зможе працювати.

Для розрахунку контролера треба зняти всі робочі показники з генератора, тобто.перевірити вітряк із встановленим генератором на продуктивність у різних режимах роботи — на слабких, середніх та сильних вітрах. Врахувати переважну швидкість потоку, коли пристрій буде працювати практично весь час. На підставі цих даних вибирається напруга, при якому відкривається транзистор, що перемикає пристрій з одного режиму на інший і навпаки.

Підготовчі роботи

Перш ніж приступити до збирання, треба приготувати всі необхідні деталі, ретельно перевірити їх номінал. Потрібні інструменти та матеріали:

• паяльник
• припій, каніфоль
• пасатижі з вузькими губками
• пінцет
• сполучний провід (в ідеалі – двох кольорів)
• друкована плата чи монтажна панель

Створення друкованої плати – непростий процес, що вимагає наявності певних пристроїв, хімікатів та пластини фольгованого гетинаксу. Простіше використовувати готову монтажну панель або звичайну пластину із фанери, пластику або інших листових матеріалів. Ретельно продумати розміщення всіх елементів пластини. Рекомендується поєднувати їх за категоріями, щоб усі однотипні деталі були згруповані в одних місцях, так буде простіше орієнтуватися під час ремонтних робіт.

Необхідно передбачити світлову сигналізацію, що свідчить про поточний режим роботи пристрою, щоб при першому погляді було відразу видно, завантаження або віддача енергії відбувається в даний момент.

Складання пристрою

При належній підготовці та наявності всіх необхідних деталей процес збирання особливих проблем не викликає. Основне завдання - правильне з'єднання всіх елементів відповідно до схеми.При акуратному та уважному складанні пристрій буде виконувати поставлене завдання цілком якісно, ​​головне, щоб усі деталі були справними та відповідали заявленим номіналам.

Схемні рішення для збирання своїми руками

За час з появи перших саморобних вітряків кількість схемних рішень контролерів зросла багаторазово. Багато схемних розробок далеко не досконалі, але є і такі варіанти, на які слід звернути увагу.

Для побутового застосування, звичайно ж, актуальними є прості схеми, що потребують невеликих фінансових вкладень, ефективні та надійні.

Відштовхуючись від цих вимог, можна почати з контролера для вітрогенератора, створеного на базі реле-регуляторів автомобілів. У схемі застосовні як реле з мінусовим керуючим контактом, так і реле з плюсовим керуючим контактом.

Цей варіант приваблює малою кількістю деталей та найпростішим монтажем. Потрібно лише одне реле, один силовий транзистор (польовий), один резистор.

Схема контролера, викреслена якимось електронником своїми руками. Тут все просто і зрозуміло без зайвих слів. Власне, як і в технологічності рішення. Мінімум деталей – максимум заощаджень (+)

Схема зветься «баластова», тому що в ній використовується додаткове навантаження у вигляді звичайної лампочки розжарювання. Таким чином, список деталей поповниться ще одним елементом лампою.

Використовується автомобільна лампа (або кілька ламп) на 12 вольт, залежно від потужності системи. Також замість цього елемента можна застосовувати навантажувальний опір іншого типу: потужний резистор, електронагрівач, вентилятор і т.п.

Робота «балласної» схеми з мінусом

Дія автомобільного реле-регулятора безпосередньо з рівнем заряду акумуляторної батареї. Якщо напруга на клемах АКБ піднімається вище 14.2 вольт, реле спрацьовує та розмикає мінусовий ланцюг силового транзистора.

У свою чергу, на транзисторі відкривається перехід, що підключає лампу прямого розжарення до акумулятора. У результаті зарядний струм скидається через нитку лампи розжарювання. При зниженні напруги на клемах АКБ – зворотний процес. Так здійснюється підтримка стабільного рівня напруги батареї.

Як діє «балласна» схема з плюсом

Злегка модернізованим варіантом «балласного» контролера заряду для вітряка є друга схема на реле-регуляторі з плюсовим контактом, що управляє. Наприклад, підійдуть реле від автомобілів марки "ВАЗ".

На відміну від попередньої схеми – застосування твердотільного реле, наприклад, GTH6048ZA2 на струм 60A замість транзистора. Переваги очевидні: схема виглядає ще простіше і при цьому має більшу надійність та ефективність.

Ще одне найпростіше схемотехнічне рішення під збирання контролера заряду АКБ вітрогенератора. Ефективність та надійність схеми підвищується за рахунок застосування в ній твердотільного реле (+)

Особливість цього простого рішення - пряме підключення на клеми акумулятора вітряного генератора. Провідники контролера заряду теж посаджені безпосередньо на контакти акумулятора.

За фактом обидві частини схеми ніяк не пов'язані між собою. Напруга з вітрогенератора подається на батарею постійно. Коли напруга на клемах АКБ досягає значення 14.2 Вт, реле твердотіль підключає навантаження для скидання. Так акумулятор захищається пристроєм від перезаряджання.

Тут баластним навантаженням може бути не тільки лампа розжарювання. Цілком реально підключити будь-який інший пристрій, розрахований на струм до 60 А. Наприклад, трубчастий електричний нагрівач.

Що ще важливо в цій схемі - дія твердотільного реле характеризується амплітудою, що плавно наростає. По суті, є ефект професійно виготовленого ШІМ-контролера.

Ускладнений варіант схеми контролера

Якщо попередній варіант схемного рішення контролера заряду АКБ тільки нагадує пристрій ШІМ (широтно-імпульсна модуляція), тут цей принцип реалізується безпосередньо.

Ця схема контролера для вітряка з трифазним генератором відрізняється деякими складнощами, оскільки передбачає використання мікросхем - зокрема операційних підсилювачів на польових транзисторах у складі TL084.

Однак на монтажній платі все виглядає не так складно, як на паперовому аркуші.

Схемне рішення для складання контролера своїми руками, де використовується мікроскладання TL084. Принцип роботи також побудований із застосуванням реле для перемикання режимів, але є можливість регулювати точки відсічення (+)

Так само, як і в попередніх рішеннях, використовується реле як комутаційний елемент для баластного навантаження. Реле розраховане на роботу з 12-вольтовим акумулятором, але за бажанням можна підібрати модель на 24 Вт.

Баластний резистор зроблений у вигляді потужного опору (намотка на кераміці ніхром). Для регулювання робочого діапазону напруги (11.5-18 Вт) у схемі використовуються змінні резистори, включені в ланцюг управління мікроелектронної збірки TL084.

Працює такий контролер заряду акумулятора вітряка в такий спосіб. Трьохфазний струм, отриманий від вітрогенератора, випрямляється силовими діодами.

На виході діодного моста утворюється постійна напруга, яка подається на вхід схеми через контакти реле, додатковий діод, акумулятор і далі на схему внутрішньосхемний стабілізатор (78L08) і на вхід збірки TL084.

Момент перемикання тригера один із станів визначається значеннями змінних резисторів (Low V і High V) нижнього і верхнього порога напруг.

Поки на клемах акумуляторної батареї є напруга, що не перевищує 14.2 вольта (задовольняє значення налаштування R High V), виконується заряд. Як тільки значення змінюються у бік збільшення, операційний підсилювач TL084 подає сигнал на базу транзистора, яким керується реле.

Реалізований своїми руками продукт за схемою з мікроскладанням TL084. Все дуже просто, навіть замість якісної друкованої плати обрано плату під навісний монтаж. Такими моментами завжди радують саморобні конструкції.

Відбувається спрацьовування реле, ланцюг живлення схеми розривається та замикається на баластовий резистор. Скидання баласту відбувається до моменту розряду акумулятора, близького до значення налаштування змінного резистора Low V.

Як тільки цього значення досягнуто, другим операційним підсилювачем TL084 схема перемикається у зворотний стан. Так здійснюється робота контролера.

У чому різниця між шим і шир

На Заході поняття широтно-імпульсного регулювання ШИР і ШІМ мало відрізняються. Однак у нас між ними все ж таки існує різниця. У багатьох мікросхемах реалізований принцип ШІР, проте при цьому вони однаково називаються ШІМ контролери. Таким чином, відмінностей у назві цих двох способів практично немає.

Єдина відмінність між ШИР і ШІМ - при ШИР час імпульсу та паузи постійні. А при ШІМ їх тривалості змінюються, що дозволяє сформувати вихідний ШІМ сигнал заданої форми.

• https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-shim
• https://a-golubev.ru/tehnologii/shim-kontroller-chto-za-zver-takoj.html
• https://www.syl.ru/article/181948/new_shim-kontroller-shema-printsip-rabotyi-upravlenie
• https://ledjournal.info/spravochnik/shirotno-impulsnaya-modulyaciya.html
• https://prosvetodiod.ru/informatsiya-ob-osveshhenii/chto-takoe-shim-shirotno-impulsnaya-modulyatsiya
• https://favourite-svet.ru/elektroprovodka/kak-rabotaet-shim-kontroller.html
• https://set-os.ru/chto-takoe-shim-kontroller-pwm/
• http://vprl.ru/publ/tekhnologii/nachinajushhim/tl494_chto_ehto_za_zver_takoj/9-1-0-151
• https://alexgyver.ru/lessons/pwm-signal/
• https://robotclass.ru/tutorials/pwm/
• https://instanko.ru/elektroinstrument/shim-kontroller-chto-eto-takoe.html
• https://ToolProkat43.ru/svoimi-rukami/shim-kontroller-svoimi.html