ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Примером линейного способа может послужить . При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ . В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation .

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 .

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.

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему .

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Дорогой Бобот, не мог бы ты немного побольше рассказать об импульсах?

Хорошо, что ты попросил, дружище Бибот. Так как именно импульсы являются главными носителями информации в цифровой электронике, поэтому очень важно знать разные характеристики импульсов. Начнём, пожалуй, с одиночного импульса.

Электрический импульс - это всплеск напряжения или тока в определённом и конечном промежутке времени.

Импульс всегда имеет начало (передний фронт) и конец (спад).
Ты уже наверняка знаешь, что в цифровой электронике все сигналы могут быть представлены всего двумя уровнями напряжения: "логической единицей" и "логическим нулём". Это всего лишь условные величины напряжения. "Логической единице" приписывается высокий уровень напряжения, обычно около 2-3 вольт, "логическим нулём" считается близкое к нулю напряжение. Цифровые импульсы графически изображаются прямоугольными или трапециевидными по форме:

Главной величиной одиночного импульса является его длина. Длина импульса - это отрезок времени, в течение которого рассматриваемый логический уровень имеет одно устойчивое состояние. На рисунке латинской буквой t отмечена длина импульса высокого уровня, то есть логической "1". Длина импульса измеряется в секундах, но чаще в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и даже наносекундах (нс). Одна наносекунда - это очень короткий отрезок времени!
Запомни: 1 мс = 0,001 сек.
1 мкс = 0,000001 сек
1 нс = 0,000000001 сек
Применяются также англоязычные сокращения: ms - миллисекунда, μs - микросекунда, ns - наносекунда.

За одну наносекунду я даже пикнуть не успею!
Скажи, Бобот, а что произойдёт, если импульсов будет много?

Хороший вопрос, Бибот! Чем больше импульсов, тем больше информации можно ими передать. У множества импульсов появляется много характеристик. Самая простая - частота следования импульсов.
Частота следования импульсов - это количество полных импульсов в единицу времени. За единицу времени принято брать одну секунду. Единицей измерения частоты является герц, по имени немецкого физика Генриха Герца . Один герц - это регистрация одного полного импульса за одну секунду. Если произойдёт тысяча колебаний в секунду будет 1000 герц, или сокращённо 1000 Гц, что равно 1 килогерцу, 1 кГц. Можно встретить и англоязычное сокращение: Hz - Гц. Частота обозначается буквой F .

Существуют ещё несколько характеристик, которые проявляются только при участии двух и более импульсов. Одним из таких важных параметров импульсной последовательности является период.
Период импульсов - это промежуток времени, между двумя характерными точками двух соседних импульсов. Обычно период измеряют между двух фронтов или двух спадов соседних импульсов и обозначают заглавной латинской буквой T .

Период следования импульсов напрямую связан с частотой импульсной последовательности, и его можно вычислить по формуле: T=1/F
Если длина импульса t точно равна половине периода T , то такой сигнал часто называют "меандр ".

Скважностью импульсов называется отношение периода следования импульсов к их длительности и обозначается буквой S: S=T/t Скважность - безразмерная величина и не имеет единиц измерения, но может быть выражена в процентах. Часто в англоязычных текстах встречается термин Duty cycle, это так называемый коэффициент заполнения.
Коэффициент заполнения D является величиной, обратной скважности. Коэффициент заполнения обычно выражается в процентах и вычисляется по формуле: D=1/S

Дорогой Бобот, так много разного и интересного у простых импульсов! Но потихоньку я уже начинаю путаться.

Дружище, Бибот, это ты верно заметил, импульсы - не так уж и просты! Но осталось совсем чуть-чуть.

Если ты меня внимательно слушал, то ты мог заметить, что если увеличивать или уменьшать длину импульса и при этом на столько же уменьшать или увеличивать паузу между импульсами, то период следования импульсов и частота останется неизменной! Это очень важный факт, который нам ещё не раз понадобится в будущем.

Но сейчас ещё хочется добавить другие способы передачи информации с помощью импульсов.
Например, можно несколько импульсов объединить в группы. Такие группы с паузами определённой длины между ними называют пачками или пакетами. Генерируя разное число импульсов в группе и варьируя его, можно также передавать какую-либо информацию.

Для передачи информации в цифровой электронике (ещё её называют дискретной электроникой) можно использовать два и более проводников или каналов с разными импульсными сигналами. При этом информация передаётся с учётом определённых правил. Такой метод позволяет заметно увеличить скорость передачи информации или добавляет возможность управлением потоком информации между различными схемами.

Перечисленные возможности передачи информации с помощью импульсов могут быть использованы как сами по себе раздельно, так и в комбинации между собой.
Существуют также множество стандартов передачи информации с помощью импульсов, например I2C, SPI, CAN, USB, LPT.

Классическая схема широтно-импульсного модуля управления 12-ти вольтовой нагрузкой, схема собрана на основе таймера 555 и полевого транзистора.

Для небольшого настольного станка с 12 В питанием, что купил недавно на Али, понадобился модуль регулятора скорости вращения двигателя. В общем решил сделать свою собственную схему, так как снова заказывать этот блок не хотелось, до и дорого будет готовый брать.

Схема ШИМ контроллера 12В

• Регулятор скорости мотора;
• Светодиодный диммер подсветки;
• Регулятор тепла для нагреваемого провода;
• Регулятор напряжения для электролитического травления и т. д.

Все запчасти могут куплены за копейки, или выпаяны со старых плат с деталями. Далее список радиодеталей для сборки схемы:

Детали для регулятора

• 1 х 0,01 мкФ керамический конденсатор
• 1 х 0.1 мкФ керамический конденсатор
• 2 х 1N4001 выпрямительные диоды
• 1 х 1N4004 выпрямительный диод
• 1 х IRF530 100 В 14 А полевой транзистор
• 1 х 100 Ом резистор
• 1 х 1 кОм резистор
• 1 х NE555 таймер
• 1 x 8-контактный разъем под м/с
• 1 х 100 кОм потенциометр
• 1 х 70 х 100 односторонняя ПП

Любой радиолюбитель, начинающий телемастер или электрик рано или поздно столкнётся с такой штукой, как ШИМ-контроллер. За рубежом он маркируется как PWM. Поэтому сегодня я хочу остановиться на вопросе что такое ШИМ-контроллер, как он работает и для чего нужен. Даже если Вы не планируете заниматься ремонтом электронной техники, всё равно эта статья будет интересна для общего ознакомления.

Широтно-импульсный модулятор — принцип работы

Аббревиатура ШИМ расшифровывается, как широтно-импульсный модулятор. На английском это будет так — pulse-width modulation или PWM. В теле- и радио-технике ШИМ-контроллеры используются для преобразования напряжения, их можно встетить даже в качестве узлов системы управления скоростью электроприводов в бытовых приборах, меняя скорость электродвигателя. PWM-контроллер есть даже в обычных импульсных блоках питания.

Там постоянное напряжение на входе преобразуется в импульсы прямоугольной формы, которые формируются с определенной частотой и с определённой скважностью. На выходе, с помощью управляющих сигналов, получается регулировать работу целого транзисторного модуля большой мощности. Таким образом разработчики получили блок управления напряжением регулируемого типа, который значительно меньше и удобнее старых, которые используют понижающий трансформатор, диодный мост и фильтр помех.

Главные плюсы ШИМ:

Маленькие габариты; - отличное быстродействие; - высокая надёжность; - низкая стоимость.

В Интернете Вы можете встретить ШИМ-контроллер на Arduino или NE555. Это не совсем контроллер, а скорее уже генератор ШИМ-импульсов, в которых нет возможности подключения цепи обратной связи. Такие устройства подходят больше для регуляторов напряжения, чем для обеспечения стабильного питания приборов, ведь они могут использоваться только для регулирования выходных параметров, но не для их стабилизации.

Выходы ШИМ-контроллера

Стандартная схема ШИМ-контроллера, который используется в теле-, радио- и иной электронной аппаратуре, характеризуется наличием нескольких выходов.

Общий вывод (GND) — контакт подключается к общему проводу схемы питания контролера. Он соединен с аналогичным контактом схемы подачи питания модуля и контроллирует напряжение на выходе схемы, отключая ее при снижении значения ниже пороговой величины.

Вывод питания (VC) — этот вывод ШИМ-контроллера отвечает за энергоснабжение схемы и подключение питания. Как правило, вывод контроля питания и вывод питания располагаются рядом друг с другом. Не перепутайте его с выводом VCC.

Вывод контроля питания (VCC) — следит, чтобы напряжение питания микросхемы было выше определенного значения. Обычно этот контакт соединяют с VC. Если напряжение на этом выводе падает ниже заданного порогового значения для данного PWM-контроллера, то контроллер выключается. Если этого не делать, то при снижении напряжение на выходе схемы, то транзисторы начнут открываться не полностью и будут быстро нагреваться, что приведёт к поломке.

Выход контроллера OUT – это выходное управляющее напряжение, другими словами отсюда подаётся управляющий ШИМ-сигнал для силовых ключей. Тут надо отметить, что микросхемы бывают разные. Например, есть с друмя выходами — двухтактные, которые применяются для управления двухплечевыми каскадами. Да и сам выходной каскад может быть одно- и двухтактным. Тут главное не запутаться!

Вывод VREF — Опорное напряжение. Обеспечивает работу функции формирования стабильно опорного напряжения. Как правило, екомендуется соединять его с общим проводом конденсатором 1 мкФ для повышения качества и стабильности опорного напряжения.

Вывод ILIM — Ограничитель выходного тока. Это сигнал с датчика тока. Если напряжение на этом выводе превышает заданный порог (как правило, это 1 Вольт), то ШИМ-контроллер закрывает силовые ключи. Если же превышается ещё больший порог (обычно 1.5 Вольта), то PWM-контроллер сбрасывает напряжение на ножке мягкого старта и импульсы на выходе прекращаются.

Вывод ILIMREF — задаёт значение ограничения выходного тока на выводе ILIM.

Вывод SS — так называемый «мягкий старт». Напряжение на этом контакте ограничивает максимально возможную ширину импульсов. Сюда ШИМ-контроллер подает ток фиксированной силы.

Вывод RtCt – используется для подключения времязадающей RC-цепи, используемой для определения частоты ШИМ-сигнала.

Вывод RAMP – это ввод сравнения. Рабоает это так. На контакт подаётся пилообразное напряжение. Как только оно превышает значение напряжение на выходе усиления ошибки, вывод OUT появляется отключающий сигнал. Это основа ШИМ-регулирования.

Вывод CLOCK – тактовые импульсы. Используются для синхронизации между собой сразу нескольких ШИМ-контроллеров. В этом случае RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, RT ведомых соединяется с Vref, а CT ведомых соединяюся с общим.

Вывод INV — это инвертирующий вход компаратора. На нём построен усилитель ошибки. Чем больше напряжение на INV, тем длиннее выходные импульсы.

Вывод NONINV – это неинвертирующий вход компаратора. Его обычно подключают к общему проводу — GND.

Вывод EAOUT — выход усилителя ошибки — Error Amplifier Output. С этого вывода осуществляется частотная коррекция усилителя ошибки, путём подачи сигналов на INV через частотозависимые цепи. Дело в том, что PWM-контроллер достаточно медленно реагирует на воздействие через вход усилителя ошибки и потому схема может сгореть из-за возбуждения. Поэтому и применяется вывод EAOUT.

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:

ШИМ или в английском PWM (Pulse-Width Modulation) широтно-импульсная модуляция - способ используемый для контроля величины напряжения и тока. Принцип действия ШИМ состоит в изменении ширины импульса постоянной амплитуды при постоянной частоте.

Принципы ШИМ регулирования получили широкое распространение в импульсных преобразователях, в , яркостью свечения светодиодов и т.п.

Принцип действия состоит в изменении ширины импульса сигнала. При использовании способа широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда будут всегда постоянными. Важнейшим параметром сигнала ШИМ считают коэффициент заполнения, который можно вычислить по формуле.

где T = T ON + T OFF ; T ON - время высокого уровня; TOFF - время низкого уровня; T - период сигнала

Время высокого уровня и низкого уровня сигнала показано на рисунке выше. Остается добавить, то что U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть амплитуда.

Допустим у нас имеется ШИМ сигнал с заданным временным интервалом высокого и низкого уровня, смотри рисунок:

Подставив в формулу коэффициента заполнения ШИМ имеющиеся данные получим: 300/800=0,375. Для того чтобы узнать процентный коэффициент заполнения требуется результат умножить еще на 100%, т.е К ω% = 37,5% . Коэффициент заполнения это абстрактное значение.

Еще одним важнейшим параметром ШИМ считается также частота сигнала, которая определяется по известной формуле:

f=1/T=1/0,8=1,25 Гц

Благодаря возможности настройки ширины импульса можно регулировать среднее значение напряжения. На рисунке приведены различные коэффициенты заполнения при одной и той же частоте и амплитуды.

Для нахождения среднего значения напряжения ШИМ требуется коэффициент заполнения 37,5% и амплитуда 12 В:

U sr =К ω ×U 1 =0,375×12=4,5 Вольта

ШИМ позволяет понижать напряжение в интервале от U 1 и до 0. Это свойство часто используется в , или скорости вращения вала двигателя постоянного тока.

Сигнал ШИМ в электронике формируют с помощью микроконтроллера или какой-либо аналоговой схемой. Сигнал от них должен быть низкого уровня напряжения и очень малым током на выходе схемы. В случае если необходимо управление мощной нагрузкой, можно использовать типовую систему управления, с помощью биполярного или .

Сигнал ШИМ следует на базу транзистора через сопротивление R1, поэтому VT1 с изменением сигнала то открывается, то запирается. Если транзистор открыт, светодиод горит. А в момент времени, когда транзистор запирается, и светодиод тухнет. Если частота сигнала мала, то получим мигающий светодиод. При частоте от 50 Гц мигания уже не незаметны человеческим глазом, и мы видим эффект снижения яркости свечения. Чем ниже значение коэффициента заполнения, тем слабее будет гореть светодиод.

Этот же принцип и похожую электронную схему можно применить и в случае управления двигателем постоянного тока, но частота должна быть на порядок выше (15-20 кГц) по двум основным причинам.

При более низких частотах двигатель может издавать ужасный писк, вызывающий раздражение.
Ну и от частоты зависит стабильность работы двигателя. При управлении низкочастотным сигналом с низким коэффициентом заполнения, обороты будут нестабильны и он может даже полностью остановиться. Поэтому, с ростом частоты сигнала ШИМ, растет стабильность среднего выходного напряжения и снижаются пульсации напряжения. Однако, есть предел по частоте, т.к при больших частотах полупроводниковый прибор может не успеть полностью переключиться, и схема управления будет работать с ошибками. Кроме того высокая частота ШИМ сигнала также увеличивает потери на транзисторе. Управляя двигателем на высоких частотах желательно использовать быстродействующий полупроводник с низким сопротивлением проводимости.

Ниже рассмотрим реальную рабочую схему на операционном усилителе

Регулируя величину напряжения на неинвертирующем входе ОУ можно задаватьтребуюмую величину выходного напряжения. Поэтому, эту схему можно использовать в роли регулятора тока или напряжения или в роли регулятора оборотов двигателя постоянного тока.

Схема проста и надежна, состоит из доступных радиоэлементов и при правильной сборке сразу начнет работать. В роли управляющего ключа взят мощный полевой n- канальный транзистор.

Главная » Стройматериалы » ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция