Шим управляемый напряжением. ШИМ — широтно-импульсная модуляция. Принцип действия ШИМ

Сам принцип широтно-импульсного моделирования (ШИМ) известен уже давно, но применяться в различных схемах он стал относительно недавно. Он является ключевым моментом для работы многих устройств, используемых в различных сферах: источники бесперебойного питания различной мощности, частотные преобразователи, системы регулирования напряжения, тока или оборотов, лабораторные преобразователи частоты и т.д. Он прекрасно показал себя в автомобилестроении и на производстве в качестве элемента для управления работой как сервисных, так и мощных электродвигателей. ШИМ-регулятор хорошо зарекомендовал себя при работе в различных цепях.

Давайте рассмотрим несколько практических примеров, показывающих, как можно регулировать скорость вращения электродвигателя с помощью электронных схем, в состав которых входит ШИМ-регулятор. Предположим, что вам необходимо изменить обороты электродвигателя в системе отопления салона вашего автомобиля. Достаточно полезное усовершенствование, не правда ли? Особенно в межсезонье, когда хочется регулировать температуру в салоне плавно. Двигатель постоянного тока, установленный в этой системе, позволяет изменять обороты, но необходимо повлиять на его ЭДС. С помощью современных электронных элементов эту задачу легко выполнить. Для этого в двигателя включается мощный полевой транзистор. Управляет им, как вы уже догадались, ШИМ- С его помощью можно менять обороты электродвигателя в широких пределах.

Каким образом работает ШИМ-регулятор в цепях В этом случае используется несколько иная схема регулирования, но принцип работы остается тем же. В качестве примера можно рассмотреть работу частотного преобразователя. Такие устройства широко применяются на производстве для регулирования скорости двигателей. Для начала трехфазное напряжение выпрямляется с помощью моста Ларионова и частично сглаживается. И только после этого подается на мощную двуполярную сборку или модуль на базе полевых транзисторов. Управляет же им собранный на базе микроконтроллера. Он и формирует контрольные импульсы, их ширину и частоту, необходимую для формирования определенной скорости электродвигателя.

К сожалению, помимо хороших эксплуатационных характеристик, в схемах, где используется ШИМ-регулятор обычно появляются сильные помехи в силовой цепи. Это связано с наличием индуктивности в обмотках электродвигателей и самой линии. Борются с этим самыми разнообразными схемными решениями: устанавливают мощные сетевые фильтры в цепях переменного тока или ставят обратный диод параллельно двигателю в цепях постоянного электропитания.

Такие схемы отличаются достаточно высокой надежностью в работе и являются инновационными в сфере управления электроприводами различной мощности. Они достаточно компактны и хорошо управляемы. Последние модификации таких устройств широко применяются на производстве.

С аналоговым интегральным таймером SE555/NE555 (КР1006), выпускаемым компанией Signetics Corporation с далекого 1971 года прекрасно знакомо большинство советских и зарубежных радиолюбителей. Трудно перечислить, для каких только целей не использовалась эта недорогая, но многофункциональная микросхема за почти полувековой период своего существования. Однако, даже несмотря на быстрое развитие электронной промышленности в последние годы, она по-прежнему продолжает пользоваться популярностью и выпускается в значительных объемах.
Предлагаемая Jericho Uno простенькая схемка автомобильного ШИМ-регулятора – не профессиональная, полностью отлаженная разработка, отличающаяся своей безопасностью и надежностью. Это всего лишь небольшой дешевый эксперимент, собранный на доступных бюджетных деталях и вполне удовлетворяющий минимальным требованиям. Поэтому его разработчик не берет на себя ответственности за все то, что может произойти с вашим оборудованием при эксплуатации смоделированной схемы.

Схема ШИМ регулятор на NE555

Для создания ШИМ-устройства вам понадобится:

электропаяльник;
микросхема NE555;
переменный резистор на 100 кОм;
резисторы на 47 Ом и 1 кОм по 0,5W;
конденсатор на 0,1 мкФ;
два диода 1N4148 (КД522Б).

Пошаговая сборка аналоговой схемы

Построение цепи начинаем с установки перемычек на микросхему. Используя паяльник, замыкаем между собой следующие контакты таймера: 2 и 6, 4 и 8.

Дальше, руководствуясь направлением движения электронов, распаиваем на переменном резисторе «плечи» диодного моста (проход тока в одну сторону). Номиналы диодов подобраны из имеющихся в наличие, недорогих. Можно заменить их любыми другими – это практически не повлияет на работу схемы.

Во избежание короткого замыкания и перегорания микросхемы при выкручивании переменного резистора в крайнее положение, ставим по питанию шунтирующее сопротивление в 1 кОм (контакты 7-8).

Поскольку NE555 выступает в роли генератора пилы, для получения схемы с заданной частотой, длительностью импульса и паузой, осталось подобрать резистор и конденсатор. Неслышных 18 кГц нам даст конденсатор 4,7 нФ, но такое малое значение емкости вызовет перекос плеч при работе микросхемы. Ставим оптимальную в 0,1 мкФ (контакты 1-2).

Избежать противного «пищания» схемы и подтянуть выход к высокому уровню можно чем-то низкоомным, например резистором 47-51 Ом.

Осталось подключить питание и нагрузку. Схема рассчитана на входное напряжение бортовой сети автомобиля 12V постоянного тока, но для наглядной демонстрации вполне запустится и от 9V батареи. Подключаем ее на вход микросхемы, соблюдая полярность (плюс на 8 ножку, минус на 1 ножку).

Осталось разобраться с нагрузкой. Как видно из графика, при понижении переменным резистором выходного напряжения до 6V пила на выходе (ножки 1-3) сохранилась, то есть NE555 в данной схеме и генератор пилы и компаратор одновременно. Ваш таймер работает в а-стабильном режиме и имеет коэффициент заполнения меньше 50%.

Модуль выдерживает 6-9 А проходного постоянного тока, так что при минимальных потерях можно подключить к нему как светодиодную полосу в автомобиле, так и маломощный двигатель, который и дым развеет и лицо в жару обдует. Примерно так:

Или так:

Принцип работы ШИМ регулятора

Работа ШИМ регулятора достаточно проста. Таймер NE555 отслеживает напряжение на емкости С. При ее заряде до достижения максимума (полный заряд) происходит открывание внутреннего транзистора и появлению логического нуля на выходе. Далее емкость разряжается, что приводит к закрытию транзистора и приходу к выходу логической единицы. При полном разряде емкости происходит переключение системы и все повторяется. В момент заряда ток идет по одному плечу, а при разряде – по-другому. Переменным резистором мы меняем соотношение сопротивления плеч, автоматически понижая либо увеличивая напряжение на выходе. В схеме наблюдается частичное отклонение частоты, но в слышимый диапазон она не попадает.

Смотирте видео работы ШИМ регулятора

Необходимость регулировки постоянного напряжения для питания мощных инерционных нагрузок чаще всего возникает у владельцев автомобилей и другой авто-мото техники. Например, появилось желание плавно менять яркость ламп освещения салона, габаритных огней, автомобильных фар или вышел из строя узел регулирования оборотов вентилятора автомобильного кондиционера, а замены нет.
Осуществить такое желание иногда нет возможности из-за большого тока потребления этими устройствами - если устанавливать транзисторный регулятор напряжения , компенсационный или параметрический, на регулирующем транзисторе будет выделяться очень большая мощность, что потребует установки больших радиаторов или введения принудительного охлаждения с помощью малогабаритного вентилятора от компьютерных устройств.

Выходом из положения является применение широтно - импульсных схем, управляющих мощными полевыми силовыми транзисторами MOSFET . Эти транзисторы могут коммутировать очень большие токи (до 160А и более) при напряжении на затворе 12 - 15 В. Сопротивление открытого транзистора очень мало, что позволяет заметно снизить рассеиваемую мощность. Схемы управления должны обеспечивать разность напряжений между затвором и истоком не менее 12 ... 15 В, в противном случае сопротивление канала сильно увеличивается и рассеиваемая мощность значительно возрастает, что может привести перегреву транзистора и выходу его из строя. Для широтно - импульсных автомобильных низковольтных регуляторов выпускаются специализированные микросхемы, например U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611, которые содержат узел повышения выходного напряжения до 25 -30 В при напряжении питания 7 -14 В, что позволяет включать выходной транзистор по схеме с общим стоком, чтобы можно было подключать нагрузку с общим минусом, но достать их практически невозможно. Для большинства нагрузок, которые потребляют ток не более 10А и не могут вызвать просадку бортового напряжения можно использовать простые схемы без дополнительного узла повышения напряжения.

Первый ШИМ регулятор собран на инверторах логической К МОП микросхемы. Схема представляет собой генератор прямоугольных импульсов на двух логических элементах, в котором за счёт диодов раздельно меняется постоянная времени заряда и разряда частотозадающего конденсатора, что позволяет изменять скважность выходных импульсов и значение эффективного напряжения на нагрузке.

В схеме можно использовать любые инвертирующие КМОП элементы, например К176ПУ2, К561ЛН1, а также любые элементы И, ИЛИ-НЕ, например К561ЛА7, К561ЛЕ5 и подобные, соответственно сгруппировав их входы. Полевой транзистор может быть любым из MOSFET , которые выдерживают максимальный ток нагрузки, но желательно использовать транзистор с как можно большим максимальным током, т.к. у него меньшее сопротивление открытого канала, что уменьшает рассеиваемую мощность и позволяет использовать радиатор меньшей площади.
Достоинство ШИМ-регулятора на микросхеме К561ЛН2 - простота и доступность элементов,
недостатки - диапазон изменения выходного напряжения чуть меньше 100% и невозможно доработать схему с целью введения дополнительных режимов, например плавного автоматического увеличения или понижения напряжения на нагрузке, т.к. регулирование производится путём изменения сопротивления переменного резистора, а не изменением уровня управляющего напряжения.

Гораздо лучшими характеристиками обладает вторая схема, но количество элементов в ней чуть больше.

Регулировка эффективного значения напряжения на нагрузке от 0 до 12 В производится изменением напряжения на управляющем входе от 8 до 12 В. Диапазон регулировки напряжения практически 100%. Максимальный ток нагрузки полностью определяется типом силового полевого транзистора и может быть очень значительным. Так как выходное напряжение пропорционально входному управляющему напряжению, схема может использоваться как составная часть системы регулирования, например системы поддержания заданной температуры, если в качестве нагрузки использовать нагреватель, а датчик температуры подключить к простейшему пропорциональному регулятору, выход которого подключается к управляющему входу устройства. Описанные устройства имеют в основе несимметричный мультивибратор, но ШИМ регулятор можно построить на микросхеме ждущего мультивибратора

ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.

Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.

Принцип действия ШИМ

Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:

Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:

где:

Ton — время высокого уровня
Toff — время низкого уровня
T — период сигнала

Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.

На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.

Расчет коэффициента заполнения ШИМ

Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:

Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:

Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.

Важной характеристикой широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:

Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.

Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.

Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:

В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.

ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для , или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.

Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.

Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован .

Пример управления светодиодом при помощи ШИМ.

Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:

Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут .

Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.

Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод будет гореть меньшее время.

Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для . В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.

Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.

Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.

Не следует, однако, слишком завышать частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.

Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.

Управляя , следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.

Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.

Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.

Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.

Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T . D = t/T . Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.

Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t .

Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).

Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.

Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.

В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.

Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.

При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.

Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.

Реализовать ШИМ можно посредством с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.

При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.

Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.

Цифровая широтно-импульсная модуляция

Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.

В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.

В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.