На Рисунке 1 ширина импульса на выводе 3 модулируется управляющим напряжением V CONTROL , приложенным к выводу 5. Лабораторные измерения схемы были выполнены при напряжении питания 5 В. На Рисунках 2…5 показаны выходные ШИМ сигналы при трех различных управляющих напряжениях: 1 В, 2 В и 4 В. Конденсатор C1 заряжается напряжением источника питания V SUPPLY до уровня V CONTROL и разряжается от V CONTROL /2 до уровня земли. При отсутствии внешнего управляющего напряжения напряжение V CONTROL составляет 2/3 от V SUPPLY .

Представленные осциллограммы иллюстрируют влияние управляющего напряжения, приложенного к выводу 5, на изменения пороговых напряжений двух внутренних компараторов. В отсутствие управляющего напряжения (Рисунок 4) пороги заряда и разряда C1 определяются внутренней структурой таймера и составляют 1/3 и 2/3 от напряжения питания. Этими порогами, равноудаленными от напряжения питания и земли, устанавливается коэффициент заполнения равный 50%. При изменении управляющего напряжения изменяется время заряда C1, за которое напряжение на конденсаторе должно достичь V CONTROL , и время разряда, в течение которого напряжение спадает до V CONTROL /2. Этот процесс приводит к модуляции ширины выходного импульса.

Время заряда определяется формулой

R = R1,
C =C1.

Время разряда можно вычислить из выражения

Схема 2: генератор ШИМ с компаратором

Компаратор MAX998 включается согласно Рисунку 6.

Рисунок 6.	ШИМ генератор и компаратор.

Ширина выходного импульса модулируется под управлением напряжения, приложенного к R1. При напряжении питания 5 В были проведены лабораторные измерения, результаты которых представлены на Рисунках 7…9, демонстрирующих формы выходных сигналов ШИМ при управляющем напряжении, равном 1 В, 2 В и 4 В.

Приложенное к микросхеме MAX998 управляющее напряжение устанавливает пороговые напряжения, определяющие моменты начала заряда и разряда C1. Верхний порог равен

а нижнее пороговое напряжение равно V CONTROL /2.
Время заряда можно найти из формулы

Время разряда описывается выражением

R = R1,
C =C1.

Варианты ШИМ генераторов на двух микросхемах

Необходимо отметить, что управляющее напряжение в обеих схемах изменяет не только длительность импульсов, но и их частоту. Добавив в каждую из схем по одному компаратору, можно зафиксировать частоту выходных сигналов.

В Схеме 1 пилообразное напряжение с вывода 6 необходимо подать на вход второго компаратора. Это напряжение будет задавать коэффициент заполнения выходных импульсов постоянной частоты. Аналогично, в Схеме 2 на второй компаратор подается пилообразное напряжение с инвертирующего входа MAX998.

Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт - в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт - в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.

Что такое ШИМ?

Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.

Область применения ШИМ не ограничивается импульсными источниками питания, стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

• Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
• Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием - выводом VCC.
• Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей "затвор - исток" и "затвор - сток". Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

ШИМ-контроллеры для большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу - некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже - с вариантами их устранения.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем - пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

• Контроллер глохнет после старта - обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
• ШИМ-контроллер не стартует - отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
• Напряжение на выходе отличается от номинального - проблемы с петлей ООС или с контроллером.
• После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах - некорректная работа ШИМ или драйверов.
• Нестабильная работа платы, наличие странных звуков - обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

В заключение

Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств - типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.

Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания - вовсе не единственное направление деятельности.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM) ) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл /выкл ), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:

где x (t ) - желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2 , а ∆T i - продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A . ∆T i подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны также и средние значения величин за период:

Управляемыми "уровнями", как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x (t ) = U const стабилизации.

Основной причиной внедрения ШИМ является сложность обеспечения произвольным Напряжение_(электрическое). Есть некое базовое постоянное напряжение питания (в сети, от аккумуляторов и пр.) и на его основе нужно получить более низкое произвольное и уже им запитывать электродвигатели или иное оборудование. Самый простой вариант - делитель напряжения , но он обладает пониженным КПД, повышенным выделением тепла и расходом энергии. Другой вариант - транзисторная схема. Она позволяет регулировать напряжение без использования механики. Проблема в том, что транзисторы греются больше всего в полуоткрытом состоянии (50%). И если с таким КПД ещё "можно жить", то выделение тепла, особенно в промышленных масштабах сводит всю идею на нет. Именно поэтому было решено использовать транзисторную схему, но только в пограничных состояниях (вкл/выкл), а полученный выход сглаживать LC-цепочкой (фильтром) при необходимости. Такой подход весьма энергоэффективен. ШИМ широко применяется повсеместно. Если вы читаете эту статью на LCD-мониторе (телефоне/КПК/... с LCD-подсветкой), то яркость подсветки регулируется ШИМ. На старых мониторах можно убавить яркость и услышать как ШИМ начинает пищать (очень тихий писк частотой в несколько килогерц). Так же "пищат" плавно мигающие LED-лампочки, например, в ноутбуках. Очень хорошо слышно пищание ШИМ по ночам в тишине.

В качестве ШИМ можно использовать даже COM-порт. Т.к. 0 передаётся как 0 0000 0000 1 (8 бит данных + старт/стоп), а 255 как 0 1111 1111 1, то диапазон выходных напряжений - 10-90% с шагом в 10%.

ШИП - широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП - высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

Применение

ШИМ использует транзисторы (могут быть и др. элементы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи почти не течёт, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, то есть КПД=0 %, в абсолютном выражении выделяемая на транзисторе мощность равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю - выделяемая мощность так же мала.

Принцип работы ШИМ

ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности , то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ .

Генерируется аналоговым компаратором , на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде «пилы» или «треугольника», а на положительный - собственно сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте «зубьев» пилы. Ту часть периода, когда входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже - нуль.

В цифровой технике, выходы которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N -битным счётчиком. Цифровые устройства (ЦШИП) работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация ). В периоды между фронтами тактовых импульсов, выход ЦШИП остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V (n ). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг-друга каждый такт Т . Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала ~V (n ). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины ~V (n ), кратны периоду тактирования T , а частота равна 1/(T *2 N ). Низкая частота означает длительные, относительно T , периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов.

Описанная цифровая схема генерации подпадает под определение однобитной (двухуровневой) импульсно-кодовой модуляции (ИКМ ). 1-битную ИКМ можно рассматривать в терминах ШИМ как серию импульсов частотой 1/T и шириной 0 либо T . Добиться усреднения за менее короткий промежуток времени позволяет имеющаяся передискретизация. Высоким качеством обладает такая разновидность однобитной ИКМ, как импульсно-плотностная модуляция (pulse density modulation ), которая ещё именуется импульсно-частотной модуляцией .

Восстанавливается непрерывный аналоговый сигнал арифметическим усреднением импульсов за много периодов при помощи простейшего фильтра низких частот. Хотя обычно даже этого не требуется, так как электромеханические составляющие привода обладают индуктивностью, а объект управления (ОУ) - инерцией, импульсы с выхода ШИП сглаживаются и ОУ, при достаточной частоте ШИМ-сигнала, ведёт себя как при управлении обычным аналоговым сигналом.

См. также

• Векторная модуляция - векторная широтно-импульсная модуляция, используемая в силовой электронике.
• SACD - формат аудиодисков, использующий широтно-импульсную модуляцию звукового сигнала.

На форуме достаточно часто встречаются вопросы по реализации Широтно Импульсной Модуляции на микроконтроллерных устройствах. Я и сам очень много спрашивал по этому поводу и, разобравшись, решил облегчить труд новичкам в этой области, так как информации в сети много и рассчитана она на разработчиков разного уровня, а сам я только- только в нем разобрался и память ещё свежа.

Так как для меня самым важным было применение ШИМ именно для управления яркостью светодиодов, то именно их я и буду использовать в примерах. В качестве микроконтроллера будем использовать горячо любимый ATmega8.

Для начала вспомним, что такое ШИМ. ШИМ сигнал - это импульсный сигнал определенной частоты и скважности:

Частота, это количество периодов за одну секунду. Скважность- отношение длительности импульса к длительности периода. Можно изменять и то и другое, но для управления светодиодами достаточно управлять скважностью. На картинке выше мы видим ШИМ сигнал со скважностью 50 %, так как длительность импульса (ширина импульса) ровно половина от периода. Соответственно светодиод будет ровно половину времени во включенном состоянии и половину в выключенном. Частота ШИМ очень большая и глаз не заметит мерцания светодиода из за инерционности нашего зрения, поэтому нам будет казаться, что светодиод светится на половину яркости. Если мы изменим скважность на 75%, то яркость светодиода будет на 3 четверти от полной, а график будет выглядеть так:

Получается, что мы можем регулировать яркость светодиода от 0 до 100 %. А теперь поговорим о таком параметре ШИМ, как разрешение. Разрешение- это количество градаций (шагов) регулировки скважности, мы будем рассматривать разрешение в 256 шагов.

С параметрами вроде разобрались, теперь поговорим о том, как нам получить этот самый ШИМ от микроконтроллера. Берем остро заточенный разогретый паяльник и начинаем пытать МК, одновременно подцепившись к двум его ногам осциллографом и проверяя наличие на них сигнала нужной нам скважности. В микроконтроллерах есть аппаратная поддержка ШИМ и несколько каналов для него, в нашем случае 3. За выдачу ШИМ отвечают определенные выводы МК, в нашем случае OC2, OC1A, OC1B (15,16,17 нога в DIP корпусе). Так же для этого используются таймеры микроконтроллера, в нашем случае TC1, TC2. Так как же сконфигурировать МК для выдачи сигнала необходимой скважности? Все очень просто, для начала сконфигурируем нужные нам ноги на выход:

PORTB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110

Далее начнем конфигурировать таймеры. Для таймера TC1 нам потребуются два регистра: TCCR1A и TCCR1B. Открываем даташит и читаем как настраиваются эти регистры. Я настроил его на 8 битный сигнал ШИМ, что соответствует разрешению в 256 шагов:

TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09;

Для таймера TC2 мы будем использовать регистр TCCR2=0x69;. Его настройка выглядит так:

TCCR2=0x69;

Всё, таймеры сконфигурированы. Скважность будем задавать регистрами OCR1A,OCR1B, OCR2:

Зададим требуемые скважности:

OCR1A=0x32; //50 шагов OCR1B=0x6A; //106 шагов OCR2=0xF0; //240 шагов

Ну и поместим инкремент и декремент этих регистров в бесконечный цикл:

While(1) { OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); }

Первая тестовая программа готова и выглядит для CVAVR она так:

#include "mega8.h" #include "delay.h" void main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110 TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09; TCCR2=0x69; OCR1A=0x32; //50 шагов OCR1B=0x6A; //106 шагов OCR2=0xF0; //240 шагов while (1) { OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); }; }

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 .

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.

Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.