Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.
Область применения
С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.
Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .
Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.
Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.
Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.
Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.
ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:
- обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
- ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
- контролирует уровень входного напряжения;
- защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
- при необходимости переводит устройство в дежурный режим.
Принцип работы ШИМ контроллера
Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.
Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.
Аналоговая ШИМ
Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.
Цифровая ШИМ
Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?
Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:
- высокой эффективности преобразования сигнала;
- стабильность работы;
- экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
- низкой стоимости;
- высокой надёжности всего устройства.
Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.
Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.
Пример использования ШИМ регулятора
Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в . Он построен на базе микросхемы и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.
Читайте так же
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.
Все микропроцессоры работают с цифровыми сигналами, т.е. с логическим нулем (0 В), или логической единицей (5 В или 3.3 В). Поэтому микропроцессор не может сформировать на выходе промежуточное напряжение. Использование для этих целей внешних ЦАП () - сложно и задействует сразу много ножек микропроцессора, что неудобно. В этих случаях применяют Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) - процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Широтно-импульсная модуляция представляет собой периодический импульсный сигнал.
Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов:
Uоп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;
Uупр – входное постоянное напряжение.
Cигналы поступают на компаратор, где они сравниваются, а при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.
Выходное напряжение Uвых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, мы регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ:
Скважность сигнала при однополярной ШИМ
Однополярная модуляция означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения
Скважность импульсов
Если сформированный таким образом сигнал подать на объект, обладающий фильтрующими свойствами, например, на двигатель постоянного тока или лампу накаливания, то объект будет использовать среднюю мощность сигнала.
Т.е. мощность, потребляемая объектом управления, пропорциональна скважности сигнала ШИМ, при условии, что период импульсов ШИМ на порядок меньше минимальной постоянной времени объекта.
ШИМ может быть встроенным выходом микропроцессора, может быть организована отдельно на выходе микропроцессора с обычным цифровым выходом.
Преимущество использования ШИМ - это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях.
Параметры ШИМ
Период тактирования T определяет через какие промежутки времени подаются импульсы.
Длительность импульса - величина показівающая время в течении которого подается сигнал t, с;
Скважность
- Соотношение длины импульса (τ) к периоду тактирования (T); пропорционально модулирующей величине. Коэффициент заполнения обычно отображают в процентах (%).
Коэффициент заполнения D
– величина обратная скважности.
Несмотря на то, что скважность и коэффициент заполнения могут использоваться в одинаковом контексте, физический смысл их отличается.
Эти величины безразмерны.