Что такое шим сигнал

Раньше для питания устройств использовали схему с понижающим (или повышающим, или многообмоточным) трансформатором, диодным мостом, фильтром для сглаживания пульсаций. Для стабилизации использовались линейные схемы на параметрических или интегральных стабилизаторах. Главным недостатком был низкий КПД и большой вес и габариты мощных блоков питания.

Во всех современных бытовых электроприборах используются импульсные блоки питания (ИБП, ИИП – одно и то же). В большинстве таких блоков питания в качестве основного управляющего элемента используют ШИМ-контроллер. В этой статье мы рассмотрим его устройство и назначение.

Определение и основные преимущества

ШИМ-контроллер – это устройство, которое содержит в себе ряд схемотехнических решений для управления силовыми ключами. При этом управление происходит на основании информации полученной по цепям обратной связи по току или напряжению – это нужно для стабилизации выходных параметров.

Иногда, ШИМ-контроллерами называются генераторы ШИМ-импульсов, но в них нет возможности подключить цепи обратной связи, и они подходят скорее для регуляторов напряжения, чем для обеспечения стабильного питания приборов. Однако в литературе и интернет-порталах часто можно встретить названия типа «ШИМ-контроллер, на NE555» или «… на ардуино» — это не совсем верно по вышеуказанным причинам, они могут использоваться только для регулирования выходных параметров, но не для их стабилизации.

Аббревиатура «ШИМ» расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция – это один из методов модуляции сигнала не за счёт величины выходного напряжения, а именно за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый сигнал за счёт интегрирования импульсов с помощью C- или LC-цепей, другими словами – за счёт сглаживания.

Вывод: ШИМ-контроллер – устройство, которое управляет ШИМ-сигналом.

Основные характеристики

Для ШИМ-сигнала можно выделить две основных характеристики:

1. Частота импульсов – от этого зависит рабочая частота преобразователя. Типовыми являются частоты выше 20 кГц, фактически 40-100 кГц.

2. Коэффициент заполнения и скважность. Это две смежных величины характеризующие одно и то же. Коэффициент заполнения может обозначаться буквой S, а скважность D.

где T – это период сигнала,

Коэффициент заполнения – часть времени от периода, когда на выходе контроллера формируется управляющий сигнал, всегда меньше 1. Скважность всегда больше 1. При частоте 100 кГц период сигнала равен 10 мкс, а ключ открыт в течении 2.5 мкс, то коэффициент заполнения – 0.25, в процентах – 25%, а скважность равна 4.

Также важно учитывать внутреннюю конструкцию и предназначение по количеству управляемых ключей.

Отличия от линейных схем потери

Как уже было сказано, преимуществом перед линейными схемами у импульсных источников питания является высокий КПД (больше 80, а в настоящее время и 90%). Это обусловлено следующим:

Допустим сглаженное напряжение после диодного моста равно 15В, ток нагрузки 1А. Вам нужно получить стабилизированное питание напряжением 12В. Фактически линейный стабилизатор представляет собой сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости от величины входного напряжения для получения номинального выходного – с небольшими отклонениями (доли вольт) при изменениях входного (единицы и десятки вольт).

На резисторах, как известно, при протекании через них электрического тока выделяется тепловая энергия. На линейных стабилизаторах происходит такой же процесс. Выделенная мощность будет равна:

Так как в рассмотренном примере ток нагрузки 1А, входное напряжение 15В, а выходное – 12В, то рассчитаем потери и КПД линейного стабилизатора (КРЕНка или типа L7812):

Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт

Тогда КПД равен:

Если же входное напряжение вырастит до 20В, например, то КПД снизится:

Основной особенностью ШИМ является то, что силовой элемент, пусть это будет MOSFET, либо открыт полностью, либо полностью закрыт и ток через него не протекает. Поэтому потери КПД обусловлены только потерями проводимости

И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают в выпрямительных диодах (входных и выходных, если блок питания сетевой), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.

Общая структура

Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-контроллер. Я употребил слово "абстрактного" потому что, в общем, все они похожи, но их функционал все же может отличаться в определенных пределах, соответственно будет отличаться структура и выводы.

Внутри ШИМ-контроллера, как и в любой другой ИМС находится полупроводниковый кристалл, на котором расположена сложная схема. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:

1. Генератор импульсов.

2. Источник опорного напряжения. (ИОН)

3. Цепи для обработки сигнала обратной связи (ОС): усилитель ошибки, компаратор.

4. Генератор импульсов управляет встроенными транзисторами, которые предназначены для управления силовым ключом или ключами.

Количество силовых ключей, которыми может управлять ШИМ-контроллер, зависит от его предназначения. Простейшие обратноходовые преобразователи в своей схеме содержат 1 силовой ключ, полумостовые схемы (push-pull) — 2 ключа, мостовые — 4.

От типа ключа также зависит выбор ШИМ-контроллера. Для управления биполярным транзистором основным требованием является, чтобы выходной ток управления ШИМ-контроллера не был ниже, чем ток транзистора деленный на H21э, чтобы его включать и отключать достаточно просто подавать импульсы на базу. В этом случае подойдет большинство контроллеров.

В случае управления ключами с изолированным затвором (MOSFET, IGBT) есть определенные нюансы. Для быстрого отключения нужно разрядить емкость затвора. Для этого выходную цепь затвора выполняют из двух ключей — один из них соединен с источником питания с выводом ИМС и управляет затвором (включает транзистор), а второй установлен между выходом и землей, когда нужно отключить силовой транзистор — первый ключ закрывается, второй открывается, замыкая затвор на землю и разряжает его.

В некоторых ШИМ-контроллрах для маломощных блоков питания (до 50 Вт) силовые ключи встроенные и внешние не используются. Пример — 5l0830R

Если говорить обобщенно, то ШИМ-контроллер можно представить в виде компаратора, на один вход которого подан сигнал с цепи обратной связи (ОС), а на второй вход пилообразный изменяющийся сигнал. Когда пилообразный сигнал достигает и превышает по величине сигнал ОС, то на выходе компаратора возникает импульс.

При изменениях сигналов на входах ширина импульсов меняется. Допустим, что вы подключили мощный потребитель к блоку питания, и на его выходе напряжение просело, тогда напряжение ОС также упадет. Тогда в большей части периода будет наблюдаться превышение пилообразного сигнала над сигналом ОС, и ширина импульсов увеличится. Всё вышесказанное в определенной мере отражено на графиках.

Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи.

Функциональная схема ШИМ-контроллера на примере TL494, мы рассмотрим его позже подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.

Назначение выводов

ШИМ-контроллеры выпускаются в различных корпусах. Выводов у них может быть от трех до 16 и более. Соответственно от количества выводов, а вернее их назначения зависит гибкость использования контроллера. Например, в популярной микросхеме UC3843 — чаще всего 8 выводов, а в еще более культовой — TL494 — 16 или 24.

Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:

GND – общий вывод соединяется с минусом схемы или с землей.

Uc (Vc) – питание микросхемы.

Ucc (Vss, Vcc) – Вывод для контроля питания. Если питание проседает, то возникает вероятность того, что силовые ключи не будут полностью открываться, а из-за этого начнут греться и сгорят. Вывод нужен чтобы отключить контроллер в подобной ситуации.

OUT – как видно из название — это выход контроллера. Здесь выводятся управляющий ШИМ-сигнал для силовых ключей. Выше мы упомянули, что в преобразователях разных топологий имеют разное количество ключей. Название вывода может отличаться в зависимости от этого. Например, в контроллерах для полумостовых схем он может называться HO и LO для верхнего и нижнего ключа соответственно. При этом и выход может быть однотактный и двухтактный (с одним ключем и двумя) — для управления полевыми транзисторами (пояснение см. выше). Но и сам контроллер может быть для однотактной и двухтактной схемы — с одним и двумя выходными выводами соответственно. Это важно.

Читайте также:  В каких электроприборах есть драгметаллы

Vref – опорное напряжения, обычно соединяется с землей через небольшой конденсатор (единицы микрофарад).

ILIM – сигнал с датчика тока. Нужен для ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной связи.

ILIMREF – на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM

SS – формируется сигнал для мягкого старта контроллера. Предназначен для плавного выхода на номинальный режим. Между ней и общим проводом для обеспечения плавного пуска устанавливают конденсатор.

RtCt – выводы для подключения времязадающей RC-цепи, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.

CLOCK – тактовые импульсы для синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров между собой тогда RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.

RAMP – это ввод сравнения. На него подают пилообразное напряжение, например с вывода Ct, Когда оно превышает значение напряжение на выходе усиления ошибки, то на OUT появляется отключающий импульс — основа для ШИМ-регулирования.

INV и NONINV – это инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора, на котором построен усилитель ошибки. Простыми словами: чем больше напряжении на INV — тем длинее выходные импульсы и наоборот. К нему подключается сигнал с делителя напряжения в цепи обратной связи с выхода. Тогда неинвертирующий вход NONINV подключают к общему проводу — GND.

EAOUT или Error Amplifier Output рус. Выход усилителя ошибки. Не смотря на то, что есть входы усилителя ошибки и с их помощью, в принципе можно регулировать выходные параметры, но контроллер довольно медленно на это реагирует. В результате медленной реакции может возникнуть возбуждение схемы, и она выйдет из строя. Поэтому с этого вывода через частотозависимые цепи подают сигналы на INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.

Примеры реальных устройств

Для закрепления информации давайте рассмотрим несколько примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Мы будем делать это на примере двух микросхем:

TL494 (её аналоги: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

Они активно используются в блоках питания для компьютеров. Кстати, эти блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и больше по 12В шине). Часто используются в качестве донора для переделки под лабораторный блок питания или универсальное мощное зарядное устройство, например для автомобильных аккумуляторов.

TL494 – обзор

Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:

В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:

1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки

2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки

3. Вход обратной связи

4. Вход регулировки мертвого времени

5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора

6. Вывод для подключения времязадающего резистора

7. Общий вывод микросхемы, минус питания

8. Вывод коллектора первого выходного транзистора

9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора

10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора

11. Вывод коллектора второго выходного транзистора

12. Вход подачи питающего напряжения

13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы

14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт

15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки

16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

На рисунке ниже изображен пример компьютерного блока питания на этой микросхеме.

UC3843 — обзор

Другой популярной ШИМ является микросхема 3843 – на ней также строятся компьютерные и не только блоки питания. Её цоколевка расположена ниже, как вы можете наблюдать, у неё всего 8 выводов, но функции она выполняет те же, что и предыдущая ИМС.

Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, но встречаются гораздо реже. Обратите внимание на маркировку – дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).

Расшифруем назначением выводов:

1. Вход компаратора (усилителя ошибки).

2. Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.

3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.

4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.

6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.

7. Напряжение питания микросхемы.

8. Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА).

Её внутренняя структура.

Можно убедится, что во многом похожа и на другие ШИМ-контроллеры.

Простая схема сетевого источника питания на UC3842

ШИМ со встроенным силовым ключем

ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключем используются как в трансформаторных импульсных блоках питания, так и в бестрансформаторных DC-DC преобразователях понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.

Пожалуй, одним из наиболее удачных примеров будет распространенная микросхема LM2596, на базе которого на рынке можно найти массу таких преобразователей, как изображен ниже.

Такая микросхема содержит в себе все вышеописанные технические решения, а также вместо выходного каскада на маломощных ключах в ней встроен силовой ключ, способный выдержать ток до 3А. Ниже изображена внутренняя структура такого преобразователя.

Можно убедиться, что в сущности особых отличий от рассмотренных в ней нет.

А вот пример трансформаторного блока питания для светодиодной ленты на подобном контроллере, как видите силового ключа нет, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отсюда следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и гибкость TL494 просто не нужна. Это справедливо для маломощных блоков питания, где нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации можно погасить LC-фильтром. Это блок питания для светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.

Заключение

В начале статьи было сказано о том, что ШИМ-контроллер это устройство которое моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширина импульсов на основании сигнала с цепи обратной связи. Отмечу, что названия и классификация у каждого автора часто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют простой ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей семейство электронных микросхем называют «Интегральная подсистема для импульсных стабилизированных преобразователей». От названия суть не меняется, но возникают споры и недопонимания.

Широтно-Импульсная Модуляция (Pulse-Width Modulation)
Уже в первых экспериментах с коллекторным моторчиком и батарейкой можно было заметить, что при частом попеременном включении и выключении электромотора частота вращения его ротора изменяется. То есть происходила регулировка скорости вращения путём периодичного включения и отключения тока через моторчик. Если изменять при этом время в подключённом состоянии и длину паузы между подключениями, можно регулировать скорость вращения мотора. Такой же эффект проявляется практически с любым потребителем электрического тока, имеющим определённую инерцию, т.е. способным запасать энергию.
Из бесед Бибота и Бобота

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.

Читайте также:  Подключение автоматов в щитке своими руками фото

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 , . 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.

Именно этот эффект положен в основу принципа Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ) , также встречается английское сокращение — PWM (Pulse-Width Modulation) .

Широтно-Импульсная Модуляция — это способ кодирования аналогового сигналa путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты.

На Рис. 1 синим цветом представлены типичные графики ШИМ сигнала. Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (T), остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (эпюра "Б" на Рис. 1.) и наоборот: при расширении импульса пауза сужается (эпюра "В" на Рис. 1.).

Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низших частот, то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Назначение фильтра — не пропускать несущую частоту ШИМ. Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC цепи, или же может отсутствовать вовсе, например, если оконечная нагрузка имеет достаточную инерцию.
Таким образом, имея в расположении лишь два логических уровня, "единицу" и "ноль", можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала.

Часто в схемах с ШИМ применяют обратную связь для управления длительностью импульса по той или иной закономерности, например, в схемах PID-регуляторов.

Простейшую схему ШИМ-управления можно собрать всего на нескольких транзисторах. Схема (Рис.2) представляет собой одну из разновидностей генераторов импульсов — мультивибратор. Во время задающей цепи баз обоих транзисторов включён переменный резистор R6. Вращая его движок, можно в некоторых пределах регулировать скважность выходных импульсов.

Данная схема способна работать в широких пределах питающего напряжения от 5 до 15 вольт, можно использовать любые широко распространенные транзисторы и любой выпрямительный диод, номиналы сопротивлений могут отличаться на 10%. В качестве нагрузки можно использовать любой мотор, насчитанный на то напряжение питания, которым питается вся схема. Можно также подключить лампу накаливания и наблюдать изменение её яркости свечения, если подключить малогабаритный "динамик", то при вращении движка потенциометра можно услышать изменение характера звука.

Схемы простейших широтно-импульсных модуляторов можно построить и на логических элементах, и на микросхеме универсального таймера NE555 (отечественный аналог — КР1006ВИ1), и на операционном усилителе. Существуют и специально разработанные ШИМ-контроллеры.
В большинстве этих схем для изменения ширины выходного импульса так или иначе используется аналоговое напряжение. В цифровой же электронике для прямых операций с аналоговыми сигналами необходимо усложнять схему. Поэтому схемы ШИМ-управления в цифровой технике строят на принципе отсчёта определённого числа импульсов задающего генератора. Так, задавая количество отсчитываемых импульсов, можно точно отмерять длительность выходного импульса и паузы между импульсами.

Один из вариантов схемы с цифровой установкой ширины выходного импульса приведен на Рис. 3. Схема собрана на распространённых цифровых микросхемах серии К155 (зарубежный аналог — серия 74). В качестве коммутирующего элемента P1 для эксперимента можно применить переключатель на 16 положений или просто подсоединять вход сброса RS-триггера к нужному выходу дешифратора. В реальной же схеме можно применить микросхему селектор К155КП1 с соответствующей схемой цифрового управления.

В этой схеме применен четырёхразрядный двоичный счётчик К155ИЕ5. Максимальное число, которое можно представить, имея четыре разряда — 16. Поэтому в этой схеме частота выходных импульсов ШИМ будет в 16 раз ниже частоты счёта счётчика. И таким же будет количество градаций регулировки ширины импульсов. При разработке цифровых устройств с ШИМ следует помнить, что чем больше разрядность ШИМ, тем больше градаций импульса можно получить и тем выше частота работы счётчика.

Практически во всех современных микроконтроллерах имеются встроенные средства формирования одного или более независимых каналов ШИМ. Очень гибкие возможности конфигурации ШИМ-формирователя микроконтроллера позволяют использовать их в разнообразных схемах электронного управления и автоматики.
Пожалуй, наиболее часто ШИМ применяется для управления различными типами моторов. Тут основным достоинством ШИМ-управления является то, что электронный ключ (обычно транзистор) работает в ключевом режиме, что заметно повышает экономичность схемы, так как потери на активных элементах сводятся к минимуму.
Кроме того, широтно-импульсная модуляция применяется для формирования аналоговых сигналов сложной формы, в импульсных стабилизаторах, для кодирования и помехозащищённой передачи аналоговой информации.

Блог технической поддержки моих разработок

В уроке узнаем о широтно-импульсной модуляции, о реализации этого способа управления в контроллерах Ардуино, о режимах и функциях работы с ШИМ в Ардуино.

Прервемся на урок от разработки контроллера холодильника, для того чтобы научиться работать с широтно-импульсным модулятором Ардуино.

Читайте также:  Диаграмма железо углерод для стали

В нашей разработке используется именно такой способ регулирования мощности на элементе Пельтье.

Широтно-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) это способ управления мощностью на нагрузке с помощью изменения скважности импульсов при постоянной амплитуде и частоте импульсов.

Можно выделить две основные области применения широтно-импульсной модуляции:

  • Во вторичных источниках питания, различных регуляторах мощности, регуляторах яркости источников света, скорости вращения коллекторных двигателей и т.п. В этих случаях применение ШИМ позволяет значительно увеличить КПД системы и упростить ее реализацию.
  • Для получения аналогового сигнала с помощью цифрового выхода микроконтроллера. Своеобразный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Очень простой в реализации, требует минимума внешних компонентов. Часто достаточно одной RC цепочки.

Принцип регулирования с помощью ШИМ – изменение ширины импульсов при постоянной амплитуде и частоте сигнала.

На диаграмме можно увидеть основные параметры ШИМ сигнала:

  • Ui — амплитуда импульсов ;
  • Ton – время активного (включенного) состояния сигнала;
  • Toff – время отключенного состояния сигнала;
  • Tpwm – время периода ШИМ.

Даже интуитивно понятно, что мощность на нагрузке пропорциональна соотношению времени включенного и отключенного состояния сигнала.

Это соотношение определяет коэффициент заполнения ШИМ:

Он показывает, какую часть периода сигнал находится во включенном состоянии. Может меняться:

  • от 0 – сигнал всегда выключен;
  • до 1 — сигнал все время находится во включенном состоянии.

Чаще используют процентный коэффициент заполнения. В этом случае он находится в пределах от 0 до 100%.

Среднее значение электрической мощности на нагрузке строго пропорционально коэффициенту заполнения. Когда говорят, что ШИМ равен, например, 20%, то имеют в виду именно коэффициент заполнения.

Формирование аналогового сигнала.

Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низких частот (ФНЧ), то на выходе фильтра мы получим аналоговый сигнал, напряжение которого пропорционально коэффициенту заполнения ШИМ.

В качестве ФНЧ можно использовать простейшую RC цепочку.


Из-за неидеальной характеристики такого фильтра частота среза должна быть минимум на порядок меньше частоты ШИМ. Для простого RC фильтра частота среза вычисляется по формуле:

  • При повышении частоты среза ФНЧ на выходе фильтра увеличиваются пульсации с частотой ШИМ.
  • При уменьшении частоты среза фильтра снижается время реакции выходного аналогового сигнала на изменения ширины импульсов.

Из этого вытекает главный недостаток широтно-импульсной модуляции. Метод способен синтезировать только достаточно медленные аналоговые сигналы или требует применения фильтров низких частот с высокой добротностью, сложных в реализации.

Я бы рекомендовал:

  • В случае, когда к быстродействию аналогового сигнала жестких требований нет выбирать заведомо заниженную частоту среза фильтра.
  • Если необходимо оптимизировать быстродействие аналогового преобразователя, то лучше промоделировать схему.

Даже простейшие моделирующие программы вычисляют уровень пульсаций достаточно точно. Вот результаты моделирования на SwCAD для ШИМ частотой 500 Гц и RC фильтрами с частотами среза 500 Гц, 50 Гц и 5 Гц. Зеленым цветом показана диаграмма ШИМ, синим – напряжение на выходе RC фильтра.

Частота среза 500 Гц (10 кОм, 32 нФ).

Частота среза 50 Гц (10 кОм, 320 нФ).

Частота среза 5 Гц (10 кОм, 3,2 мкФ).

Точность преобразования широтно-импульсных модуляторов определяется погрешностью амплитуды импульсов (т.е. стабильностью питания микроконтроллера) и значением падения напряжения на ключах цифровых выходов микроконтроллера. Как правило, точность ШИМ микроконтроллеров невысока. Добиться высокой точности ШИМ преобразования можно с помощью дополнительной схемы с аналоговыми ключами и источником опорного напряжения.

К недостаткам использования широтно-импульсных модуляторов в качестве ЦАП также следует отнести высокое выходное сопротивление. Оно определяется сопротивлением резистора RC фильтра и не может быть низким из-за малой нагрузочной способности выходов микроконтроллера.

Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино.

Платы Ардуино на базе микроконтроллеров ATmega168/328 имеют 6 аппаратных широтно-импульсных модуляторов. Сигналы ШИМ могут быть сгенерированы на выводах 3, 5, 6, 9, 10, 11.

Управление аппаратными ШИМ осуществляется с помощью системной функции analogWrite().

void analogWrite(pin, val)

Функция переводит вывод в режим ШИМ и задает для него коэффициент заполнения. Перед использованием analogWrite() функцию pinMode() для установки вывода в режим “выход” вызывать необязательно.

  • pin – номер вывода для генерации ШИМ сигнала.
  • val – коэффициент заполнения ШИМ. Без дополнительных установок диапазон val от 0 до 255 и соответствует коэффициенту заполнения от 0 до 100 %. Т.е. разрядность системных ШИМ в Ардуино 8 разрядов.

analogWrite(9, 25); // на выводе 9 ШИМ = 10%

Частота ШИМ Ардуино 488,28 Гц.

Для генерации ШИМ используются все три таймера Ардуино.

Таймер Используется для генерации ШИМ на выводах
Таймер 0 выводы 5 и 6
Таймер 1 выводы 9 и 10
Таймер 2 выводы 3 и 11

Если таймер используется для других целей, например для прерывания, то параметры ШИМ соответствующих выводов могут не соответствовать указанным выше.

Поэтому, при использовании библиотек MsTimer2, TimerOne или им подобных некоторые выводы в качестве ШИМ сигналов использовать нельзя.

Увеличение частоты и разрядности ШИМ Ардуино.

Система Ардуино устанавливает на всех выводах ШИМ параметры:

  • частота 488,28 Гц;
  • разрешение 8 разрядов (0…255).

Очень низкая частота. Для большинства приложений совершенно не допустимая.

В разработке контроллера элемента Пельтье, начатой в предыдущем уроке, частота ШИМ должна быть не менее 30-50 кГц. В интернете достаточно много предложений по увеличению частоты ШИМВо всех описываются методы увеличения частоты до 31 кГц. В принципе приемлемый вариант, но мне захотелось большего.

Я разобрался с Таймером 1 микроконтроллера ATmega168/328, перевел ШИМ в быстродействующий режим и добился частоты ШИМ Ардуино до 62,5 кГц. Заодно я научился менять разрядность ШИМ. Чтобы в следующий раз не копаться в документации на микроконтроллеры ATmega168/328 я свел всевозможные варианты ШИМ для таймера 1 в таблицу.

Строчки из правого столбца для выбранного варианта необходимо написать в функции setup().

Варианты параметров ШИМ на выводах 9 и 10 Ардуино (таймер 1).

Разрешение Частота ШИМ Команды установки режима
8 бит 62 500 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x09;
7 812,5 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0a;
976,56 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0b;
244,14 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0c;
61,04 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0d;
9 бит 31 250 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 2;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x09;
3 906,25 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 2;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0a;
488,28 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 2;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0b;
122,07 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 2;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0c;
30,52 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 2;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0d;
10 бит 1 5625 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 3;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x09;
1 953,13 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 3;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0a;
244,14 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 3;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0b;
61,04 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 3;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0c;
15,26 Гц TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 3;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0d;

Следующий скетч генерирует на выводе 9 ШИМ с частотой 62,5 кГц и коэффициентом заполнения примерно 10 %.

void setup() <
// ШИМ 8 разрядов, 62,5 кГц
TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x09;
analogWrite(9, 25); // на выводе 9 ШИМ=10%
>

Это максимально возможная частота ШИМ Ардуино для большинства плат (с частотой генератора 16 мГц).

В следующем уроке вернемся к разработке контроллера элемента Пельтье.

Отправить ответ

  Подписаться  
Уведомление о
Adblock
detector