Широтно импульсная модуляция это. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ): принцип работы, применение и преимущества — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое широтно-импульсная модуляция. Как работает ШИМ-контроллер. Где применяется ШИМ в современной электронике. Каковы основные преимущества использования ШИМ.

Содержание

Что такое широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это метод управления мощностью, подаваемой на нагрузку, путем изменения длительности импульсов при постоянной частоте их следования. Основная идея ШИМ заключается в том, чтобы менять не амплитуду сигнала, а его скважность — отношение длительности импульса к периоду следования импульсов.

Ключевые параметры ШИМ-сигнала:

Период (T) — промежуток времени между импульсами
Длительность импульса — время, в течение которого сигнал находится в активном состоянии
Скважность — отношение длительности импульса к периоду
Коэффициент заполнения (D) — величина, обратная скважности

Принцип работы ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер управляет силовым ключом (обычно транзистором) путем изменения длительности управляющих импульсов. Транзистор работает в ключевом режиме — он либо полностью открыт, либо полностью закрыт:

В закрытом состоянии через транзистор протекает минимальный ток, рассеиваемая мощность близка к нулю
В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, но падение напряжения на нем минимально
Наибольшие потери возникают в моменты переключения, но они незначительны из-за малой длительности переходных процессов

Такой принцип работы обеспечивает высокий КПД преобразования энергии.

Области применения ШИМ

Широтно-импульсная модуляция нашла применение во многих областях современной электроники:

Импульсные источники питания
Регулировка яркости светодиодов и ЖК-дисплеев
Управление скоростью вращения электродвигателей
Зарядные устройства
Сварочные аппараты

Автомобильные инверторы

Преимущества использования ШИМ

Применение широтно-импульсной модуляции имеет ряд важных преимуществ:

Высокий КПД преобразования энергии
Снижение массы и габаритов устройств
Плавность регулировки выходных параметров
Высокая стабильность работы
Возможность точного цифрового управления
Низкая стоимость реализации

Аналоговая и цифровая реализация ШИМ

Существует два основных подхода к реализации широтно-импульсной модуляции:

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется с помощью компаратора. На его входы подаются:

Опорный сигнал пилообразной или треугольной формы
Модулирующий сигнал, определяющий скважность выходных импульсов

Частота выходных импульсов определяется частотой опорного сигнала, а их длительность зависит от соотношения уровней опорного и модулирующего сигналов.

Цифровая ШИМ

В цифровых системах ШИМ-сигнал формируется с помощью микроконтроллера или специализированного ШИМ-контроллера. Основные особенности:

Высокая частота переключений (до единиц МГц)
Возможность программного управления параметрами
Гибкость в формировании сложных последовательностей импульсов

Применение ШИМ в светодиодной технике

Одной из важнейших областей применения ШИМ стало управление яркостью светодиодов. Это обусловлено следующими факторами:

Низкая инерционность светодиодов позволяет им быстро переключаться
Частота ШИМ в десятки кГц воспринимается глазом как постоянное свечение
Яркость светодиода прямо пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала

Каким образом ШИМ позволяет плавно регулировать яркость светодиода? Рассмотрим принцип на конкретном примере.

Пример работы ШИМ-регулятора яркости светодиода

Предположим, мы хотим установить яркость светодиода на уровне 50% от максимальной. Для этого ШИМ-контроллер будет формировать последовательность импульсов со следующими параметрами:

Частота импульсов: 1 кГц (период 1 мс)
Длительность импульса: 0.5 мс
Коэффициент заполнения: 50%

В результате светодиод будет включаться на 0.5 мс и выключаться на 0.5 мс. Благодаря высокой частоте переключений и инерционности зрения, человек будет воспринимать это как равномерное свечение с яркостью 50% от максимальной.

ШИМ в импульсных источниках питания

Широтно-импульсная модуляция стала ключевой технологией для создания современных импульсных источников питания. Каковы основные преимущества использования ШИМ в этой области?

Высокий КПД преобразования энергии (до 95% и выше)
Снижение массы и габаритов за счет работы на высоких частотах
Возможность точной стабилизации выходного напряжения

Защита от перегрузок и коротких замыканий

Как работает ШИМ-контроллер в импульсном источнике питания? Рассмотрим основные этапы:

Входное напряжение преобразуется в последовательность импульсов
ШИМ-контроллер управляет длительностью этих импульсов
Импульсы поступают на трансформатор или дроссель
Выходной фильтр сглаживает пульсации
Цепь обратной связи корректирует параметры ШИМ для стабилизации выхода

Реализация ШИМ на микроконтроллерах

Современные микроконтроллеры имеют встроенные аппаратные модули для генерации ШИМ-сигналов. Каковы основные преимущества такого подхода?

Высокая точность формирования сигнала
Низкая загрузка процессора
Возможность генерации нескольких независимых ШИМ-каналов
Гибкая настройка параметров сигнала

Рассмотрим пример реализации ШИМ на популярной платформе Arduino:


void setup() {
  pinMode(9, OUTPUT);  // Настраиваем пин 9 на выход
}

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(9, i);  // Устанавливаем ШИМ-сигнал
    delay(10);  // Небольшая задержка
  }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(9, i);  // Устанавливаем ШИМ-сигнал
    delay(10);  // Небольшая задержка
  }
}

Этот код создает эффект плавного нарастания и убывания яркости светодиода, подключенного к пину 9.

Заключение

Широтно-импульсная модуляция стала неотъемлемой частью современной электроники. Ее применение позволяет создавать высокоэффективные устройства с точным управлением мощностью. От простейших светодиодных драйверов до сложных импульсных источников питания — везде ШИМ доказала свою эффективность и универсальность.

Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция? ⋆ diodov.net

Программирование микроконтроллеров Курсы

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

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

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

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

Импульсный способ регулирования напряжения

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые

периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Uср.н = Uип tи/T.

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D

. А величина, обратная ему называется скважностью:

S = 1/D = T/tи.

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

Uср.н = Uип∙D.

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Pср.н = Pип∙D.

Широтно-импульсное регулирование ШИР

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

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

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

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

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

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

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

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

Еще статьи по данной теме

Все про широтно-импульсную модуляцию (ШИМ)

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 здесь.

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.