Что такое ШИМ – принцип работы широтно-импульсной модуляции

Что такое ШИМ-регулятор?

Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно.

Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть.

Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности.

Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.

Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B … U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат – использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение.

И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.

Схема №1

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат – значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке

. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы – доступность и простота элементов. Недостатки – сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Схема №2

Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры)

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.

ШИМ регулятор напряжения 12 вольт — описание

Особенностью данных схем является возможность применить фактически любые имеющиеся в наличии операционные усилители, с напряжение питания на уровне 12 вольт, например, операционный усилитель LM324 или операционный усилитель LM358.

Изменяя величину напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя (вывод 3) можно изменять величину выходного напряжения. Таким образом, эти схемы можно использовать как регулятор тока и напряжения, в диммерах, а также в качестве регулятора оборотов двигателя постоянного тока.

Схемы достаточно просты, состоят из простых и доступных радиокомпонентов и при верном монтаже сразу начинают работать. В качестве управляющего ключа применен мощный полевой n- канальный транзистор. Мощность полевого транзистора, а так же площадь радиатора, необходимо подобрать согласно току потребления нагрузки.

Для предупреждения пробоя затвора полевого транзистора, в случае использовании ШИМ регулятора с напряжением питания 24 вольта, необходимо между затвором VT2 и коллектором транзистора VT1 подключить сопротивление величиной в 1 кОм, а параллельно сопротивлению R7 подключить стабилитрон на 15 вольт.

В случае если необходимо изменять напряжение на нагрузке, один из контактов которой подсоединен к «массе» (такое встречается в автомобиле), то применяется схема, в которой к плюсу источника питания подсоединяется сток n -канального полевого транзистора, а нагрузка подключается к его истоку.

Желательно для создания условий, при котором открытие полевого транзистора будет происходить в полной мере, цепь управления затвором должна содержать узел с повышенным напряжением порядка 27…30 вольт. В этом случае напряжение между истоком и затвором будет более 15 В.

Если ток потребления нагрузкой менее 10 ампер, то возможно применить в ШИМ регуляторе мощные полевые p- канальные транзисторы.

Во второй схеме ШИМ регулятор напряжения 12 вольт меняется и вид транзистора VT1, а также меняется направление вращения переменного резистора R1. Так у первого варианта схемы, уменьшение напряжения управления (ручка потенциометра перемещается к «-» источника питания) вызывает увеличение напряжения на выходе. У второго варианта все наоборот.

В чём отличия ШИМ от ШИР

В зарубежной технической литературе нет отличия между широтно-импульсной модуляцией и широтно-импульсным регулированием (ШИР). Российские же специалисты эти понятия пытаются разграничить. На самом деле ШИМ – это вид модуляции, то есть изменения несущего сигнала под действием другого, модулирующего. Несущий сигнал выполняет роль переносчика информации, а модулирующий задает эту информацию. А широтно-импульсное регулирование – это регулирование режима нагрузки с помощью ШИМ.

Причины и области применения ШИМ

Принцип широтно-импульсной модуляции используется в регуляторах частоты вращения мощных асинхронных двигателей. В этом случае модулирующий сигнал регулируемой частоты (однофазный или трехфазный) формируется маломощным генератором синусоиды и накладывается на несущую аналоговым способом. На выходе получается ШИМ-сигнал, который подается на ключи потребной мощности. Дальше можно пропустить получившуюся последовательность импульсов через фильтр низкой частоты, например через простую RC-цепочку, и выделить исходную синусоиду. Или можно обойтись без нее – фильтрация произойдет естественным образом за счёт инерции двигателя. Очевидно, что чем выше частота несущей, тем больше форма выходного сигнала близка к исходной синусоиде.

Возникает естественный вопрос – а почему нельзя усилить сигнал генератора сразу, например, применением мощных транзисторов? Потому что регулирующий элемент, работающий в линейном режиме, будет перераспределять мощность между нагрузкой и ключом. При этом на ключевом элементе впустую рассеивается значительная мощность. Если же мощный регулирующий элемент работает в ключевом режиме (тринистор, симистор, RGBT-транзистор), то мощность распределяется во времени. Потери будут намного ниже, а КПД – намного выше.

В цифровой технике особой альтернативы широтно-импульсному регулированию нет. Амплитуда сигнала там постоянна, менять напряжение и ток можно лишь промодулировав несущую по ширине импульса и впоследствии усреднив её. Поэтому ШИМ применяют для регулирования напряжения и тока на тех объектах, которые могут усреднять импульсный сигнал. Усреднение происходит разными способами:

1. За счет инерции нагрузки. Так, тепловая инерция термоэлектронагревателей и ламп накаливания позволяет объектам регулирования заметно не остывать в паузах между импульсами.
2. За счёт инерции восприятия. Светодиод успевает погаснуть от импульса к импульсу, но человеческий глаз этого не замечает и воспринимает как постоянное свечение с различной интенсивностью. На этом принципе построено управление яркостью точек LED-мониторов. Но незаметное мигание с частотой несколько сот герц все же присутствует и служит причиной усталости глаз.
3. За счет механической инерции. Это свойство используется при управлении коллекторными двигателями постоянного тока. При правильно выбранной частоте регулирования двигатель не успевает затормозиться в бестоковых паузах.

Поэтому ШИМ применяют там, где решающую роль играет среднее значение напряжения или тока. Кроме упомянутых распространенных случаев, методом PWM регулируют средний ток в сварочных аппаратах и зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и т.д.

Если естественное усреднение невозможно, во многих случаях эту роль на себя может взять уже упомянутый фильтр низкой частоты (ФНЧ) в виде RC-цепочки. Для практических целей этого достаточно, но надо понимать, что без искажений выделить исходный сигнал из ШИМ с помощью ФНЧ невозможно. Ведь спектр PWM содержит бесконечно большое количество гармоник, которые неизбежно попадут в полосу пропускания фильтра. Поэтому не стоит строить иллюзий по поводу формы восстановленной синусоиды.

Очень эффективно и эффектно управление методом ШИМ RGB-светодиодом. Этот прибор имеет три p-n перехода – красный, синий, зеленый. Изменяя раздельно яркость свечения каждого канала, можно получить практически любой цвет свечения LED (за исключением чистого белого). Возможности по созданию световых эффектов с помощью PWM безграничны.

Наиболее употребительная сфера применения цифрового сигнала, промодулированного по длительности импульса – регулирование среднего тока или напряжения, протекающего через нагрузку. Но возможно и нестандартное использование этого вида модуляции. Все зависит от фантазии разработчика.

Обзор типичных схем

Регулировать вращения вала электродвигателя малой мощности можно посредством последовательного соединения резистора питания с отсутствие. Однако у такого варианта имеется очень низкий КПД и отсутствие возможности плавного изменения скорости. Чтобы избежать такой неприятности, следует рассмотреть несколько схем регулятора, которые применяются чаще всего.

Как известно, ШИМ имеет постоянную амплитуду импульсов. Кроме того, амплитуда идентична напряжению питания. Следовательно, электродвигатель не остановится, даже работая на малых оборотах.

Второй вариант аналогичен первому. Единственное отличие, что в качестве задающего генератора используется операционный усилитель. Этот компонент имеет частоту 500 Гц и занимается выработкой импульсов, имеющих треугольную форму. Регулировка также осуществляется переменным резистором.

Как изготовить своими руками?

Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.

Вот схема его работы:

Первоначально, это устройство было разработана для регулировки коллекторного двигателя на электротранспорте. Речь шла о таком, где напряжение питания составляет 24 В, но эта конструкция применима и для других двигателей.

Слабым местом схемы, которое было определено при испытаниях её работы, является плохая пригодность при очень больших значениях силы тока. Это связано с некоторым замедлением работы транзисторных элементов схемы.

Рекомендуется, чтобы ток составлял не более 70 А. В этой схеме нет защиты по току и по температуре, поэтому рекомендуется встроить амперметр и контролировать силу тока визуально. Частота коммутации составит 5 кГц, она определяется конденсатором C2 ёмкостью 20 нф.

При изменении силы тока, эта частота может изменяться между 3 кГц и 5 кГц. Переменный резистор R2 служит для регулировки тока. При использовании электродвигателя в бытовых условиях, рекомендуется использовать регулятор стандартного типа.

При этом, рекомендуется подобрать величину R1 таким образом, чтобы правильно настроить работу регулятора. С выхода микросхемы, управляющий импульс поступает на двухтактный усилитель на транзисторах КТ815 и КТ816, далее идёт уже на транзисторы.

Печатная плата имеет размер 50 на 50 мм и изготавливается из одностороннего стеклотекстолита:

На этой схеме дополнительно указаны 2 резистора по 45 ом. Это сделано для возможного подключения обычного компьютерного вентилятора для охлаждения прибора. При использовании в качестве нагрузки электродвигателя, необходимо схему заблокировать блокирующим (демпферным) диодом, который по своим характеристикам соответствует удвоенному значению тока нагрузки и удвоенному значению питающего напряжения.

Работа устройства при отсутствии такого диода может привести к поломке вследствие возможного перегрева. При этом, диод нужно будет поместить на теплоотвод. Для этого, можно воспользоваться металлической пластиной, которая имеет площадь 30 см2.

Регулирующие ключи работают так, что потери мощности на них достаточно малы. В оригинальной схеме, был использован стандартный компьютерный вентилятор. Для его подключения использовалось ограничительное сопротивление 100 Ом и напряжение питания 24 В.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.

Поделки своими руками для автолюбителей

Всем привет, конструируя всевозможные, низковольтные конструкции, иногда возникает необходимость использования специальных узлов, которые защищают схему при превышении или понижении питающего напряжения.

Приведённая схема является очень универсальной и может быть использована например для контроля заряда на аккумуляторе, для защиты источников питания, в частности преобразователей напряжения от повышенного или пониженного входного напряжения.

Схему можно использовать, как в качестве датчика оповещения, так и внедрить в реальную конструкцию, например в преобразователь напряжения, который отключиться если питающее напряжение выше или ниже нормы.

Рассмотрим простой пример, у вас есть повышающий преобразователь на вход, которого нельзя подавать выше 16 вольт и ниже 9. Если подаваемое напряжение выше 16 вольт, может нарушиться работа определенных узлов, также это приводит к нарушению расчетного напряжения на обмотках трансформатора.

При низком же входном напряжении, менее 9 вольт, а такое может быть если аккумулятор разряжен, управляющее напряжение на затворах силовых ключей будет менее 9 вольт, что приведет к неполному отпиранию ключей, как следствие сопротивление открытого канала увеличивается, в итоге повышенный нагрев, а при большой нагрузке выход из строя силовых транзисторов.

Также, инвертор не снабжённой такой защитой, может разрядить аккумулятор в хлам и стать причиной выхода его из строя, из-за глубокого разряда. Любой серьёзный инвертор имеет защиту от повышенного и пониженного входного питания.

Рассмотрим схему и принцип её работы.

Имеем компаратор LM339 — это четыре отдельных компаратора в едином корпусе,

в нашей схеме я задействовал всего два канала, на остальных двух можно построить например защиту от коротких замыканий и перегрева.

Кстати компаратор LM339 можно найти на платах некоторых компьютерных блоков питания, микросхема стоит рядом с шин-контроллером.

Первая часть схемы обеспечивает защиту от повышенного питания,

выход компараторов дополнен транзистором, для управления нагрузкой, также данный транзистор является инвертором.

В коллекторную цепь транзистора подключается нагрузка,

звуковой индикатор, светодиод,

обмотка реле или полевой транзистор,

для управления более мощными нагрузками, если это необходимо.

Имеется источник опорного напряжения в лице стабилитрона ZD1, опорное напряжение через делитель в виде подстроечного многооборотного резистора R3 подаётся на неинвертирующий вход компаратора (7), на инвертирующий вход (6), через делитель подано часть напряжения, которое нужно мониторить.

Введите электронную почту и получайте письма с новыми поделками.

Компаратор отслеживает это напряжение, если оно по каким-то причинам становится больше, увеличивается и напряжение на инверсном входе, компаратор понимает, что между его входами напряжение изменилась и моментально выдаёт на выходе низкий уровень сигнала или массу питания.

Почему массу? Если посмотреть на внутреннюю структуру компаратора,

то всё становится ясно, внутренний выходной транзистор, обратной проводимости, подключён эмиттером к массе, при его отпирании на выходе получим массу питания.

Именно поэтому на выходе схемы я добавил дополнительный транзистор прямой проводимости, он сработает при наличие отрицательного сигнала на базе, а на его коллекторе мы получим плюс питания, то есть транзистор инвертирует сигнал и это нужно например для управления мощным N-канальным силовым мосфетом.

Вторая схема устроена и работает точно таким же образом,

только входы подключены наоборот, в данном случае компаратор сработает, если входное напряжение ниже выставленного порога.

По поводу порога срабатывания, его можно выставить путём вращения подстроечного резистора, по факту он меняет опорное напряжение.

Пример использования — защита от повышенного напряжения для отключения аккумулятора при полном заряде, если у вас есть не автоматическое зарядное устройство, оно может перезарядить аккумулятор, что может привести к плачевным последствиям.

Если устройство дополнить такой схемой, то достаточно выставить порог срабатывания равным напряжению полностью заряженного аккумулятора и устройство автоматически отключится, когда аккумулятор заряжен.

Приведенная схема может работать в достаточно широком диапазоне входных напряжений от пяти до тридцати пяти вольт, ограничено напряжением питания компаратора и токо-гасящим резистором для стабилитрона R1. Именно этот вариант с указанными компонентами рассчитан для работы в диапазоне напряжений, где-то от 6 до 20 вольт, я планировал использовать её для защиты мощного преобразователя напряжения.

Как вам статья?