Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)
При широтно-импульсной модуляции исходного сигнала амплитуда, частота и фаза исходного сигнала остаются неизменными. Длительность (ширина) прямоугольного импульса изменяется под действием информационного сигнала. В англоязычной технической литературе это сокращенно называется PWM — Pulse Width Modulation.
Широтно-импульсное регулирование ШИР
В западной литературе практически нет различий между концепциями управления шириной импульса WIR и широтно-импульсной модуляцией PWM. Однако у нас все же есть разница между ними.
Сейчас во многих микросхемах, особенно используемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип WID. Но в то же время их называют ШИМ-контроллерами. Таким образом, теперь между этими двумя методами практически нет разницы в названиях.
В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открытия последней, используются опорные источники и опорное напряжение, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой батарея GB питает потребителя Rn импульсным способом через транзистор VT. Сразу скажу, что в этой схеме я специально не использовал элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, индуктивность и диод. Это сделано для того, чтобы было легче понять, как работает ШИМ, а не весь преобразователь.
Упрощенно, компаратор имеет три контакта: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если напряжение на входе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), выход компаратора будет высоким. В противном случае — низкий уровень.
В нашем случае именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется требуемая длительность импульса tp. Для этого воспользуемся следующей таблицей.
При использовании WID на вход компаратора подается пилообразный сигнал заданной частоты. Его еще называют справочным. На второй вход подается опорное напряжение, которое сравнивается с опорным напряжением. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.
При наличии опорного сигнала на неинвертирующем входе компаратора сначала будет пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подается опорный сигнал, сначала будет импульс, а затем пауза.
Следовательно, изменяя значение данного сигнала, можно изменить рабочий цикл и, следовательно, среднее напряжение на нагрузке.
Они стремятся максимально увеличить частоту опорного сигнала, чтобы снизить параметры индуктивностей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к уменьшению массы и габаритов импульсного блока питания.
Принцип работы ШИМ
Сигнал с широтно-импульсной модуляцией генерируется двумя способами:
- аналог;
- цифровой.
При аналоговом методе создания ШИМ-сигнала несущая в виде пилообразного или треугольного сигнала подается на инвертирующий вход компаратора, а информативный — на неинвертирующий. Если мгновенный уровень несущей выше модулирующего сигнала, выход компаратора равен нулю, если ниже — единице. Выходной сигнал представляет собой дискретный сигнал с частотой, соответствующей частоте несущего треугольника или пилы, и длительностью импульса, пропорциональной уровню модулирующего напряжения.
Например, широтно-импульсная модуляция треугольного сигнала отображается с линейным увеличением. Длительность выходных импульсов пропорциональна уровню выходного сигнала.
Также доступны аналоговые ШИМ-контроллеры в виде готовых микросхем, внутри которых установлены компаратор и схема генерации несущей. Имеются входы для подключения внешних элементов настройки частоты и подачи информационного сигнала. Сигнал, управляющий мощными внешними ключами, удаляется из вывода. Также есть входы для обратной связи: они нужны для поддержания заданных параметров управления. Такова, например, микросхема TL494. Для случаев, когда потребляемая мощность относительно невысока, производятся ШИМ-контроллеры со встроенными клавишами. Внутренний ключ микросхемы LM2596 рассчитан на токи до 3 ампер.
Цифровой метод выполняется с использованием специализированных микросхем или микропроцессоров. Длительность импульса регулируется внутренней программой. Во многих микроконтроллерах, в том числе в популярных PIC и AVR, есть встроенный модуль для аппаратной реализации ШИМ на борту, для приема сигнала ШИМ необходимо активировать модуль и установить его рабочие параметры. Если такого модуля нет, ШИМ можно организовать исключительно программно, это несложно. Этот метод предлагает больше возможностей и больше свободы за счет гибкого использования выходов, но требует больше ресурсов контроллера.
Частотная модуляция
В результате этого типа модуляции сигнал модулирует частоту опорного сигнала вместо мощности. Следовательно, если амплитуда сигнала увеличивается, то соответственно увеличивается и частота. Из-за того, что ширина полосы принимаемого сигнала намного больше, чем значение исходного сигнала.
Такая модуляция отличается высокой помехоустойчивостью, однако для ее применения необходимо использовать высокочастотный диапазон.
Характеристики ШИМ сигнала
Важными характеристиками сигнала ШИМ являются:
- амплитуда (U);
- частота (f);
- рабочий цикл (S) или рабочий цикл D.
Амплитуда в вольтах устанавливается в зависимости от нагрузки. Он должен обеспечивать номинальное напряжение питания потребителя.
Частота сигнала с широтно-импульсной модуляцией выбирается из следующих соображений:
- Чем выше частота, тем выше точность управления.
- Частота не должна быть меньше времени срабатывания устройства с ШИМ-управлением, иначе будет значительная пульсация регулируемого параметра.
- Чем выше частота, тем больше коммутационные потери. Они возникают из-за того, что время переключения ключей закончилось. В заблокированном состоянии на ключевой элемент падает все напряжение питания, но ток практически отсутствует. В разомкнутом состоянии через переключатель протекает ток полной нагрузки, но падение напряжения невелико, поскольку сопротивление передачи составляет несколько Ом. В обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна. Переход из одного состояния в другое происходит быстро, но не мгновенно. В процессе размыкания-замыкания на частично открытый элемент падает большое напряжение и в то же время через него протекает значительный ток. В это время рассеиваемая мощность достигает высоких значений. Этот период короткий, ключ не успевает существенно прогреться. Но с увеличением частоты таких интервалов времени в единицу времени тепловые потери увеличиваются и увеличиваются. Поэтому для построения ключей важно использовать высокоскоростные элементы.
- При проверке электродвигателя частоту необходимо вывести за пределы слышимого человеком диапазона — 25 кГц и выше. Потому что при меньшей частоте ШИМ возникает неприятный свист.
Эти требования часто противоречат друг другу, поэтому выбор частоты в некоторых случаях является поиском компромисса.
Амплитуда модуляции характеризуется рабочим циклом. Поскольку частота повторения импульса постоянна, длительность периода также постоянна (T = 1 / f). Период состоит из импульса и паузы, имеющий длительность tpause и tpause и tpump + tpause = T соответственно. Рабочий цикл — это соотношение между длительностью импульса и периодом — S = timpulse / T. Но на практике это оказалось Чтобы удобнее было использовать обратное значение — коэффициент заполнения: D = 1 / S = T / timp. Еще удобнее выразить коэффициент заполнения в процентах.
Фазовая модуляция
Во время этого типа модуляции сигнал основной полосы частот использует фазу опорного сигнала. При таком типе модуляции результирующий сигнал имеет довольно широкий спектр, поскольку фаза повернута на 180 градусов.
Фазовая модуляция активно используется для формирования помехоустойчивой связи в микроволновом диапазоне.
Принцип работы ШИМ контроллера
Задача ШИМ-контроллера — управлять выключателем питания путем изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через pn переход не превышает нескольких мкА, а это означает, что рассеиваемая мощность стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление pn перехода слишком мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется при переходе из одного состояния в другое. Но из-за короткого переходного времени относительно частоты модуляции мощность переключения незначительна.
Широтно-импульсная модуляция делится на два типа: аналоговая и цифровая. Каждый из типов имеет свои преимущества, и схемы могут быть реализованы по-разному.
Аналоговая ШИМ
Принцип работы аналогового модулятора ШИ основан на сравнении двух сигналов, частота которых различается на несколько порядков. Операционный усилитель (компаратор) служит элементом сравнения. На один из его входов подается постоянное высокочастотное пилообразное напряжение, а на другой — низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и генерирует прямоугольные выходные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. В этом случае частота ШИМ равна частоте пилообразного сигнала.
Цифровая ШИМ
Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации — одна из многих функций микроконтроллера (МК). Работая исключительно с цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах высокий (100%) или низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой необходимо изменять напряжение на выходе МК. Например, регулируя скорость мотора, меняя яркость светодиода. Что делать, чтобы на выходе микроконтроллера получилось любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?
Проблема решается применением метода широтно-импульсной модуляции и использования явления передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает отклик управляемого устройства. При изменении скважности импульсов изменяется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте от десятков до сотен кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализовано с помощью ШИМ-контроллера — специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми достоинствами:
- высокая эффективность преобразования сигнала;
- стабильность работы;
- экономия энергии, потребляемой нагрузкой;
- бюджетный;
- высокая надежность всего устройства.
Есть два способа подать сигнал ШИМ на контакты микроконтроллера: аппаратный и программный. Каждый MC имеет встроенный таймер, способный генерировать импульсы ШИМ на определенных выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение сигнала ШИМ с помощью программных команд имеет больше возможностей с точки зрения разрешения и позволяет использовать больше контактов. Однако программный метод приводит к высокой нагрузке на МК и занимает много памяти.
Интересно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть разным, а сами импульсы могут располагаться в любом месте периода. Уровень выходного сигнала определяется общей длительностью всех импульсов за период. Следует понимать, что каждый дополнительный импульс — это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что приводит к увеличению потерь при переключении.
Амплитудная модуляция
Модулирующий и опорный сигналы передаются на вход модулирующего устройства, следовательно, на выходе мы имеем модулированный сигнал. Условием правильного преобразования считается удвоение несущей частоты по отношению к максимальному значению сигнала основной полосы частот. Этот тип модуляции довольно прост в реализации, но имеет низкую помехозащищенность.
Устойчивость возникает из-за узкой полосы пропускания модулированного сигнала. Он в основном используется в диапазонах средних и низких частот электромагнитного спектра.
В чём отличия ШИМ от ШИР
В зарубежной технической литературе нет разницы между широтно-импульсной модуляцией и регулировкой ширины импульса (WIR). Российские специалисты пытаются разграничить эти понятия. Действительно, ШИМ — это разновидность модуляции, то есть изменение одной несущей сигнала под влиянием другой, модулирующей. Несущий сигнал действует как носитель информации, и модулирующий сигнал устанавливает эту информацию. А регулировка ширины импульса — это регулировка режима нагрузки с помощью ШИМ.