Что такое ШИМ - принцип работы широтно-импульсной модуляции
Содержание
- 1 Что такое шим (широтно-импульсная модуляция)?
- 2 ШИМ контроллер: принцип работы
- 3 Принцип шим-регулятора
- 4 В чем отличие между шим и шир?
Микропроцессоры работают исключительно с цифровыми сигналами: с логическим нулем (0В) или с логической единицей (5В или 3.3В). По этой причине на выходе микропроцессор не может сформировать промежуточное напряжение. Применение для решения таких задач внешних ЦАП нецелесообразно из-за сложности. Специально для этого разработана широтно-импульсная модуляция — определенный процесс управления мощностью, идущей к нагрузке, методом изменения скважности импульсов постоянной частотности.
Что такое шим (широтно-импульсная модуляция)?
Это современный метод управления уровнем мощности подаваемой к нагрузке, заключающийся в изменении продолжительности импульса при постоянной частоте их следования. Это технология модуляции сигнала за счет вариативного изменения ширины импульсов, а не выходного напряжения. ШИМ преобразователь может быть аналоговый, цифровой и пр.
Широтно-импульсная модуляция — важнейшие параметры:
- Т -период тактирования — промежутки времени, через которые подаются импульсы.
- Длительность импульса — время пока подается сигнал.
- Скважность — рассчитанное по формуле соотношение длины импульса к импульсному Т периоду тактирования.
- D коэффициент заполнения — показатель обратный скважности.
Область применения
Применение ШИМ позволяет увеличить и намного коэффициент полезного действия электрических преобразователей. Тем более это относится к импульсным преобразователям, которые сегодня преимущественно применяются во вторичных источниках питания разных электронных аппаратов. Импульсные преобразователи обратноходовые, прямоходовые 1-тактные, 2-тактные, полумостовые, резонансные управляются с участием ШИМ.
Принцип ШИМ сегодня стал основным для электронных устройств, которым требуется поддержание на заданном уровне выходных параметров и их регулировка. Метод применяется для изменения скорости вращения двигателей, яркости света, управления силовым транзистором БП импульсного типа.
Используется ЩИМ модуляция и в системах управления яркостью светодиодов. Светодиод, благодаря низкой инерционности, успевает мигнуть на частоте всего в несколько десятков кГц. Для человеческого глаза работа светодиода в импульсном режиме воспринимается как свечение. Яркость светодиода зависит от продолжительности импульса в течение одного периода. При коэффициенте заполнения в 50%, то есть, если время свечения равно времени паузы, яркость светодиода составляет одну вторую номинальной величины. Когда появились светодиодные лампы 220В, нашлась проблема повышения их надёжности при нестабильном входном напряжении. Задача была решена разработкой драйвера питания, функционирующего по принципу ШИМ.
Распространение устройств, функционирующих по принципу ШИМ, позволило уйти от линейных трaнcформаторных БП. В результате чего повысилось КПД и уменьшились масса и габариты источников питания. Поэтому сегодня ШИМ-контроллер является сегодня неотъемлемой частью импульсного БП. Он управляет силовым транзистором и напряжение на выходе блока питания всегда остаётся стабильным. Кроме этого, ШИМ-контроллер:
- обеспечивает плавный пуск преобразователя;
- ограничивает скважность и амплитуду управляющих импульсов;
- контролирует входное напряжение;
- защищает от КЗ силового ключа;
- в аварийной ситуации переводит устройство в деж. режим.
Сегодня широтно-импульсная модуляция применяется повсеместно и позволяет управлять яркостью подсветки ЖК дисплеев мобильных телефонов, смартфонов, ноутбуков. Реализована микросхема ШИМ в сварочных аппаратах, в автоинверторах, в зарядных устройствах и пр. В любом зарядном устройстве используется сегодня ШИМ.
ШИМ контроллер: принцип работы
ШИМ сигналом управляет ШИМ контроллер. Он управляет силовым ключом благодаря изменениям управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открытым или полностью открытым. В закрытом состоянии через p-n-переход идет ток не больше нескольких мкА, то есть мощность рассеивания близка к нулю. В открытом состоянии идет большой ток, но так как сопротивление p-n-перехода мало, происходят небольшие теплопотери. Больше тепла выделяется в при переходе из одного состояния в другое. Однако благодаря быстроте переходного процесса в сравнении с частотой модуляции, мощность этих потерь незначительна.
Все это позволило разработать высокоэффективный компактный широтно импульсный преобразователь, то есть с малыми теплопотерями. Резонансные преобразователи с переключением в 0 тока ZCS позволяют свести теплопотери к минимуму.
Аналоговая ШИМ
В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется при помощи аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий — непрерывный модулирующий.
Выходные импульсы идут прямоугольной формы. Частота их следования соответствует частоте пилы, а длительность плюсовой части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, идущего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, подающегося на инвертирующий вход. В период когда напряжение пилообразного сигнала будет превышать модулирующий сигнал — на выходе будет фиксироваться отрицательная часть импульса.
Во время когда пилообразный сигнал подается на неинвертирующий вход, а модулирующий — на инвертирующий, выходные прямоугольные импульсы будут положительными, когда напряжение пилы будет выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, а отрицательное — когда напряжение пилы станет ниже сигнала модулирующего.
Цифровая ШИМ
Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может формировать на выходах или 100% высокий или 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой такое напряжение на выходе нужно изменять. Например, когда осуществляется регулировка скорости вращения вала мотора или при изменении яркости светодиода.
Вопрос решают ШИМ контроллеры. То есть, 2-хуровневая импульсно-кодированная модуляция — это серия импульсов, хаpaктеризующаяся частотой 1/T и либо шириной Т, либо шириной 0. Для их усреднения применяется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные подимпульсы, которыми и заполнен период, могут занимать любое место в периоде. Тогда на среднем значении сигнала за период сказывается лишь их количество. Так как процесс осуществляется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной регулировки. ШИМ контроллеры решают эту задачу.
Можно провести следующую аналогию с механикой. Когда маховик вращается при помощи двигателя, при включенном двигателе маховик будет раскручиваться или продолжать вращение, если двигатель выключен, маховик будет тормозить из-за сил трения. Однако, если движок включать/выключать на несколько секунд, вращение маховика будет держаться на определенной скорости благодаря инерции. Чем дольше период включения двигателя, тем быстрее раскрутится маховик. Аналогично работает и ШИМ модулятор. Так работают ШИМ контроллеры, в которых переключения происходят в секунду тысячи раз, и частоты могут достигнуть единиц мегагерц.
Использование ШИМ-контроллеров обусловлено их следующими преимуществами:
- стабильностью работы;
- высокой эффективностью преобразования сигнала;
- экономией энергии;
- низкой стоимостью.
Получить на выводах микроконтроллера (МК) ШИМ сигнал можно:
- аппаратным способом;
- программным способом.
В каждом МК есть встроенный таймер, генерирующий ШИМ импульсы на определённых выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ сигнала при помощи комaнд программирования более эффективно за счет разрешающей способности и дает возможность задействовать больше выводов. Но программный способ вызывает высокую загрузку МК, занимая много памяти.
Принцип шим-регулятора
Работа ШИМ регулятора сложностью не отличается. ШИМ-регулятор — устройство, выполняющее такую же функцию, что и традиционный линейный регулятор мощности (то есть, меняет напряжение или ток за счёт силового транзистора, рассеивающего значительную мощность на себе). Но ШИМ-регулятор отличается намного большим КПД. Достигается это благодаря тому, что управляющий силовой транзистор функционирует в ключевом режиме (либо включен, тогда пропускает большой ток, но мало падение напряжения, либо выключен — ток не проходит). В результате на таких силовых транзисторах мощность пpaктически не рассеивается и энергия впустую не тратится.
После силового транзистора напряжение выходит как прямоугольные импульсы с изменяющейся скважностью в зависимости от необходимой мощности. Но сигнал нужно демодулировать (то есть, выделить среднее напряжение). Этот процесс происходит или в самой нагрузке (когда она индуктивного хаpaктера) или если между нагрузкой и силовым каскадом располагают фильтр нижних частот.
Пример использования шим регулятора
Самый простой пример использования регулятора напряжения ШИМ — ШИМ микросхема NE555, с которой знаком каждый радио-любитель. Благодаря ее универсальности можно конструировать самые разнообразные детали: от простейшего одновибратора импульсов с 2 в обвязке до модулятора, состоящего из большого числа компонентов. ШИМ регулятор напряжения имеет широкую область применения — это схемы регулировки яркости светодиодов и лент, а также регулировка скорости вращения движков.
В чем отличие между шим и шир?
На Западе понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и ШИМ пpaктически не различаются. Однако у нас между ними все же существует различие. Во многих микросхемах реализован принцип ШИР, однако при этом они все равно называются ШИМ контроллеры. Таким образом различий в названии этих двух способов пpaктически нет.
Единственное отличие между ШИР и ШИМ — при ШИР время импульса и паузы постоянны. А при ШИМ их длительности изменяются, что позволяет сформировать выходной ШИМ сигнал заданной формы.
Комментарии:
Читайте, что представляет собой система адаптивного освещения автомобиля. Узнайте, как она устроена, принцип работы, разновидности комплексов адаптивной подсветки. Основные достоинства и недостатки, стоимость и прочие особенности системы....
16 05 2024 8:55:32
Узнайте, как произвести ремонт светодиодной лампы на 220 Вольт своими руками в домашних условиях. Основные причины поломок, способы их устранения. Как избежать выхода устройства из строя....
15 05 2024 11:18:54
Использование освещения в ландшафтном дизайне — что и как можно подсветить на дачном участке. Основные виды ландшафтного освещения, какое бывает в зависимости от выполняемой функции. Как выбрать светильники для подсветки ландшафта....
14 05 2024 23:29:55
Читайте, по каким критериям выбирается настольная лампа для школьника. Узнайте, какую лампочку лучше всего вставить в светильник для ребенка. Какие светодиоды самые лучшие, как проверить их качество. Все ли рекомендации офтальмологов обязательно нужно выполнять....
13 05 2024 17:18:59
На сегодняшний день многие крупные мегаполисы изобилуют таким немаловажным элементом, как светодиодные экраны, которые не только служат украшением города...
12 05 2024 17:54:41
Смотрите здесь, что такое Люмен. Узнайте, как выбирать led-лампочки с учетом уровня освещенности и цветовой температуры. Особенности расчета силы светового потока светодиодов. Сравнение хаpaктеристик ЛЕД-ламп и приборов с нитью накала...
11 05 2024 0:19:38
Работа электрика подразумевает широкий спектр технологических процедур. Это штробление, прокладка кабелей, монтаж оборудования и многое другое. Во время работы...
10 05 2024 8:58:46
Светодиодный ШНУР в интерьере: примеры использования, особенности и интересные приемы. Советы дизайнеров и электриков....
09 05 2024 15:12:38
7 Взрываются галогенные лампочки3...
08 05 2024 15:12:51
Подключение выключателя с подсветкой: устройство и принцип работы. Особенности монтажа выключателей с диодом или конденсатором. Почему моргают светодиодные лампы после подключения выключателя с индикатором подсветки....
07 05 2024 8:59:12
Освещение для офисов является важным компонентом создания рабочей атмосферы. Поэтому в нашей статье мы решили разобраться во всех нормах, правилах и принципах формирования освещения в офисе, и постараемся сделать это максимально простым языком....
06 05 2024 19:13:32
Читайте, какие светодиодные лампы для уличного освещения применяются, каковы их основные особенности и хаpaктеристики, какие требования к ним предъявляются, в каких областях применяются и что нужно знать об их обслуживании, а также можно ли своими руками собрать подобные светильники....
05 05 2024 10:45:59
Статья подскажет, какие и как использовать розетки для кухни выдвижные....
04 05 2024 14:46:45
Чем измерить напряжение в розетке или определить значение тока, протекающего через нее? Такой вопрос становился пpaктически перед каждым из нас....
03 05 2024 22:13:22
Технология монтажа растровых светильников, схема разводки электропроводки. Что такое растровый светильник — особенности, преимущества и недостатки использования. Разновидности и конструктивные особенности, какой выбрать, встраиваемый или накладной....
02 05 2024 2:35:55
Читайте, как выбрать светодиодные светильники для жилых помещений. Узнайте, из каких диодов производятся лампочки для приборов освещения в доме и на улице. Как подобрать лампу для существующих светильников. Какими особенностями обладают осветительные приборы, предназначенные для светодиодов....
01 05 2024 13:57:24
Смотрите, какие виды подсветки для бассейна существуют, какие основные требования предъявляются для монтажных работ, какие виды источников света применяются и в каких случаях, а также, как управлять системой освещения....
30 04 2024 15:48:46
Как правильно подобрать ксеноновые лампы для автомобиля? Преимущества и недостатки моделей....
29 04 2024 12:40:57
Читайте, какие модели светодиодов могут быть использованы в карманном, налобном или поисковом фонарике. Как можно произвести ремонт вышедшего из строя светильника. Сохраните себе пошаговую инструкцию по замене LED элемента....
28 04 2024 8:30:59
Как подключить диммер: сферы применения и способы управления. Разновидности диммеров, их устройство и принцип действия. Особенности установки диммера вместо обычного выключателя. Настройка диммирования из нескольких мест....
27 04 2024 19:20:51
Читайте, сколько электроэнергии потрeбляет светодиодная лампа. Узнайте, как рассчитать расход за сутки и месяц в ваттах и рублях. Какие недостатки системы освещения со светодиодами необходимо учесть при отказе от лампочек накаливания. Почему качественные светодиоды самые эффективные в длительной перспективе....
26 04 2024 11:58:46
Короб для светодиодной ленты для самостоятельного монтажа подсветки: разновидности, особенности, способы монтажа....
25 04 2024 15:12:35
Солнечная батарея своими руками: преимущества и недостатки самодельных изделий. Пошаговая инструкция по самостоятельному монтажу. Разновидности солнечных батарей. Какие инструменты и материалы необходимы....
24 04 2024 21:35:22
Светодиодные противотуманные фары: преимущества перед другими лампами, способы установки и рекомендации по выбору....
23 04 2024 0:36:13
Розетка для подключения электроплиты может стать определенной проблемой во время ремонта кухни. Поэтому дабы снять все вопросы в нашей новой статье мы решили рассмотреть все вопросы, связанные с ее монтажом, правилами установки и эксплуатацией....
22 04 2024 12:30:51
301) Как выбрать и установить фотодатчики освещения...
21 04 2024 7:23:59
Как правильно подключить люстру к двух клавишному выключателю? Вариант посоединения пятирожковои и 3 рожковой модели. Как доработать люстру, если она расчитана на выключатель с одной клавишей...
20 04 2024 12:58:46
ПГВА провод нашел широкое применение в первую очередь в автомобильной промышленности. Его используют для прокладки проводки в автомобилях, тpaкторах, мопедах, а также других механизмах и устройствах....
19 04 2024 18:56:29
Освещение на террасе или веранде загородного дома — для чего нужно, правила организации. Какой тип светильников выбрать, по каким критериям. Варианты установки подсветки, основной свет и дополнительные элементы. Меры безопасности....
18 04 2024 10:37:10
Читайте, как сделать подсветку ступеней лестницы своими руками, какие для этого материалы применяются, какие виды управления и источники питания для них существуют, а также как самостоятельно изготовить элементарную систему на базе светодиодной ленты....
17 04 2024 12:53:58
45) Проводка в частном доме: как сделать правильно...
16 04 2024 11:25:56
Узнайте, как правильно подобрать кабель питания для светодиодной ленты. Читайте, какое нужно сечение провода, как его рассчитать и что от него зависит. Уточните для себя особенности пайки или механического соединения компонентов подсветки....
15 04 2024 17:16:19
Читайте, какие светодиодные лампы 12 В предлагаются на рынке. Узнайте, какие критерии самые важные при выборе. Изделия каких производителей самые качественные, как можно сэкономить. Почему не выгодно покупать дешевые светодиоды неизвестных производителей....
14 04 2024 3:25:30
Как подключить цветную светодиодную ленту с пультом: особенности подключения светодиодной ленты, что потребуется, варианты и схемы....
13 04 2024 12:54:49
Читайте здесь, как устроена и работает схема энергосберегающей лампы, какие виды таких приборов освещения существуют, какие у них главные эксплуатационные хаpaктеристики, каковы принципы и устройство их работы, какие компоненты составляют их схему и как происходит зажигание....
12 04 2024 10:11:43
ПуГВ провод появился на нашем рынке только в 2010 году. Но это совсем не значит, что это новейшая разработка и до этого данный провод вы не могли встретить на рынке....
10 04 2024 0:29:25
Узнайте, что такое лазерный диод, как он устроен, принцип действия и разновидности. Читайте, какими особенностями обладают элементы с разной длиной волны и цветом луча. Уточните для себя специфику подключения и необходимость использования дополнительных устройств....
09 04 2024 22:31:11
Читайте, из каких частей состоит лампа КЛЛ, какие колбы и цоколи используют производители. Узнайте, какая мощность требуется для жилых помещений. Как расшифровать маркировку и подобрать оптимальные показатели светопередачи и температуры цвета. Почему не стоит экономить при покупке КЛЛ....
08 04 2024 8:26:50
Выясняем, почему может мигать лампочка при включенном и выключенном свете. Как найти причину, по которой моргает энергосберегающая или светодиодная лампа. Как исправить мигающие источники света....
07 04 2024 10:51:47
Читайте, как можно самостоятельно изготовить фонарь для наружного освещения. Узнайте, какие могут быть выбраны светильники, выберите наиболее подходящий материал и вид фонаря. Сохраните себе порядок изготовления и подключения устройства с источнику питания....
06 04 2024 3:26:17
Как сделать проводку в доме? Такой вопрос неизбежно становится перед каждым счастливым обладателем новостроя, или несчастным, решившимся на капитальный ремонт....
05 04 2024 20:49:44
Энергосберегающие лампы: особенности и преимущества использования. Советы по выбору ЭСЛ ламп от специалистов....
04 04 2024 17:23:42
168) Как подключается наружная розетка тройная...
03 04 2024 21:27:57
Подключение светодиода к Ардуино — какие компоненты для этого понадобятся. Схема подключения к плате Arduino Nano или Uno, полярность светодиодов и ограничение по току. Как управлять, включение и выключение программно....
02 04 2024 4:54:41
169) Рассмотрим как подключить тройную розетку...
01 04 2024 14:44:49
Схема подключения два выключателя на одну лампочку: варианты. Какие выключатели могут управлять освещением из двух точек: название, принцип действия и конструкция. Особенности подключения двух проходных выключателей в одной цепи....
31 03 2024 21:28:24
Большая часть хозяев квартир и домов старается перейти на автономные коммуникации. И горячее водоснабжение не исключение. Для обеспечения всех жильцов горячей...
30 03 2024 17:53:12
Розетка стиральной машинки имеет определенные требования по своей установке и расположению. Кроме того, есть общие требования по установке розеток о которых частенько забывают при установке машинок. Все это может привести как к поломке розетки или стиральной машинки, так и более тяжелым последствиям вплоть до cмepтельного исхода....
29 03 2024 1:57:50
Провода МГТФ получили широкое распространение во всех сферах электроэнергетики. Благодаря своим уникальным свойствам и богатому спектру выпускаемой продукции такой провод можно использовать пpaктически в любых электроустановках напряжением до 250В....
28 03 2024 10:42:54
Еще:
товары -1 :: товары -2 :: товары -3 :: товары -4 :: товары -5 ::
