Широко-импулсна модулация (PWM) е метод за преобразуване на сигнал, който променя продължителността на импулса (пространствена) и честотата остава постоянна. На английски език терминологията се обозначава с PWM (широчинно-импулсна модулация). Тази статия обяснява подробно какво е ШИМ, къде се прилага и как работи.
Област на приложение
С развитието на технологията на микроконтролера преди PWM откриха нови възможности. Този принцип стана основа за електронни устройства, които изискват регулиране на изходните параметри и поддържането им на дадено ниво. Методът за широчинно-импулсна модулация се използва за промяна на яркостта на светлината, скоростта на двигателя, а също и в управлението на силовия транзистор на блоковете за захранване (BP) от импулсен тип.
Широко-импулсната (AI) модулация се използва активно при изграждането на системи за управление на яркостта на светодиодите. Поради ниската инерция, светодиодът успява да превключи (светкавица и охлаждане) при честота от няколко десетки kHz. Работата му в пулсиращ режим се възприема от човешкото око като постоянен блясък. На свой ред яркостта зависи от продължителността на импулса (отворено състояние на светодиода) по време на един период. Ако времето на пулса е равно на времето на пауза, т.е. коефициентът на запълване е 50%, тогава яркостта на светодиода ще бъде половината от номиналната стойност. С популяризирането на LED лампите при 220V се поставя въпросът за повишаване на надеждността на тяхната работа с нестабилно входно напрежение. Разтворът беше намерен във форматауниверсален чип - енергиен водач, работещ на принципа на импулсната или импулсно-честотната модулация. Схемата на базата на един от тези драйвери е описана подробно тук.
Входът към чипа на водача на мрежовото напрежение се сравнява непрекъснато с напрежението на вътрешната верига, формирайки изхода на ШИМ сигнал (CHIM), чиито параметри са определени от външни резистори. Някои микросхеми имат изход за аналогов или цифров контролен сигнал. По този начин работата на импулсния драйвер може да се контролира от друг SHI-конвертор. Интересното е, че светодиодът не приема високочестотни импулси, а ток с дроселна клапа, който е задължителен елемент от тези вериги.
Мащабното прилагане на PWM се отразява във всички LCD панели с LED подсветка. За съжаление, при LED мониторите повечето от SHI-преобразувателите работят на честота от сто херца, което се отразява негативно на потребителите на компютъра.
Микроконтролерът Arduino може да работи и в режим PIM контролер. За да направите това, извикайте функцията AnalogWrite (), посочваща стойността в скоби от 0 до 255. Нулата съответства на 0V, а 255 на 5V. Междинните стойности се изчисляват пропорционално на.
Широкото използване на устройства, работещи с ШИМ, позволи на човечеството да избяга от линейните захранвания на трансформаторите. В резултат на това се повишава ефективността и се намалява масата и размера на енергийните източници няколко пъти.
PWM контролерът е неразделна част от модерното импулсно захранване. Той успяваработата на силов транзистор, разположен в първи контур на импулсния трансформатор. Поради наличието на верига за обратна връзка, напрежението на изхода на BP е винаги стабилно. Най-малкото отклонение на изходното напрежение през обратната връзка се фиксира от чипа, който моментално коригира шпората на импулсите. Освен това, съвременният ШИМ контролер решава редица допълнителни задачи, които допринасят за повишаване на надеждността на източника на енергия:
- осигурява режим на плавно пускане на преобразувателя;
- ограничава амплитудата и тласъка на импулсите;
- контролира нивото на входното напрежение;
- предпазва от късо съединение и превишаване на температурата на клавиша за захранване;
- , ако е необходимо, ви позволява да зададете следващия режим.
Принцип на работа на PWM на контролера
Задачата на PWM контролера е да управлява ключа за захранването чрез промяна на управляващите импулси. При работа в режим на ключ транзисторът се намира в едно от двете състояния (напълно отворен, напълно затворен). В затворено състояние, токът през p-n-прехода не надвишава няколко mA, и следователно, силата на разсейване има тенденция към нула. В отворено състояние, въпреки високия ток, съпротивлението на p-n-прехода е прекалено малко, което също води до незначителни топлинни загуби. Най-голямо количество топлина се разпределя в момента на прехода от едно състояние към друго. Но поради малкото време на преходния процес в сравнение с честотата на модулация, загубата на мощност по време на превключването е незначителна.
Широко-импулсната модулация е разделена на два типа: аналогов и цифров. Всеки вид има своите предимства и може да се прилага схематично по различни начини.
аналогова ШИМ
Принципът на работа на аналогов SHI-модулатор се основава на сравнението на два сигнала, чиято честота варира в зависимост от няколко поръчки. Елементът на сравнението е операционният усилвател (компаратор). Един от неговите входове захранва пиковото напрежение с висока постоянна честота, а от друга - нискочестотно модулиращо напрежение с променлива амплитуда. Компараторът сравнява двете стойности и на изхода формира правоъгълни импулси, продължителността на които се определя от текущата стойност на модулиращия сигнал. В този случай честотата на ШИМ е равна на честотата на сигнала на формата на полена.
цифрови ШИМ
Широко-импулсна модулация в цифровата интерпретация е една от многото функции на микроконтролер (МК). Работейки изключително с цифрови данни, МС може да генерира на своите изходи високо ниво (100%) или ниско (0%) напрежение. Въпреки това, в повечето случаи, за ефективен контрол на товара, трябва да се промени напрежението на изхода на МК. Например, регулиране на скоростта на двигателя, промяна на яркостта на LED. Какво трябва да направя, за да получите стойност на напрежението в диапазона от 0 до 100% на изхода на микроконтролера?
Проблемът се решава чрез прилагане на метода за широчинно-импулсна модулация и използване на явлението за повторно вземане на проби, когато зададената честота на превключване е няколко пъти по-голяма от реакцията на контролираното устройство. Промяната на импулсите променя средната стойност на изходанапрежение. По правило целият процес се извършва с честота от десетки или стотици kHz, което дава възможност за плавно регулиране. Технически това се осъществява с помощта на PWM контролер - специализирана микросхема, която е "сърцето" на всяка цифрова система за управление. Активното използване на контролери на базата на ШИМ се дължи на техните неоспорими предимства:
- висока ефективност на трансформацията на сигнала;
- стабилност на работата;
- спестяване на енергия, консумирана от товара;
- ниска цена;
- висока надеждност на цялото устройство.
Получаването на заключенията от PWM микроконтролера може да бъде по два начина: хардуер и софтуер. Всеки MC има вграден таймер, който е способен да генерира PWM импулси при определени заключения. Това се постига чрез хардуерна реализация. Получаването на PWM сигнали с помощта на програмни команди има повече възможности по отношение на разделителната способност и ви позволява да използвате повече заключения. Въпреки това, софтуерният метод води до високо зареждане MK и отнема много памет.
Трябва да се отбележи, че броят на импулсите в дигиталната ШИМ за период може да бъде различен и самите импулси могат да бъдат разположени във всяка част на периода. Изходното ниво се определя от общата продължителност на всички импулси за периода. Трябва да се разбере, че всеки допълнителен импулс е преходът на силовия транзистор от отворено към затворено, което води до увеличаване на загубите по време на превключване.
Пример за използване на ШИМ на регулатора
Една от възможностите за прилагане на обикновен регулатор на PIMописани по-рано в тази статия. Тя е базирана на чип NE555 и има малка каишка. Но въпреки простатната верига, регулаторът има доста широка гама от приложения: схемата за контролиране на яркостта на светодиодите, LED ленти, регулиране на скоростта на двигателите на постоянен ток.
