Виды широко-импульсных схем.

ШИМ-контроллеры STMicroelectronics

На сегодняшний день разработано около 14 различных топологий импульсных источников питания (табл. 1). Каждая обладает уникальными свойствами, позволяющими использовать ее для решения своего круга задач.

Таблица 1. Базовые топологии схем, применяемые при построении импульсных источников питания

Топология Схема Мощность,
Вт
Область применения Особенности
Обратноходовый
(flyback)
до 300 Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.), мощные зарядные устройства и внешние блоки питания. Простота схемы, низкая стоимость
Прямоходовый
(feed forward)
до 300 Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.), мощные зарядные устройства, внешние и встроенные блоки питания. Пониженный уровень помех, повышенная эффективность при низких выходных напряжениях
Резонансный
(resonance)
до 300 Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.) Высокая рабочая частота и как следствие — малые габариты, простота фильтрации помех
Двухтактный
(push-pull)
100…5000 Внешние и встраиваемые источники питания для бытовой, промышленной и автомобильной аппаратуры Пониженный уровень помех
Полумостовой
(half-bridge)
100…1000 Внешние и встраиваемые источники питания (например, компьютеры) Малые габариты
Пониженный уровень помех
Мостовой
(full-bridge)
100…3000 Блоки бесперебойного питания, зарядные устройства Повышенный КПД

Сегодня «сердцем» практически любого современного трансформаторного импульсного источника питания средней и высокой мощности является специализированная ИС, управляющая работой внешнего силового транзистора/транзисторов. В подавляющем большинстве таких источников используется несколько режимов управления работой силовых транзисторов: широтно-импульсный (PWM — ШИМ), частотно-импульсный (FPM — ЧИМ), квазирезонансный (QR). Также зачастую с целью повышения КПД используется смешанный режим: ЧИМ или квазирезонансный режимы — на низкой выходной мощности, а ШИМ — на средних и больших мощностях.

Задачи и функции ШИМ-контроллеров сводятся не только к управлению внешними силовыми транзисторами и поддержанию выходного напряжения на требуемом уровне с заданной погрешностью. В действительности в перечень этих функции в обязательном порядке входят:

контроль состояния ключевых транзисторов (ограничение тока и скважности импульсов управления);

плавный запуск после подачи питания (плавный пуск);

контроль уровня входного напряжения и его «провалов» и «выбросов»;

защита от пробоя силового трансформатора и выходным цепей выходного выпрямителя;

контроль температуры самого контроллера (реже и силовых транзисторов).

Условно все производимые ШИМ-контроллеры STMicroelectronics (табл. 2) можно разделить на три группы: управление по напряжению, управление по току и смешанное управление.

Таблица 2. Краткие характеристики и параметры ШИМ-контроллеров STMicroelectronics

Наимено-
вание
Режим
управления
Входное
напря-
жение, В
Выходное
напря-
жение, В
Макс.
выход-
ной
ток, А
Макс.
частота
регули-
рования,
кГц
Скваж-
ность,
%
Корпус
Мин. Макс. Мин. Макс.
SG2525A Напряжение 8 35 0,5 500 49 DIP16/SO16
SG3524 Напряжение 8 40 0,1 300 45 DIP16/SO16
SG3525A Напряжение 8 35 0,5 500 49 DIP16/SO16
L5991 Ток 12 20 4,92 5,08 1,5 100 93 DIP16/SO16
UC2842B Ток 11 30 1 500 100 DIP8/SO8
UC2843B Ток 8,2 30 1 500 100 DIP8/SO8
UC2844B Ток 11 30 1 500 50 DIP8/SO8
UC2845B Ток 8,2 30 1 500 50 DIP8/SO8
UC3842B Ток 11 30 1 500 100 DIP8/SO8
UC3843B Ток 8,2 30 1 500 100 DIP8/SO8
UC3844B Ток 11 30 1 500 50 DIP8/SO8
UC3845B Ток 8,2 30 1 500 50 DIP8/SO8
L6566A Смешанное 8 23 4,95 5,05 0,8 300 70 SO16
L6566B Смешанное 8 23 4,95 5,05 0,8 300 70 SO16
L6668 Смешанное 9,4 22 0,8 105 75 SO16

SG2525A/SG3524/SG3525A — серия управляемых напряжением ШИМ-контроллеров (рис. 1) с фиксированной частотой преобразования, специально спроектированных для построения любых типов импульсных источников питания (согласно заявлению компании-производителя) и позволяющих до минимума сократить число необходимых внешних компонентов.

Рис. 1. Назначение выводов ИС SG2525A, SG3525A и SG3524

Это стало возможным благодаря наличию встроенного опорного источника питания (+5,1 В ±1%), возможности управления частотой работы внешней RC-цепью, длительностью интервала «мертвого» времени — одним внешним резистором, длительностью времени плавного старта — одним внешним конденсатором (вывод SOFT-START), встроенным драйверам (±200 мА) для управления внешними силовыми транзисторами или внешним маломощным трансформатором. Помимо всего вышеуказанного, в ИС предусмотрена возможность синхронизации нескольких источников от одного внешнего тактового сигнала (вывод SYNC) и защиты по току внешних силовых транзисторов (вывод SHUTDOWN). Область применения — практически любой DC/DC-конвертер малой и средней мощности (рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2. Типовая схема включения SG3524 в составе двухтактного преобразователя со средней точкой

Рис. 3. Типовая схема включения SG3524 в составе обратноходового преобразователя

UC2842B/3B/4B/5B и UC3842B/3B/4B/5B популярная серия малогабаритных ШИМ-контроллеров с фиксированной частотой преобразования и управлением током, размещенных в 8-выводных корпусах SO и MiniDIP (рис. 4).

Рис. 4. Назначение выводов ИС серии UC2842B/3B/4B/5B и UC3842B/3B/4B/5B

Несмотря на то, что она выпускается уже около 10 лет, по-прежнему остается одной из самых востребованных серий в основном благодаря низкой стоимости и высокой надежности, отчасти благодаря простоте реализации. Предназначены для построения однотактных DC/DC-преобразователей с входным напряжением до 8,2…30 В. Наличие RC-генератора (частота работы до 500 кГц), встроенного мощного драйвера (±200 мА) для управления внешним полевым или биполярным транзистором, встроенного термостабилизированного опорного источника +5 В ± 1% позволяют строить на основе ИС этой серии обратноходовые источники питания с необходимым набором защитных функций — защита от перенапряжения на входе, защита внешнего силового транзистора по току, температурная защита ИС. Для исключения ложного срабатывания встроенного компаратора по току (Current Sense) из-за возможных помех, возникающих при переключениях внешнего силового транзистора, реализован т.н. режим блокировки компаратора (Leading Edge Blanking) на фиксированное время (около 100 нс) с моментов переключения транзистора (рис. 5).

Читайте также:
Подключение авто сигнализации своими руками

Рис. 5. Структурная схема ШИМ-контроллеров серии UC2842B/3B/4B/5B и UC3842B/3B/4B/5B

Особенность серии управление по току внешнего силового транзистора, что позволяет исключить из схемы дополнительные гальванически развязанные цепи обратной связи (оптрон), что позволяет в значительной степени уменьшить габариты и стоимость конечного DC/DC-преобразователя. Кроме того, при построении маломощных преобразователей (до 3 Вт) существует возможность исключения внешнего силового транзистора и использования вместо него встроенный выходной драйвер.

L5991/L5991A — серия ШИМ-контроллеров с управлением по току, высокой частотой работы (до 1 МГц) и повышенной функциональностью (рис. 6).

Рис. 6. Назначение выводов ИС серии L5991/L5991A

К отличительным особенностям ИС этой серии относятся: мощный драйвер с выходным током до 1 А для управления мощным полевым транзистором, программируемый плавный запуск, возможность синхронизации как по входу (Slave), так и по выходу (Master), вход отключения с сокращением тока потребления до 120 мкА, возможность ограничения максимальной скважности внешними RC-цепями, наличие режима Standby, повышающего экономичность (работа с малой нагрузкой или без нее). Серия создана для построения мощных обратноходовых DC/DC-преобразователей.

Для исключения ложного срабатывания встроенного компаратора по току (Current Sense) из-за возможных помех, возникающих при переключениях внешнего силового транзистора, реализован т.н. режим блокировки компаратора (Leading Edge Blanking) на фиксированное время (около 100 нс) с моментов переключения транзистора (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема ШИМ-контроллеров L5991/L5991A

L6566A/L6566B/L6668 серия многофункциональных ШИМ-контроллеров, специально спроектированных для работы в составе обратноходовых импульсных преобразователей напряжения средней и высокой мощности (рис. 7). Отличительные особенности ИС: два режима работы по выбору — режим с фиксированной частотой (Fixed Frequency — FF) и квазирезонансный режим (Quasi-resonant — QR). Частота работы в режиме с фиксированной частотой, которая определяется номиналами внешней RC-цепи. Дополнительный вход FMOD позволяет работать в режиме модуляции частоты, что позволяет уменьшить помехи от работы источника. В ИС встроен источник питания с высоковольтным входом, предназначенный для начального запуска.

Отдельно стоить отметить особенности работы ИС в квазирезонансном режиме, в котором источник работает на гране режимов непрерывного и прерывистого тока. Для этой цели в силовом трансформаторе должна быть предусмотрена дополнительная обмотка, предназначенная для точного определения момента открытия силового транзистора. В этом режиме достигается максимальная эффективность преобразователя: на малых нагрузках частота работы низкая, а потери на силовом транзисторе минимальны. На средней и большой нагрузке частота работы увеличивается до заданной частоты, определяемой внешней RC-цепью.

L6566A/L6566B/L6668 прежде всего ориентированы на применение в составе одно- и многоканальных AC/DC-преобразователей средней и высокой мощности (рис. 8). Основными приложениями являются внешние блоки питания ноутбуков, бытовой техники, встраиваемые источники питания для промышленной аппаратуры и т.п.

Рис. 8. Типовая схема включения L6668 в составе обратноходового AC/DC-преобразователя

Заключение

На сегодняшний момент семейства ШИМ-контроллеров компании STMicroelectronics уверенно и прочно заняли нишу в ряду недорогих надежных многофункциональных, и в то же время простых в эксплуатации импульсных источников питания малой, средней и большой мощности. В большинстве своем их можно встретить как в обычной бытовой технике (компьютеры, ноутбуки, DVD-проирыватели, ЖК-телевизоры и мониторы и т.п.), так и в сложной промышленной и медицинской аппаратуре. Одной из причин этого стала весьма низкая цена при высокой функциональности в малогабаритных 8- и 16-выводных SO- и DIP-корпусах, высокой надежности с увеличенным жизненным циклом (согласно опыту многих разработчиков). Большая популярность некоторых серий, сохраняющаяся вот уже более десяти лет, дает определенную гарантию производителям источников питания, что ШИМ-контроллеры от STMicroelectronics не будут сняты с производства еще долгие годы.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: analog.vesti@compel.ru

TI анонсировала новые DSP

Моделирование системы и первоначальная реализация алгоритма в большинстве случаев производится на базе арифметики с плавающей точкой. После чего, отлаженный алгоритм загружается на микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор с фиксированной точкой. Процессоры с плавающей точкой используются только в приложениях, требующих высокой точности и производительности, где цена конечного устройства не критична.

Для таких приложений компания Texas Instruments выпустила цифровые сигнальные процессоры с плавающей точкой TMS320F28335, TMS320F28334, TMS320F28332. Но, как и раньше, не остановилась на этом. Появились новые DSP TMS320F2823x с фиксированной точкой, которые программно и аппаратно совместимы с процессорами с плавающей точкой TMS320F2833x.

Теперь пользователи могут моделировать систему, отлаживать ее на платформе с плавающей точкой (TMS320F2833x), а затем просто перекомпилировать полученный программный код под TMS320F2823x, сократив тем самым время разработки (время загрузки приложения на платформу с фиксированной точкой) и стоимость конечного устройства.

Серийное производство TMS320F2823x и TMS320F2833x начнется во втором квартале 2008 года.

Наимено-
вание
МГц Flash,
кБ
ОЗУ,
кБ
TMS320F28235 150 512 68
TMS320F28234 150 256 68
TMS320F28232 100 128 52
Читайте также:
Подключение доп. оборудования без вмешательства в проводку

TI раскрывает подробности своего 45-нм техпроцесса

Компания Texas Instruments (TI) готова к серийному выпуску своих первых 45-нанометровых микросхем. Переход к нормам 45 нм, как утверждается, позволил снизить энергопотребление чипов на 63% и повысить производительность на 55% по сравнению с 65-нанометровыми продуктами

В настоящее время TI отгружает ознакомительные образцы первого 45-нанометрового процессора для устройств с поддержкой сетей 3.5G. В производстве новинки применяется напряженный кремний, иммерсионная литография и диэлектрики со сверхмалым значением диэлектрической постоянной (ultra-low K).

Указанный процессор позволит выпускать более компактные и легкие устройства для сетей 3.5G.

Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы

Раньше для питания устройств использовали схему с понижающим (или повышающим, или многообмоточным) трансформатором, диодным мостом, фильтром для сглаживания пульсаций. Для стабилизации использовались линейные схемы на параметрических или интегральных стабилизаторах. Главным недостатком был низкий КПД и большой вес и габариты мощных блоков питания.

Во всех современных бытовых электроприборах используются импульсные блоки питания (ИБП, ИИП – одно и то же). В большинстве таких блоков питания в качестве основного управляющего элемента используют ШИМ-контроллер. В этой статье мы рассмотрим его устройство и назначение.

Содержание статьи

ШИМ-контроллер что это такое и для чего нужен

Определение и основные преимущества

ШИМ-контроллер – это устройство, которое содержит в себе ряд схемотехнических решений для управления силовыми ключами. При этом управление происходит на основании информации полученной по цепям обратной связи по току или напряжению – это нужно для стабилизации выходных параметров.

Иногда, ШИМ-контроллерами называются генераторы ШИМ-импульсов, но в них нет возможности подключить цепи обратной связи, и они подходят скорее для регуляторов напряжения, чем для обеспечения стабильного питания приборов. Однако в литературе и интернет-порталах часто можно встретить названия типа «ШИМ-контроллер, на NE555» или «… на ардуино» – это не совсем верно по вышеуказанным причинам, они могут использоваться только для регулирования выходных параметров, но не для их стабилизации.

Широтно-импульсная модуляция

Аббревиатура «ШИМ» расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция – это один из методов модуляции сигнала не за счёт величины выходного напряжения, а именно за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый сигнал за счёт интегрирования импульсов с помощью C- или LC-цепей, другими словами – за счёт сглаживания.

Вывод: ШИМ-контроллер – устройство, которое управляет ШИМ-сигналом.

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Основные характеристики

Для ШИМ-сигнала можно выделить две основных характеристики:

1. Частота импульсов – от этого зависит рабочая частота преобразователя. Типовыми являются частоты выше 20 кГц, фактически 40-100 кГц.

2. Коэффициент заполнения и скважность. Это две смежных величины характеризующие одно и то же. Коэффициент заполнения может обозначаться буквой S, а скважность D.

где T – это период сигнала,

Коэффициент заполнения – часть времени от периода, когда на выходе контроллера формируется управляющий сигнал, всегда меньше 1. Скважность всегда больше 1. При частоте 100 кГц период сигнала равен 10 мкс, а ключ открыт в течении 2.5 мкс, то коэффициент заполнения – 0.25, в процентах – 25%, а скважность равна 4.

Коэффициент заполнения

Также важно учитывать внутреннюю конструкцию и предназначение по количеству управляемых ключей.

Отличия от линейных схем потери

Как уже было сказано, преимуществом перед линейными схемами у импульсных источников питания является высокий КПД (больше 80, а в настоящее время и 90%). Это обусловлено следующим:

Допустим сглаженное напряжение после диодного моста равно 15В, ток нагрузки 1А. Вам нужно получить стабилизированное питание напряжением 12В. Фактически линейный стабилизатор представляет собой сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости от величины входного напряжения для получения номинального выходного – с небольшими отклонениями (доли вольт) при изменениях входного (единицы и десятки вольт).

На резисторах, как известно, при протекании через них электрического тока выделяется тепловая энергия. На линейных стабилизаторах происходит такой же процесс. Выделенная мощность будет равна:

Так как в рассмотренном примере ток нагрузки 1А, входное напряжение 15В, а выходное – 12В, то рассчитаем потери и КПД линейного стабилизатора (КРЕНка или типа L7812):

Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт

Тогда КПД равен:

Если же входное напряжение вырастит до 20В, например, то КПД снизится:

Основной особенностью ШИМ является то, что силовой элемент, пусть это будет MOSFET, либо открыт полностью, либо полностью закрыт и ток через него не протекает. Поэтому потери КПД обусловлены только потерями проводимости

И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают в выпрямительных диодах (входных и выходных, если блок питания сетевой), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.

Общая структура

Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-контроллер. Я употребил слово “абстрактного” потому что, в общем, все они похожи, но их функционал все же может отличаться в определенных пределах, соответственно будет отличаться структура и выводы.

Внутри ШИМ-контроллера, как и в любой другой ИМС находится полупроводниковый кристалл, на котором расположена сложная схема. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:

1. Генератор импульсов.

2. Источник опорного напряжения. (ИОН)

Читайте также:
12-вольтовые реле указателей направления движения авто

3. Цепи для обработки сигнала обратной связи (ОС): усилитель ошибки, компаратор.

4. Генератор импульсов управляет встроенными транзисторами, которые предназначены для управления силовым ключом или ключами.

Количество силовых ключей, которыми может управлять ШИМ-контроллер, зависит от его предназначения. Простейшие обратноходовые преобразователи в своей схеме содержат 1 силовой ключ, полумостовые схемы (push-pull) – 2 ключа, мостовые – 4.

ШИМ-контроллер

От типа ключа также зависит выбор ШИМ-контроллера. Для управления биполярным транзистором основным требованием является, чтобы выходной ток управления ШИМ-контроллера не был ниже, чем ток транзистора деленный на H21э, чтобы его включать и отключать достаточно просто подавать импульсы на базу. В этом случае подойдет большинство контроллеров.

В случае управления ключами с изолированным затвором (MOSFET, IGBT) есть определенные нюансы. Для быстрого отключения нужно разрядить емкость затвора. Для этого выходную цепь затвора выполняют из двух ключей – один из них соединен с источником питания с выводом ИМС и управляет затвором (включает транзистор), а второй установлен между выходом и землей, когда нужно отключить силовой транзистор – первый ключ закрывается, второй открывается, замыкая затвор на землю и разряжает его.

US3842B

В некоторых ШИМ-контроллрах для маломощных блоков питания (до 50 Вт) силовые ключи встроенные и внешние не используются. Пример – 5l0830R

Если говорить обобщенно, то ШИМ-контроллер можно представить в виде компаратора, на один вход которого подан сигнал с цепи обратной связи (ОС), а на второй вход пилообразный изменяющийся сигнал. Когда пилообразный сигнал достигает и превышает по величине сигнал ОС, то на выходе компаратора возникает импульс.

При изменениях сигналов на входах ширина импульсов меняется. Допустим, что вы подключили мощный потребитель к блоку питания, и на его выходе напряжение просело, тогда напряжение ОС также упадет. Тогда в большей части периода будет наблюдаться превышение пилообразного сигнала над сигналом ОС, и ширина импульсов увеличится. Всё вышесказанное в определенной мере отражено на графиках.

Пилообразный сигнал

Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи.

Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи

Функциональная схема ШИМ-контроллера на примере TL494, мы рассмотрим его позже подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.

ШИМ-контроллер TL494

Назначение выводов

ШИМ-контроллеры выпускаются в различных корпусах. Выводов у них может быть от трех до 16 и более. Соответственно от количества выводов, а вернее их назначения зависит гибкость использования контроллера. Например, в популярной микросхеме UC3843 – чаще всего 8 выводов, а в еще более культовой – TL494 – 16 или 24.

Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:

GND – общий вывод соединяется с минусом схемы или с землей.

Uc (Vc) – питание микросхемы.

Ucc (Vss, Vcc) – Вывод для контроля питания. Если питание проседает, то возникает вероятность того, что силовые ключи не будут полностью открываться, а из-за этого начнут греться и сгорят. Вывод нужен чтобы отключить контроллер в подобной ситуации.

OUT – как видно из название – это выход контроллера. Здесь выводятся управляющий ШИМ-сигнал для силовых ключей. Выше мы упомянули, что в преобразователях разных топологий имеют разное количество ключей. Название вывода может отличаться в зависимости от этого. Например, в контроллерах для полумостовых схем он может называться HO и LO для верхнего и нижнего ключа соответственно. При этом и выход может быть однотактный и двухтактный (с одним ключем и двумя) – для управления полевыми транзисторами (пояснение см. выше). Но и сам контроллер может быть для однотактной и двухтактной схемы – с одним и двумя выходными выводами соответственно. Это важно.

Vref – опорное напряжения, обычно соединяется с землей через небольшой конденсатор (единицы микрофарад).

ILIM – сигнал с датчика тока. Нужен для ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной связи.

ILIMREF – на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM

SS – формируется сигнал для мягкого старта контроллера. Предназначен для плавного выхода на номинальный режим. Между ней и общим проводом для обеспечения плавного пуска устанавливают конденсатор.

RtCt – выводы для подключения времязадающей RC-цепи, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.

CLOCK – тактовые импульсы для синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров между собой тогда RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.

RAMP – это ввод сравнения. На него подают пилообразное напряжение, например с вывода Ct, Когда оно превышает значение напряжение на выходе усиления ошибки, то на OUT появляется отключающий импульс – основа для ШИМ-регулирования.

INV и NONINV – это инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора, на котором построен усилитель ошибки. Простыми словами: чем больше напряжении на INV – тем длинее выходные импульсы и наоборот. К нему подключается сигнал с делителя напряжения в цепи обратной связи с выхода. Тогда неинвертирующий вход NONINV подключают к общему проводу – GND.

EAOUT или Error Amplifier Output рус. Выход усилителя ошибки. Не смотря на то, что есть входы усилителя ошибки и с их помощью, в принципе можно регулировать выходные параметры, но контроллер довольно медленно на это реагирует. В результате медленной реакции может возникнуть возбуждение схемы, и она выйдет из строя. Поэтому с этого вывода через частотозависимые цепи подают сигналы на INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.

Читайте также:
Установка регулятора напряжения Адамчука

Пример испрользования ШИМ-контроллера

Примеры реальных устройств

Для закрепления информации давайте рассмотрим несколько примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Мы будем делать это на примере двух микросхем:

TL494 (её аналоги: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

Они активно используются в блоках питания для компьютеров. Кстати, эти блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и больше по 12В шине). Часто используются в качестве донора для переделки под лабораторный блок питания или универсальное мощное зарядное устройство, например для автомобильных аккумуляторов.

TL494 – обзор

Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:

Характеристики TL494

Характеристики TL494

В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:

1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки

2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки

3. Вход обратной связи

4. Вход регулировки мертвого времени

5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора

6. Вывод для подключения времязадающего резистора

7. Общий вывод микросхемы, минус питания

8. Вывод коллектора первого выходного транзистора

9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора

10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора

11. Вывод коллектора второго выходного транзистора

12. Вход подачи питающего напряжения

13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы

14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт

15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки

16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

На рисунке ниже изображен пример компьютерного блока питания на этой микросхеме.

Пример компьютерного блока питания на TL494

UC3843 – обзор

Другой популярной ШИМ является микросхема 3843 – на ней также строятся компьютерные и не только блоки питания. Её цоколевка расположена ниже, как вы можете наблюдать, у неё всего 8 выводов, но функции она выполняет те же, что и предыдущая ИМС.

Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, но встречаются гораздо реже. Обратите внимание на маркировку – дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).

UC3843

Расшифруем назначением выводов:

1. Вход компаратора (усилителя ошибки).

2. Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.

3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.

4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.

6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.

7. Напряжение питания микросхемы.

8. Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА).

Её внутренняя структура.

Внутренняя структура UC3843

Можно убедится, что во многом похожа и на другие ШИМ-контроллеры.

Простая схема сетевого источника питания на UC3842

Явно полезное:

ШИМ со встроенным силовым ключем

ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключем используются как в трансформаторных импульсных блоках питания, так и в бестрансформаторных DC-DC преобразователях понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.

Пожалуй, одним из наиболее удачных примеров будет распространенная микросхема LM2596, на базе которого на рынке можно найти массу таких преобразователей, как изображен ниже.

ШИМ со встроенным силовым ключем

Такая микросхема содержит в себе все вышеописанные технические решения, а также вместо выходного каскада на маломощных ключах в ней встроен силовой ключ, способный выдержать ток до 3А. Ниже изображена внутренняя структура такого преобразователя.

Можно убедиться, что в сущности особых отличий от рассмотренных в ней нет.

А вот пример трансформаторного блока питания для светодиодной ленты на подобном контроллере, как видите силового ключа нет, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отсюда следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и гибкость TL494 просто не нужна. Это справедливо для маломощных блоков питания, где нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации можно погасить LC-фильтром. Это блок питания для светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.

Схема трансформаторного блока питания для светодиодной ленты

Заключение

В начале статьи было сказано о том, что ШИМ-контроллер это устройство которое моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширина импульсов на основании сигнала с цепи обратной связи. Отмечу, что названия и классификация у каждого автора часто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют простой ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей семейство электронных микросхем называют «Интегральная подсистема для импульсных стабилизированных преобразователей». От названия суть не меняется, но возникают споры и недопонимания.

Виды широко-импульсных схем.

У владельцев автомобилей или мотто-техники, все чаще возникает потребность в необходимости регулирования постоянных напряжений для питания мощных инерций нагрузок. Например, вы решили сделать так, чтобы в вашем автомобиле плавно менялась яркость лампочек освещения в салоне, в фарах автомобиля, габаритных огней или например у вас сломался узел для регулирования оборотов в вентиляторе системы охлаждения автомашины, а заменить все это нечем.

Заменить данные элементы бывает вовсе нечем, по причине очень немалого расхода электричества. При этом потребуется установка усовершенствованных систем охлаждения или маломощных куллеров от компьютерных систем.

Чтобы решить такие виды проблем, вы можете установить широко-импульснуюе схему, которая управляет очень мощными транзисторами фирмы MOSFET. Эти детали могут скомутировать напряжение превышающее 160А.

При этом напряжение и них на затворе будет составлять всего 12-15В. Рассеиваемая мощность может заметно снизиться из-за того, что сопротивления в открытом транзисторе очень мало. Схемы управления в транзисторах устроены так, что смогут обеспечить разность напряжения между истоками не меньше 12-15В, иначе может увеличиться сопротивление канала, что в итоге может привести к перегреванию транзистора или вовсе, выводу его из строя.

Читайте также:
При включении зажигания, магнитола не выключается

Для таких нагрузок, у которых потребление электричества не больше 10А, просадка нагрузок бортового напряжения невозможна или не столь значительна. Поэтому вместо них можно применять схемы без дополнительных узлов для повышения напряжения.

Виды широко-импульсных схем.

Первая схема, так же называемая ШИМ-регулятор, собрана на базе логического КМОП. Схема – прямоугольный импульсный генератор, основанный на двух логических элементах, в которых за счет диодов, постоянно и раздельно изменяется частота заряда и разряда. При помощи этого можно изменять фазу выходящих импульсов и число эффективного напряжения при нагрузке. Устройство можно оборудовать любыми дополнительными модулями, начиная от панели управления К576ПУ2 и заканчивая даже К561ЛЕ5.

Полевой транзистор можно выбрать любой из MOSFET, так как данные детали могут выдерживать очень большие перегрузки, но, конечно же, желательно применять транзисторы с небольшими показателями проводимости тока. У таких элементов наименьший показатель сопротивления открытых каналов, что значительно уменьшает мощность рассеивания и позволяет применять радиаторы гораздо меньшего размера.

Простота и удобство – это лучшие достоинства этой схемы, недостатками можно назвать только то, что диапазон изменения меньше 100% и невозможность доработки схемы с целью дополнения разными приспособлениями, например плавного понижения или повышения напряжения при загрузке схемы.

Следующая схема имеет более хорошими характеристиками, хоть и состоит из большего количества элементов. Регулирование эффективного значения при загрузке варьирует от 0 до 12В и выполняется все это с помощью изменения силы напряжения, начиная от 8 и заканчивая 12В. Диапазон регулирования достигает почти 100%. Максимальная нагрузка электричества может быть больше, так как на это влияет тип силового поля транзистора.

Виды широко-импульсных схем.

Схему можете использовать как основную часть системы регулировки. Например, схема может поддерживать заданную температуру, ели вместо нагружаемого элемента, будет использоваться нагреватель и температурный датчик, подключенный к входу управления устройством.

Данные схемы, в основном, имеют в своей основе параллельные вибрирующие элементы, но схема ШИМ, разработана таким образом, что в основе ее микросхемы можно построить мультивибратор ждущего типа, показанного на следующем рисунке.

Широтно-импульсная модуляция

ШИМ или PWM (широтно-импульсная модуляция, по-английски pulse-width modulation) – это способ управления подачей мощности к нагрузке. Управление заключается в изменении длительности импульса при постоянной частоте следования импульсов. Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой, цифровой, двоичной и троичной.

Применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить КПД электрических преобразователей, особенно это касается импульсных преобразователей, составляющих сегодня основу вторичных источников питания различных электронных аппаратов. Обратноходовые и прямоходовые однотактные, двухтактные и полумостовые, а также мостовые импульсные преобразователи управляются сегодня с участием ШИМ, касается это и резонансных преобразователей.

Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать яркость подсветки жидкокристаллических дисплеев сотовых телефонов, смартфонов, ноутбуков. ШИМ реализована в сварочных аппаратах, в автомобильных инверторах, в зарядных устройствах и т. д. Любое зарядное устройство сегодня использует при своей работе ШИМ.

В качестве коммутационных элементов, в современных высокочастотных преобразователях, применяются биполярные и полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме. Это значит, что часть периода транзистор полностью открыт, а часть периода — полностью закрыт.

И так как в переходных состояниях, длящихся лишь десятки наносекунд, выделяемая на ключе мощность мала, по сравнению с коммутируемой мощностью, то средняя мощность, выделяемая в виде тепла на ключе, в итоге оказывается незначительной. При этом в замкнутом состоянии сопротивление транзистора как ключа очень невелико, и падение на нем напряжения приближается к нулю.

В разомкнутом же состоянии проводимость транзистора близка к нулю, и ток через него практически не течет. Это позволяет создавать компактные преобразователи с высокой эффективностью, то есть с небольшими тепловыми потерями. А резонансные преобразователи с переключением в нуле тока ZCS (zero-current-switching) позволяют свести эти потери к минимуму.

В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется аналоговым компаратором, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подается треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий — модулирующий непрерывный сигнал.

Выходные импульсы получаются прямоугольными, частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Когда напряжение пилы выше модулирующего сигнала — на выходе будет отрицательная часть импульса.

Компаратор

Если же пила подается на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий сигнал — на инвертирующий, то выходные импульсы прямоугольной формы будут иметь положительное значение тогда, когда напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, поданного на инвертирующий вход, а отрицательное — когда напряжение пилы ниже сигнала модулирующего. Пример аналогового формирования ШИМ — микросхема TL494, широко применяющаяся сегодня при построении импульсных блоков питания.

Цифровая ШИМ используются в двоичной цифровой технике. Выходные импульсы также принимают только одно из двух значений (включено или выключено), и средний уровень на выходе приближается к желаемому. Здесь пилообразный сигнал получается благодаря использованию N-битного счетчика.

Читайте также:
Адаптивная система освещения для автомобилей

Цифровые устройства с ШИМ работают также на постоянной частоте, обязательно превосходящей время реакции управляемого устройства, этот подход называется передискретизацией. Между фронтами тактовых импульсов, выход цифрового ШИМ остается стабильным, или на высоком, или на низком уровне, в зависимости от текущего состояния выхода цифрового компаратора, который сравнивает уровни сигналов на счетчике и приближаемый цифровой.

Выход тактуется как последовательность импульсов с состояниями 1 и 0, каждый такт состояние может сменяться или не сменяться на противоположное. Частота импульсов пропорциональна уровню приближаемого сигнала, а единицы, следующие друг за другом могут сформировать один более широкий, более продолжительный импульс.

Получаемые импульсы переменной ширины будут кратны периоду тактования, а частота будет равна 1/2NT, где T – период тактования, N – количество тактов. Здесь достижима более низкая частота по отношению к частоте тактования. Описанная схема цифровой генерации — это однобитная или двухуровневая ШИМ, импульсно-кодированная модуляция ИКМ.

Эта двухуровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой по сути серию импульсов с частотой 1/T, и шириной Т или 0. Для усреднения за больший промежуток времени применяется передискретизация. Высокого качества ШИМ позволяет достичь однобитная импульсно-плотностная модуляция (pulse-density-modulation), называемая также импульсно-частотной модуляцией.

При цифровой широтно-импульсной модуляции прямоугольные подимпульсы, которыми оказывается заполнен период, могут приходиться на любое место в периоде, и тогда на среднем за период значении сигнала сказывается только их количество. Так, если разделить период на 8 частей, то комбинации импульсов 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т. д. дадут одинаковое среднее значение за период, тем не менее, отдельно стоящие единицы утяжеляют режим работы ключевого транзистора.

ШИМ-контроллер

Корифеи электроники, повествуя о ШИМ, приводят такую аналогию с механикой. Если при помощи двигателя вращать тяжелый маховик, то поскольку двигатель может быть либо включен, либо выключен, то и маховик будет либо раскручиваться и продолжать вращаться, либо станет останавливаться из-за трения, когда двигатель выключен.

Но если двигатель включать на несколько секунд в минуту, то вращение маховика будет поддерживаться, благодаря инерции, на некоторой скорости. И чем дольше продолжительность включения двигателя, тем до более высокой скорости раскрутится маховик. Так и с ШИМ, на выход приходит сигнал включений и выключений (0 и 1), и в результате достигается среднее значение. Проинтегрировав напряжение импульсов по времени, получим площадь под импульсами, и эффект на рабочем органе будет тождественен работе при среднем значении напряжения.

Так работают преобразователи, где переключения происходят тысячи раз в секунду, и частоты достигают единиц мегагерц. Широко распространены специальные ШИМ-контроллеры, служащие для управления балластами энергосберегающих ламп, блоками питания, преобразователями частоты для двигателей и т. д.

Широтно-импульсная модуляция

Отношение полной длительности периода импульса ко времени включения (положительной части импульса) называется скважностью импульса. Так, если время включения составляет 10 мкс, а период длится 100 мкс, то при частоте в 10 кГц, скважность будет равна 10, и пишут, что S = 10. Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения импульса, по-английски Duty cycle, или сокращенно DC.

Так, для приведенного примера DC = 0.1, поскольку 10/100 = 0.1. При широтно-импульсной модуляции, регулируя скважность импульса, то есть варьируя DC, добиваются требуемого среднего значения на выходе электронного или другого электротехнического устройства, например двигателя.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Широтно-импульсная модуляция (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.

Читайте также:
Доработка магнитолы в Приоре

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.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

  • высокой эффективности преобразования сигнала;
  • стабильность работы;
  • экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
  • низкой стоимости;
  • высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Пример использования ШИМ регулятора

Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в этой статье. Он построен на базе микросхемы NE555 и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.

Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция

Модуляция – нелинейный электрический процесс, при котором параметры одного сигнала (несущего) изменяются при помощи другого сигнала (модулирующего, информационного). В связной технике широко применяется частотная, амплитудная, фазовая модуляция. В силовой электронике и микропроцессорной технике распространение получила широтно-импульсная модуляция.

Читайте также:
Дорабатываем реле стеклоочистителя

Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)

При широтно-импульсной модуляции исходного сигнала неизменными остаются амплитуда, частота и фаза исходного сигнала. Изменению под действием информационного сигнала подвергается длительность (ширина) прямоугольного импульса. В англоязычной технической литературе обозначается аббревиатурой PWM – pulse-width modulation.

Принцип работы ШИМ

Сигнал, промодулированный по ширине импульса, формируется двумя способами:

При аналоговом способе создания ШИМ-сигнала несущая в виде пилообразного или треугольного сигнала подается на инвертирующий вход компаратора, а информационный – на неинвертирующий. Если мгновенный уровень несущей выше модулирующего сигнала, то на выходе компаратора ноль, если ниже – единица. На выходе получается дискретный сигнал с частотой, соответствующей частоте несущего треугольника или пилы, и длиной импульса, пропорциональной уровню модулирующего напряжения.

Пример модуляции по ширине импульса треугольного сигнала линейно-возрастающим.

В качестве примера приведена модуляция по ширине импульса треугольного сигнала линейно-возрастающим. Длительность выходных импульсов пропорциональна уровню выходного сигнала.

Аналоговые ШИМ-контроллеры выпускаются и в виде готовых микросхем, внутри которых установлен компаратор и схема генерации несущей. Имеются входы для подключения внешних частотозадающих элементов и подачи информационного сигнала. С выхода снимается сигнал, управляющий мощными внешними ключами. Также имеются входы для обратной связи – они нужны для поддержания установленных параметров регулирования. Такова, например, микросхема TL494. Для случаев, когда мощность потребителя относительно невелика, выпускаются ШИМ-контроллеры со встроенными ключами. На ток до 3 ампер рассчитан внутренний ключ микросхемы LM2596.

Цифровой способ осуществляется применением специализированных микросхем или микропроцессоров. Длина импульса регулируется внутренней программой. Во многих микроконтроллерах, включая популярные PIC и AVR, «на борту» имеется встроенный модуль для аппаратной реализации ШИМ, для получения PWM-сигнала надо активировать модуль и задать параметры его работы. Если такой модуль отсутствует, то ШИМ можно организовать чисто программным методом, это несложно. Этот способ дает более широкие возможности и предоставляет больше свободы за счёт гибкого использования выходов, но задействует большее количество ресурсов контроллера.

Характеристики ШИМ сигнала

Важными характеристиками ШИМ сигнала являются:

  • амплитуда (U);
  • частота (f);
  • скважность (S) или коэффициент заполнения D.

Амплитуда в вольтах задается в зависимости от нагрузки. Она должна обеспечивать номинальное напряжение питания потребителя.

Частота сигнала, модулируемого по ширине импульса, выбирается из следующих соображений:

  1. Чем выше частота, тем выше точность регулирования.
  2. Частота не должна быть ниже времени реакции устройства, которым управляют с помощью ШИМ, иначе возникнут заметные пульсации регулируемого параметра.
  3. Чем выше частота, тем выше коммутационные потери. Он возникают из-за того, что время переключения ключа конечно. В запертом состоянии на ключевом элементе падает все напряжение питания, но ток почти отсутствует. В открытом состоянии через ключ протекает полный ток нагрузки, но падение напряжения невелико, так как проходное сопротивление составляет единицы Ом. И в том, и в другом случае рассеяние мощности незначительно. Переход от одного состояния к другому происходит быстро, но не мгновенно. В процессе отпирания-запирания на частично открытом элементе падает большое напряжение и одновременно через него идёт значительный ток. В это время рассеиваемая мощность достигает высоких значений. Этот период невелик, ключ не успевает значительно разогреться. Но с повышением частоты таких временных промежутков за единицу времени становится больше, и потери на тепло повышаются. Поэтому для построения ключей важно использование быстродействующих элементов.
  4. При управлении электродвигателем частоту приходится уводить за пределы слышимого человеком участка – 25 кГц и выше. Потому что при более низкой частоте ШИМ возникает неприятный свист.

Эти требования часто находятся в противоречии друг к другу, поэтому выбор частоты в некоторых случаях – это поиск компромисса.

Коэффициент заполнения ШИМ сигнала.

Величину модуляции характеризует скважность. Так как частота следования импульсов постоянна, то постоянна и длительность периода (T=1/f). Период состоит из импульса и паузы, имеющих длительность, соответственно, tимп и tпаузы, причем tимп+tпаузы=Т. Скважностью называется отношение длительности импульса к периоду – S=tимп/T. Но на практике оказалось удобнее пользоваться обратной величиной – коэффициентом заполнения: D=1/S=T/tимп. Еще удобнее выражать коэффициент заполнения в процентах.

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.

Читайте также:
Контроллер подсветки приборной панели v.2.2

ШИМ-сигнал, сформированный с помощью синусоиды.

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.

Управление RGB-светодиодом с помошью ШИМ.

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.

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Что такое гетеродин простыми словами и где применяется

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Под широтно-импульсной модуляцией или ШИМ понимается современный способ управления передачей полезной мощности в нагрузку. Он заключается в изменении длительности выходных импульсов при постоянной частоте следования отдельных посылок. Широтно-импульсная модуляция имеет несколько разновидностей, отличающихся представлением управляющего сигнала (аналоговый или цифровой) и кратностью обработки. Согласно последнему признаку она может быть двоичной или троичной.

Как «работает» ШИМ

Чтобы понять, что такое широтно-импульсная модуляция – сначала потребуется ознакомиться со схемой и комплектом приборов, реализующих этот вид обработки электрического сигнала.

Tipovaia skhema SHIM

В состав типового устройства входят следующие узлы и элементы:
  • Компаратор на основе контроллера.
  • MOSFET драйверы.
  • Выходные ключевые элементы.

Основное назначение приведенной схемы – выработать сигнал ШИМ, который формируется в аналоговом или цифровом виде. Получить нужное пониженное напряжение на выходе ШИМ устройства удается за счет сглаживания и усреднения импульсного сигнала за весь период его действия.

Аналоговый вариант

При этом способе обработки несущая, представленная «треугольником» или «пилой», поступает на инвертирующий входной узел компаратора. Основной обрабатываемый сигнал подается на его «прямой» вход. Если значение несущей в данный момент превышает по амплитуде полезный сигнал, то на выходе компаратора формируется нулевой уровень. В ситуации, когда его величина меньше сравниваемого – на том же выходе появляется отрицательная «единица» (низкий уровень).

В итоге посредством компаратора формируется дискретный сигнал, имеющий определенную частоту. Последняя соответствует периодичности входной «пилы» или «треугольника». А длина импульсной посылки на выходе устройства пропорциональна уровню основного или рабочего напряжения. То есть широтно-импульсная модуляция позволяет получить соответствующее представление аналогового сигнала, существенно облегчающее его обработку и упрощающее электронную схему.

Shirotno-impulsnaia moduliatsiia 3

Если же пилообразный «опорный» сигнал поступает на плюсовой или «прямой» вход компаратора, а основной – на инвертирующий, то прямоугольные импульсы на выходе будут положительными. По такому принципу работает микросхема TL494, широко применяемая при изготовлении блоков питания.

Цифровой вариант

Цифровой вариант обработки методом ШИМ востребован в электронных схемах, где используется двоичный способ кодирования полезного сигнала. Выходные импульсы в этом случае могут принимать только два возможных значения: «ноль» или «единицу», соответствующие состояниям элементов схемы «выключено» или «включено».

Shirotno-impulsnaia moduliatsiia grafik

Полученный код подается затем на вход много-битного счетчика, с выходных контактов которого «снимается» тот же пилообразный сигнал, что и в случае с аналоговым преобразованием. После этого последовательность импульсов на выходе драйверов с ключами усредняется и превращается в нужное для работы пониженное напряжение.

Читайте также:
Подключение авто сигнализации своими руками
Преимущества и недостатки ШИМ
Широтно-импульсная модуляция обрабатываемого сигнала позволяет достичь следующих преимуществ:
  • Повышение КПД импульсных преобразователей напряжения (БП).
  • Высокая экономичность преобразования за счет снижения тепловых потерь, без которых не обходится ни один линейный трансформатор.
  • Снижение габаритов и веса импульсных блоков питания.
  • Повышение надежности устройства и продление сроков его эксплуатации.

К отрицательным сторонам этого способа трансформации мощности относят создаваемые устройством импульсные помехи и сложные схемные решения, приводящие к затруднениям при ремонте.

Характеристики ШИМ сигнала
К числу важнейших характеристикам этого метода обработки полезного сигнала относят:
  • Амплитуду.
  • Частоту следования посылок в Гц, определяющую точность управления.
  • Скважность импульсных сигналов (или коэффициент заполнения).

Амплитуда, измеряемая в вольтах, определяется необходимостью получения требуемой величины питающего напряжения. А частота модулированного по ширине импульса выбирается с учетом того, что чем она выше – тем точнее будет регулирование. Этот показатель не может быть меньше времени реакции нагрузки, работающей от сформированного ШИМ сигнала. В противном случае возникают недопустимые пульсации регулируемого напряжения.

Тепловые потери

С повышением частоты обрабатываемого сигнала растут и коммутационные потери, возникающие из-за ограниченности скорости переключения выходных ключей. Это объясняется тем, что при открытом и закрытом состоянии полевых структур рассеяние мощности на них незначительно. Ситуация меняется при их переходе из одного состояния в другое. В частично приоткрытых ключах протекают значительные по величине рабочие токи, а значение напряжения при этом также велико. Все это приводит к резкому возрастанию мощности, рассеиваемой на корпусных изделиях.

Важно учитывать и то, что за сравнительно короткий период перехода ключи не разогреваются слишком сильно. Но с ростом частоты увеличивается и количество временных промежутков, вследствие чего тепловые потери значительно возрастают. Вот почему при построении ключевых схем применяются только быстродействующие элементы.

Если широтно-импульсная модуляция используется, например, для управления синхронным электродвигателем – частота дискретизации выбирается с тем учетом, чтобы она не воспринималась человеческим ухом (20 кГц и выше). Требования к параметрам ШИМ часто противоречат одно другому, что вынуждает разработчиков принимать компромиссные решения.

Скважность

Показатель скважности характеризует диапазон модуляции обрабатываемого сигнала. При постоянстве частотной характеристики длительность периода также сохраняет свою величину (T=1/f). Поскольку в него входят и промежутки между отдельными импульсами (паузы) – полная временная характеристика учитывает и это параметр.

Согласно определению скважность – это отношение длительности одиночного импульса к продолжительности всего периода (S=tимп/T). Для удобства вычислений на практике применятся характеристика, обратная скважности. Она называется коэффициентом заполнения и определяется как D=1/S=T/tимп (чаще всего она выражается в процентном соотношении).

Области применения ШИМ
Широтно-импульсная модуляция широко применяется в следующих электронных устройствах:
  • Импульсные преобразователи, входящие в состав большинства современных блоков питания.
  • Электронные модули, позволяющие изменять яркость подсветки в ЖК дисплеях.
  • Инверторы сварочных агрегатов, нуждающиеся в высоком КПД преобразования полезной мощности.
  • Без ШИМ не обходится сегодня ни одна из импульсных схем преобразования напряжения (полумостовые, мостовые, резонансные, а также однотактные и двухтактные варианты).
  • Функционирование любого зарядного устройства основано на использовании этого способа передачи мощности в нагрузку.
Как усредняется выходной сигнал
При питании современной аппаратуры широтно-импульсная модуляция не имеет альтернатив. Без ее применения любая преобразовательная схема лишена каких-либо перспектив. При выборе подходящего устройства потребуется учесть следующие моменты:
  • Амплитуда сигнала при обработке методом ШИМ не меняется (она постоянна в течение всего процесса).
  • Изменять контролируемые параметры (напряжение и ток) удается лишь за счет модуляции несущей по ширине импульса.
  • На нагрузке, подключаемой к этой схеме, происходит усреднение представленного в импульсной форме сигнала.

Именно поэтому широтно-импульсная модуляция оптимально подходит для таких потребителей, в которых имеется возможность усреднения импульсного сигнала. Указанная процедура реализуется различными способами, каждый из которых имеет свои особенности.

Во-первых – это использование свойства инерционности нагрузки. Такое решение чаще всего применяется для электрообогревателей и лампочек накаливания, особенности функционирования которых не позволяют им остывать в промежутках между импульсами.

Еще один способ сглаживания сигнала – его усреднение в нагрузке за счет инерции восприятия человеческим глазом. Любой полупроводниковый излучающий элемент, в частности, гаснет и зажигается с частотой поступающих на него импульсов. Однако человеческий глаз неспособен реагировать на эти переключения (он воспринимает их как неизменное свечение с немного «плавающей» интенсивностью). На этом эффекте основывается управление яркостью элементов LED-мониторов.

Механическое усреднение в нагрузочной цепи применяется при управлении коллекторными двигателями, работающими на постоянном токе. При грамотно подобранной частоте регулирования электродвигатель не будет тормозиться в паузах между импульсами, когда ток в обмотках отсутствует. Широтно-импульсная модуляция позволяет усреднять токи в сварочных агрегатах, а также в зарядных устройствах для типовых АКБ.

 Shirotno-impulsnaia moduliatsiia ostsillogramma

В ситуации, когда усреднение естественным путем невозможно – эту функцию выполняют специальные фильтрующие цепочки, собранные на основе резисторов и конденсаторов. При их использовании важно учитывать, что выделить постоянную составляющую совсем без потерь в данном случае не удается.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: