Что такое шим модуляция звука

Что такое ШИМ? Как широтно-импульсная модуляция используется в автоматизации?

Широтно-импульсная модуляция, или PWM (pulse-width modulation) — это тип цифрового сигнала, который модулируется для управления мощностью, скоростью и/или положением устройств в автоматизированной системе.

PWM работает путем создания серии импульсов включения и выключения, которые подаются на устройство, при этом время включения или рабочий цикл импульса определяет количество подаваемой мощности.

Для чего используется?

Широтно-импульсная модуляция может быть использована для множества различных применений, включая управление двигателями, регулировку яркости освещения и даже управление источниками питания.

Сигнал, промодулированный по ширине импульса, также может применяться для регулирования скорости двигателей или других устройств без изменения уровня напряжения. Таким образом, ШИМ становится идеальным вариантом для управления широким спектром устройств в системах автоматизации.

Принцип работы

Принцип работы ШИМ-сигнала заключается в посылке регулярных импульсов через определенные интервалы времени с изменяющимся рабочим циклом (процентное соотношение времени «включения»).

В зависимости от рабочего цикла на управляемое устройство подается больше или меньше энергии, что влияет на его скорость или положение в автоматизированной системе.

Путем увеличения или уменьшения определенных параметров, таких как частота, амплитуда и длительность импульсов, эти параметры могут быть настроены в соответствии с любыми требованиями приложения и обеспечивают точный контроль над выходом устройства без изменения уровня напряжения.

Широтно-импульсная модуляция является важным и широко используемым методом управления выходной мощностью в различных приложениях. Она может быть реализована с помощью цифровых или аналоговых систем управления.

В цифровом варианте сигналы генерируются с помощью программных алгоритмов, которые определяют ширину импульсов; в то время как в аналоговом PWM сигналы генерируются аппаратными компонентами, такими как транзисторы и конденсаторы, которые создают желаемую ширину импульсов без необходимости программирования. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки, но при правильной реализации оба обеспечивают надежную работу с низким уровнем искажений.

Как работает ШИМ-контроллер в источнике питания?

ШИМ-контроллер работает путем переключения между различными уровнями электрического тока в зависимости от того, какой тип выхода требуется от системы, которую он питает — постоянный ток (DC) или переменный ток (AC).

Контроллер регулирует это переключение с помощью широтно-импульсной модуляции, которая посылает регулярные импульсы через определенные промежутки времени с различными рабочими циклами (процентное время «включения»).

Таким образом, различные уровни энергии могут подаваться к любому устройству, нуждающемуся в ней, сохраняя при этом стабильность системы в целом — т. е. без электрических скачков, которые могут повредить компоненты в дальнейшем.

Применение широтно-импульсной модуляции

Широтно-импульсная модуляция имеет множество вариаций по практическому использованию в различных отраслях промышленности, таких как авиация, автомобилестроение, робототехника и т. д.

Некоторые возможности применения ШИМ-сигнала: управление скоростью и положением двигателя, регулирование яркости света, регулирование напряжения переменного и постоянного тока, обеспечение регулируемых профилей ускорения и замедления для двигателей, снижение электромагнитных помех, обеспечение точной передачи сигналов на большие расстояния и т. д..

Данный вид модуляции является бесценным инструментом, когда речь идет о системах автоматизации, требующих точного контроля над своими выходами без ущерба для стабильности в целом.

Применение широтно-импульсной модуляции в автоматизации

В системах автоматизации широтно-импульсная модуляция имеет множество преимуществ благодаря своей способности точно регулировать выходные параметры, не оказывая слишком сильного влияния на уровень напряжения.

Управляющие ШИМ-сигналы широко используется во многих типах машин, включая роботизированные манипуляторы и роботизированные транспортные средства, а также бытовую технику, такую как стиральные машины, духовые шкафы и т. д..

Широтно-импульсная модуляция часто используется для получения синусоидальной формы волны. Она также может быть использована для регулирования работы инвертора.

Помимо автоматической регулировки скорости и положения двигателя с помощью цифровых сигналов, они также обеспечивают регулируемые профили ускорения и замедления, что делает их идеальными при работе с хрупкими компонентами, где необходимо избегать резких изменений.

Среди других преимуществ — снижение электромагнитных помех, повышение эффективности, усиление мер безопасности благодаря надежным методам обнаружения неисправностей, большая точность при передаче сигналов на большие расстояния и многое другое.

В заключение следует отметить, что широтно-импульсная модуляция — это метод контроля и регулирования количества энергии, подаваемой на устройство, путем изменения ширины электрического импульса. Данный метод применяется в автоматизации и робототехнике, от управления двигателями до обеспечения точного контроля над системами освещения. PWM способен обеспечить точное регулирование при минимальных потерях энергии по сравнению с традиционными методами.

В каталоге UnitMC вы найдете актуальные устройства и системы АСУ ТП. Подробную информацию и консультацию можно получить у наших сотрудников.

информация о компании

Основное направление нашей деятельности — поставка оборудования и комплектующих для сборки автоматических производственных линий. Мы работаем с любыми сферами и предлагаем продукцию отличного качества по выгодной стоимости. У нас вы можете заказать как крупнооптовую, так и мелкооптовую партию оборудования.

Контактная информация

Каталог

информация

© UnitMC 2023. Все права защищены.

Быстрый заказ

Свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов, если у Вас есть какие-либо вопросы.

Свяжитесь с нами

Свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов, если у Вас есть какие-либо вопросы.

Свяжитесь с нами

Свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов, если у Вас есть какие-либо вопросы.

Свяжитесь с нами

Свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов, если у Вас есть какие-либо вопросы.

Оставить заявку

Соглашение об обработке персональных данных
В целях соблюдения 152-ФЗ
«о защите персональных данных»

Присоединяясь к настоящему Соглашению и оставляя свои данные на Сайте unitmc.ru (далее – Сайт), путем заполнения полей форм обратной связи Пользователь:

• подтверждает, что все указанные им данные принадлежат лично ему,
• подтверждает и признает, что им внимательно в полном объеме прочитано Соглашение и условия обработки его персональных данных, указываемых им в полях форм обратной связи, текст соглашения и условия обработки персональных данных ему понятны;
• дает согласие на обработку Сайтом предоставляемых в составе информации персональных данных в целях заключения между ним и Сайтом настоящего Соглашения, а также его последующего исполнения;
• выражает согласие с условиями обработки персональных данных без оговорок и ограничений.

Пользователь дает свое согласие на обработку его персональных данных, а именно совершение действий, предусмотренных п. 3 ч. 1 ст. 3 Федерального закона от 27.07.2006 N 152-ФЗ «О персональных данных», и подтверждает, что, давая такое согласие, он действует свободно, своей волей и в своем интересе. Согласие Пользователя на обработку персональных данных является конкретным, информированным и сознательным.

Настоящее согласие Пользователя признается исполненным в простой письменной форме, на обработку следующих персональных данных: фамилии, имени, отчества; года рождения; места пребывания (город, область); номеров телефонов; адресов электронной почты (E-mail).

Пользователь, предоставляет unitmc.ru право осуществлять следующие действия (операции) с персональными данными: сбор и накопление; хранение в течение установленных нормативными документами сроков хранения отчетности, но не менее трех лет, с момента даты прекращения пользования услуг Пользователем; уточнение (обновление, изменение); использование; уничтожение; обезличивание; передача по требованию суда, в т.ч., третьим лицам, с соблюдением мер, обеспечивающих защиту персональных данных от несанкционированного доступа.

Указанное согласие действует бессрочно с момента предоставления данных и может быть отозвано Вами путем подачи заявления администрации сайта с указанием данных, определенных ст. 14 Закона «О персональных данных». Отзыв согласия на обработку персональных данных может быть осуществлен путем направления Пользователем соответствующего распоряжения в простой письменной форме на адрес контактной электронной почты указанной на сайте unitmc.ru

Сайт не несет ответственности за использование (как правомерное, так и неправомерное) третьими лицами Информации, размещенной Пользователем на Сайте, включая её воспроизведение и распространение, осуществленные всеми возможными способами. Сайт имеет право вносить изменения в настоящее Соглашение. При внесении изменений в актуальной редакции указывается дата последнего обновления. Новая редакция Соглашения вступает в силу с момента ее размещения, если иное не предусмотрено новой редакцией Соглашения. Ссылка на действующую редакцию всегда находится на страницах сайта: unitmc.ru

К настоящему Соглашению и отношениям между пользователем и Сайтом, возникающим в связи с применением Соглашения подлежит применению право Российской Федерации.»

Что такое ШИМ: широтно-импульсная модуляция

Инверторы, преобразователи, схемы SMPS и контроллеры скорости… Все эти схемы объединяет то, что они состоят из множества электронных переключателей внутри. Эти переключатели представляют собой не что иное, как силовые электронные устройства, такие как MOSFET, IGBT, TRIAC и т. Д. Для управления такими силовыми электронными переключателями мы обычно используем так называемые сигналы PWM (широтно-импульсная модуляция). Помимо этого, сигналы PWM также используются для управления серводвигателями, а также для других простых задач, таких как управление яркостью светодиода.

В нашей предыдущей статье мы узнали об АЦП, а АЦП используется для чтения аналоговых сигналов с помощью цифрового устройства, такого как микроконтроллер. ШИМ можно рассматривать как полную противоположность ему, ШИМ используется для создания аналоговых сигналов от цифрового устройства, такого как микроконтроллер. В этой статье мы узнаем о том, что такое сигналы ШИМ, ШИМ и некоторые параметры, связанные с ними, чтобы мы были уверены в их использовании в наших проектах.

Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)?

ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция; мы рассмотрим причину такого названия позже. Но пока понимайте PWM как тип сигнала, который может быть произведен цифровой ИС, такой как микроконтроллер или таймер 555. Созданный таким образом сигнал будет иметь последовательность импульсов, и эти импульсы будут иметь форму прямоугольной волны. То есть в любой данный момент времени волна будет либо высокой, либо низкой. Для простоты понимания давайте рассмотрим сигнал ШИМ 5 В, в этом случае сигнал ШИМ будет либо 5 В (высокий), либо на уровне земли 0 В (низкий). Продолжительность, в течение которой сигнал остается на высоком уровне, называется « временем включения », а продолжительность, при которой сигнал остается на низком уровне, называется « временем выключения ».

Для сигнала ШИМ нам нужно посмотреть на два важных параметра, связанных с ним: один — это рабочий цикл ШИМ, а другой — частота ШИМ.

Рабочий цикл ШИМ

Как было сказано ранее, сигнал ШИМ остается включенным в течение определенного времени, а затем остается выключенным до конца этого периода. Что делает этот сигнал ШИМ особенным и более полезным, так это то, что мы можем установить, как долго он должен оставаться включенным, контролируя рабочий цикл сигнала ШИМ.

Процент времени, в течение которого сигнал ШИМ остается ВЫСОКИМ (по времени), называется рабочим циклом. Если сигнал всегда включен, это 100% рабочий цикл, а если он всегда выключен, это 0% рабочего цикла. Формулы для расчета рабочего цикла показаны ниже.

Рабочий цикл = время включения / (время включения + время выключения)

Следующее изображение представляет сигнал ШИМ с рабочим циклом 50%. Как видите, учитывая весь период времени (время включения + время выключения), сигнал ШИМ остается включенным только в течение 50% периода времени.

Частота = 1 / Период времени Период времени = Время включения + Время выключения

Обычно сигналы ШИМ, генерируемые микроконтроллером, составляют около 500 Гц, такие высокие частоты будут использоваться в высокоскоростных коммутационных устройствах, таких как инверторы или преобразователи. Но не все приложения требуют высокой частоты. Например, для управления серводвигателем нам необходимо генерировать сигналы ШИМ с частотой 50 Гц, поэтому частота сигнала ШИМ также может управляться программой для всех микроконтроллеров.

Некоторые часто возникающие вопросы по ШИМ

В чем разница между рабочим циклом и частотой сигнала ШИМ?

Часто путают рабочий цикл и частоту сигналов ШИМ. Как мы знаем, сигнал ШИМ представляет собой прямоугольную волну с определенным временем включения и выключения. Сумма этого на время и время выключения называется один период времени. Значение, обратное одному периоду времени, называется частотой. В то время как количество времени, в течение которого сигнал ШИМ должен оставаться включенным в один период времени, определяется рабочим циклом ШИМ.

Проще говоря, скорость включения и выключения сигнала ШИМ определяется частотой сигнала ШИМ, а на этой скорости, как долго сигнал ШИМ должен оставаться включенным, определяется рабочим циклом сигнала ШИМ.

Как преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение?

Для простых приложений, таких как управление скоростью двигателя постоянного тока или регулировка яркости светодиода, нам необходимо преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение. Это легко сделать с помощью RC-фильтра и обычно используется там, где требуется функция ЦАП. Схема для того же показана ниже

На приведенном выше графике желтый цвет — это сигнал ШИМ, а синий — выходное аналоговое напряжение. Значение резистора R1 и конденсатора C1 можно рассчитать на основе частоты сигнала ШИМ, но обычно используются резистор 5,7 кОм или 10 кОм и конденсатор 0,1 или 1 мк.

Как рассчитать выходное напряжение сигнала ШИМ?

Выходное напряжение ШИМ-сигнала после его преобразования в аналоговый будет в процентах от рабочего цикла. Например, если рабочее напряжение составляет 5 В, то сигнал ШИМ также будет иметь значение 5 В. В таком случае для 100% рабочего цикла выходное напряжение будет 5 В, для 50% рабочего цикла это будет 2,5 В.

Выходное напряжение = рабочий цикл (%) * 5

Примеры:

Ранее мы использовали ШИМ с различными микроконтроллерами во многих наших проектах:

Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция?

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Еще статьи по данной теме

Здравствуй Дмитрий! Рад, что продолжаешь делать новые уроки, у тебя, это отлично получается. Продолжай в том же духе.
Урок по ШИМ хороший, как всегда, но явно требуется продолжение. А именно, как реализуется ШИМ в микроконтроллерах, программно и аппаратно. Это очень актуальная тема для начинающих.
По поводу твоего сборника уроков по радиоэлектронике, согласен полностью, что информацию нужно собирать на просторах Ютуба, как говорят, » с миру по нитке». Но, содержание, твоего сборника, меня немного насторожило. Вот например, усилитель к174ун4, его наверно и в продаже нет. В свое время, я пытался собрать на этой мс усилок, но получил генератор, сильно капризная, чють, что не так, сразу самовозбуждается. Есть же неплохой усилитель на TDA2004, 2005(стерео), почему бы о ней не рассказать. По поводу резисторов, конденсаторов, транзисторов и диодов, то опытные радиолюбители давно перешли на SMD компоненты. Преимущества на лицо. Не нужно сверлить отверстия в печатной плате, компактно, стоят дешево (на али). Да ,и не мешало бы, в сборник уроков включить рекомендации, как самому нарисовать и распечатать плату. Ну это конечно автору решать, я лишь поделился своими мыслями.
Лично меня интересуют микроконтроллеры, все, что с ними связано. Вот, где Дмитрий, можно по настоящему развернуться. Я учусь программировать МК AVR, работаю с Atmel Stud!o7 , пишу на С, и считаю, что это самое перспективное направление. В будущем хотел бы заняться STM, но знаний, пока маловато. Твои уроки по МК, я смотрел с удовольствием, даже распечатал их в небольшую брошюрку, всегда под рукой если что то подзабыл, открыл, почитал, вспомнил. Очень удобно. Жаль, что нет продолжения уроков по микроконтроллерам AVR. Единственный канал на Ютубе по МК, который действительно раскрывает все аспекты программирования микроконтроллеров на си, это канал «narod stream», но смотреть его тяжело, очень специфически даёт материал, нужно пересматривать несколько раз, прежде чем поймёшь о чем речь. Ну может, автор на ,это и расчитывал.
Удачи тебе Дмитрий и новых уроков мы от тебя ждём!
Да и кстати, по работе в Atmel Studio, вообще очень скудная информация на русском. Можно сказать, что уроков , по настоящему раскрывающих эту мощную программу, нет, так скудные, обрывочные уроки.

Спасибо вам за вашу работу. Хотел бы предложить вам идею. Можно сделать такие видео, там например как очистить старые платы(разные способы) +как сделать из этих же плат новые(травление) и на них схемы собрать. Если вам идея понравилась скажите, если нет то тоже скажите.

Здравствуйте. Идея хорошая, только я ее не до конца понимаю. Точнее, не понимаю саму реализацию.

Дмитрий, ваши ролики стали для меня спасением в моем изучении радиотехники!
Решил обратиться к вам, может что подскажите или снимите ролик. По вашим видео начал разрабатывать схему ивентора с синусом изменяемой частоты от 0 до 20 кГц. С генератором треугольной формы разобрался, а с синусом (задаюший сигнал) оказалось сложней. Микрасхемы либо не способны выдавать нужную частоту, либо слабый сигнал, либо сильно искаженный сигнал. Есть ли какое-то решение этой проблемы?
Благодарю!

Здравствуйте вопрос
как называется величина, позволяющая качественно характеризовать ШИМ

Напряжение на дискретном выходе Ардуино 5 вольт . Является ли напряжение в 5 вольт ШИМ напряжением , при чем усредненным напряжением . И каково амплитудное напряжение и как его посчитать или измерить ?
Спасибо

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.

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:

• аналоговым;
• цифровым.

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.

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.

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, t_имп и t_паузы, причем t_имп+t_паузы=Т. Скважностью называется отношение длительности импульса к периоду – S=t_имп/T. Но на практике оказалось удобнее пользоваться обратной величиной – коэффициентом заполнения: D=1/S=T/t_имп. 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.

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

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

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

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

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

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

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Чем отличаются аналоговый сигнал от цифрового — примеры использования

Как работает транзистор и где используется?

Режимы работы, описание характеристик и назначение выводов микросхемы NE555

Подбор стабилизатора напряжения для жилого помещения: как выбрать подходящее устройство для дома и квартиры