Где применяется шим – Широтно-импульсная модуляция — Википедия

PWM — ШИМ — широтно-импульсная модуляция. Как работает и где применяется?

PWM (Pulse-width modulation, широтно-импульсная модуляция) – способ подачи питания устройству с определёнными временными рамками, такими как пауза между сигналом и время подачи сигнала.

Применяется во всех сферах, но в компьютерной сфере наиболее востребована в электромоторах вентиляторов и помп, подсветке мониторов.

В электромоторах есть сила инерции, которая позволяет крутиться валу ещё какое-то время после отключения питания. Если подавать энергию с промежутками (сигнал-пауза-сигнал), можно замедлять скорость вращения вала в зависимости от длины паузы между сигналами и времени подачи сигнала.

 

Широтно-импульсная модуляция позволяет плавно регулировать скорость

вращения вала двигателя, при наличии датчика скорости вращения.

В вентиляторах компьютерных систем используются привязки к заданным значениям температуры, увеличивая скорость с её ростом. Возможно регулирование большинства вентиляторов с 3-pin и 4-pin разъёмами, но 4-х пиновый коннектор, позволяет регулировать обороты намного плавнее, за счёт отдельного проводка управления ШИМ. В 3-х пиновом вентиляторе, регуляция оборотов происходит непосредственно подаваемым напряжением.

Не рекомендуется регулировать обороты вентиляторов на гидродинамических подшипниках и некоторых подшипниках скольжения. Такие вентиляторы рассчитаны либо на постоянную работу при определённых оборотах, либо у них есть нижний порог

, после которого они начнут быстро изнашиваться.

В подсветке для мониторов, ШИМ схема тем качественнее, чем выше её частота работы. Применяется для регулирования яркости, посредством пауз в подаче питания на лампы или светодиоды. Светодиодная подсветка намного больше зависима от частоты ШИМ, так как время для полного затухания светодиода в разы меньше чем у ламп холодного катода (CCFL). Поэтому мерцания при понижении яркости панели, могут сильно раздражать глаза и быть очень даже различимыми для глаза.

www.xtechx.ru

принцип действия и сфера применения

Сам принцип широтно–импульсного моделирования (ШИМ) известен уже давно, но применяться в различных схемах он стал относительно недавно. Он является ключевым моментом для работы многих устройств, используемых в различных сферах: источники бесперебойного питания различной мощности, частотные преобразователи, системы регулирования напряжения, тока или оборотов, лабораторные преобразователи частоты и т.д. Он прекрасно показал себя в автомобилестроении и на производстве в качестве элемента для управления работой как сервисных, так и мощных электродвигателей. ШИМ-регулятор хорошо зарекомендовал себя при работе в различных цепях.

Давайте рассмотрим несколько практических примеров, показывающих, как можно регулировать скорость вращения электродвигателя с помощью электронных схем, в состав которых входит ШИМ-регулятор. Предположим, что вам необходимо изменить обороты электродвигателя в системе отопления салона вашего автомобиля. Достаточно полезное усовершенствование, не правда ли? Особенно в межсезонье, когда хочется регулировать температуру в салоне плавно. Двигатель постоянного тока, установленный в этой системе, позволяет изменять обороты, но необходимо повлиять на его ЭДС. С помощью современных электронных элементов эту задачу легко выполнить. Для этого в цепь питания двигателя включается мощный полевой транзистор. Управляет им, как вы уже догадались, ШИМ- регулятор оборотов. С его помощью можно менять обороты электродвигателя в широких пределах.
Каким образом работает ШИМ-регулятор в цепях переменного тока? В этом случае используется несколько иная схема регулирования, но принцип работы остается тем же. В качестве примера можно рассмотреть работу частотного преобразователя. Такие устройства широко применяются на производстве для регулирования скорости двигателей. Для начала трехфазное напряжение выпрямляется с помощью моста Ларионова и частично сглаживается. И только после этого подается на мощную двуполярную сборку или модуль на базе полевых транзисторов. Управляет же им ШИМ-регулятор напряжения, собранный на базе микроконтроллера. Он и формирует контрольные импульсы, их ширину и частоту, необходимую для формирования определенной скорости электродвигателя.
К сожалению, помимо хороших эксплуатационных характеристик, в схемах, где используется ШИМ-регулятор обычно появляются сильные помехи в силовой цепи. Это связано с наличием индуктивности в обмотках электродвигателей и самой линии. Борются с этим самыми разнообразными схемными решениями: устанавливают мощные сетевые фильтры в цепях переменного тока или ставят обратный диод параллельно двигателю в цепях постоянного электропитания.

Такие схемы отличаются достаточно высокой надежностью в работе и являются инновационными в сфере управления электроприводами различной мощности. Они достаточно компактны и хорошо управляемы. Последние модификации таких устройств широко применяются на производстве.

fb.ru

принцип действия и сфера применения


ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема :: SYL.ru

При работе с множеством различных технологий часто стоит вопрос: как управлять мощностью, которая доступна? Что делать, если её необходимо понизить или повысить? Ответом на эти вопросы служит ШИМ-регулятор. Что он собой представляет? Где применяется? И как самому собрать такой прибор?

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Без выяснения значения этого термина продолжать не имеет смысла. Итак, широтно-импульсная модуляция — это процесс управления мощностью, которая подводится к нагрузке, осуществляемая путём видоизменения скважности импульсов, которая делается при постоянной частоте. Существует несколько типов широтно-импульсной модуляции:

1. Аналоговый.

2. Цифровой.

3. Двоичный (двухуровневый).

4. Троичный (трехуровневый).

Что такое ШИМ-регулятор?

Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно. Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть.

Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.

Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B … U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат – использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.

Схема №1

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат – значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы – доступность и простота элементов. Недостатки – сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Схема №2

Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры).

Причины распространения

Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных источников питания для электронной аппарату

10i5.ru

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.

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.

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. 

pspashkov.ru

8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях

8.1. Общие сведения

Принципы импульсного управления и модуляции рассмотрены в гл. 4 на при­мере простейшей схемы регулятора постоянного тока. При этом даны определе­ния основных видов импульсной модуляции, используемых в теории линейных импульсных систем, которые соответствуют практике управления импульсными преобразователями постоянного тока.

Однако широтно-импульсная модуляция напряжений или токов в преобразова­телях переменного тока имеет в силовой электронике несколько иное определе­ние, учитывающее особенности ШИМ при решении задач преобразования элект­роэнергии на переменном токе. Согласно определению МЭК 551-16-30, широтно- импульсной модуляцией называется импульсное управление, при котором ширина или частота импульсов или и та и другая модулируются в пределах периода основ­ной частоты для того, чтобы создать определенную форму кривой выходного напряжения. В большинстве случаев ШИМ осуществляется в целях обеспечения синусоидальности напряжения или тока, т. е. снижения уровня высших гармоник относительно основной (первой) гармоники, и называется синусоидальной. Разли­чают следующие основные методы обеспечения синусоидальности: аналоговая ШИМ и ее модификации; избирательное (селективное) подавление высших гармоник; гистерезисная или дельта-модуляция;

модуляция пространственного вектора.

Классическим вариантом организации аналоговой синусоидальной ШИМ явля­ется изменение ширины импульсов, формирующих выходное напряжение (ток) посредством сравнения сигнала напряжения заданной формы, называемого опор­ным или эталонным, с сигналом напряжения треугольной формы, имеющим более высокую частоту и называемым несущим сигналом. Опорный сигнал является модулирующим и определяющим требуемую форму выходного напряжения (тока). Существует много модификаций этого метода, в которых модулирующие сигналы представлены специальными функциями, отличными от синусоиды. В конспекте лекций будет рассмотрено несколько основных схем поясняющих эти методы ШИМ.

Метод избирательного подавления высших гармоник в настоящее время успешно реализуется средствами микропроцессорных контроллеров на основе программного обеспечения. Гистерезисная модуляция основана на принципах релейного «слежения» за опорным сигналом, например, синусоидальной формы. В простейшем техниче­ском исполнении этот метод сочетает принципы ШИМ и ЧИМ (частотно-импульсной модуляции). Однако посредством специальных схемотехнических мер можно стабилизировать частоту модуляции или ограничить диапазон ее изменения.

Метод модуляции пространственного вектора основан на преобразовании трехфазной системы напряжения в двухфазную и получении обобщенного про­странственного вектора. Величина этого вектора рассчитывается в моменты, определяемые основной и модулирующей частотами. Он считается весьма пер­спективным для управления трехфазными инверторами, в частности, при исполь­зовании их в электроприводе. В то же время он во многом сходен с традиционной синусоидальной ШИМ.

Системы управления на основе ШИМ позволяют не только обеспечить синусо­идальную форму усредненных значений основной гармоники напряжения или тока, но и управлять значениями ее амплитуды, частоты и фазы. Так как в этих случаях в преобразователе используются полностью управляемые ключи, то становится возможным реализовать работу преобразователей переменного (постоянного) тока совместно с сетью переменного тока во всех четырех квадрантах в режимах как выпрямления, так и инвертирования с любым заданным значением коэффициента мощности основной гармоники cosφ в диапазоне от -1 до 1. Более того, с увеличе­нием несущей частоты расширяются возможности воспроизведения на выходе инверторов тока и напряжения заданной формы. Это позволяет создавать актив­ные фильтры для подавления высших гармоник.

Основные определения, используемые при дальнейшем изложении, рассмот­рим на примере применения первого метода в однофазной полу мостовой схеме инвертора напряжения (рис. 8.1, а). В этой условной схеме ключи S1 и S2 пред­ставлены полностью управляемыми коммутационными элементами, дополнен­ными последовательно и параллельно соединенными с ними диодами. Последова­тельные диоды отражают однонаправленную проводимость ключей (например, транзисторов или тиристоров), а параллельные обеспечивают проводимость обратных токов при активно-индуктивной нагрузке.

Диаграммы опорного, модулирующего uM(θ) и несущего uH(θ) сигналов приве­дены на рис. 8.1, б. Формирование импульсов управления ключами S1 и S2 осу­ществляется по следующему принципу. При uM(θ) > uH(θ) ключ S1 включен, a S2 выключен. При uM(θ) < uH(θ) состояния ключей изменяются на противоположные: S2 — включен, a S1 — выключен. Таким образом, на выходе инвертора формиру­ется напряжение в виде двух полярных импульсов. В реальных схемах для исключе­ния одновременной проводимости ключей S1 и S2 следует предусматривать опреде­ленную задержку между моментами формирования сигналов на включение этих ключей. Очевидно, что ширина импульсов зависит от соотношения амплитуд сигна­лов uM(θ) и uH(θ). Параметр, характеризующий это соотношение, называется индексом амплитудной модуляции и определяется по формуле (8.1):

, ( 8.1.)

где UMm и UHm — максимальные значения модулирующего сигнала uM(θ) и несущего сигнала uH(θ) соответственно.

а

б

.Рис. 8.1. Однофазный полу мостовой инвертор напряжения: а – схема; б – диаграммы напряжения при импульсной модуляции

Частота несущего сигнала uH(θ) равна частоте коммутации fH ключей S1 и S2 и обычно значительно превышает частоту модулирующего сигнала fM. Соотношение частот fH и fM является важным показателем эффективности процесса модуляции и называется индексом частотной модуляции, который определяется по формуле (8.2):

(8.2)

При малых значениях Mf сигналы uM(θ) и uH(θ) должны быть синхронизированы, чтобы избежать появления нежелательных субгармоник. В [17] в качестве максимального значения My, определяющего необходимость синхронизации, уста­навливается Мf = 21. Очевидно, что при синхронизированных сигналах и коэффициент Mf является постоянной величиной.

Из диаграммы на рис. 8.1 видно, что амплитуда первой гармоники выходного напряжения Uam1 может быть с учетом (8.1) представлена в следующем виде (8.3):

(8.3)

Согласно (8.3) при М a= 1 амплитуда первой гармоники выходного напряжения равна высоте прямоугольника полуволн Ud/2. Характерная зависимость относи­тельного значения первой гармоники выходного напряжения от значения Мa пред­ставлена на рис. 8.2, из которого видно, что изменение Мa от 0 до 1 линейно и зависит от амплитуды Uam1. Предельное значение величины Мa определяется прин­ципом рассматриваемого вида модуляции, согласно которому максимальное зна­чение Uam1 ограничено высотой полуволны прямоугольной формы, равной Ud/2. При дальнейшем увеличении коэффициента Мa модуляция приводит к нелиней­ному возрастанию амплитуды Uam1 до максимального значения, определяемого формированием на выходе инвертора напряжения прямоугольной формы, которое в дальнейшем остается неизменным.

Разложение прямоугольной функции в ряд Фурье дает максимальное значение (8.4):

(8.4)

Эта величина ограничивается значением индекса Ма, изменяющегося в диапа­зоне от 0 до примерно 3. Очевидно, что функция на интервале а—б значений от 1 до 3,2 является нелинейной (рис. 8.2). Режим работы на этом участке называется сверх модуляцией.

Значение Mf определяется выбором частоты несущего сигнала uH(θ) и сущест­венно влияет на технические характеристики преобразователя. С ростом частоты увеличиваются коммутационные потери в силовых ключах преобразователей, но при этом улучшается спектральный состав выходного напряжения и упрощается реше­ние задачи фильтрации высших гармоник, обусловленных процессом модуляции. Важным фактором выбора значения fH во многих случаях является необходимость обеспечения его значения в звуковом диапазоне частоты более 20 кГц. При выборе fH следует также учитывать уровень рабочих напряжений преобразователя, его мощность и другие параметры.

Рис. 8.2. Зависимость относительного значе­ния амплитуды основной гармоники выход­ного напряжения от индекса амплитудной модуляции для однофазной полу мостовой схемы

Общей тенденцией здесь является рост значений Mfпреобразователей малой мощности и низких напряжений и наоборот. Поэтом выбор Mf является многокритериальной оптимизационной задачей.

Импульсная модуляция со стохастическим процессом. Использование ШИМ в преобразователях связано с появлением высших гармоник в модулируе­мых напряжениях и токах. При этом в спектральном составе этих параметров наиболее значительные гармоники возникают на частотах, кратных индексу час­тотной модуляции Mf и сгруппированных около них на боковых частотах гармо­ник с убывающими амплитудами. Высшие гармоники могут порождать следую­щие основные проблемы:

  • возникновение акустических шумов;

  • ухудшение электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими электротех­ническими устройствами или системами.

Основными источниками акустических шумов являются электромагнитные компоненты (дроссели и трансформаторы), на которые воздействуют ток и напря­жение, содержащие высшие гармоники с частотами звукового диапазона. Следует отметить, что шумы могут возникать на определенных частотах, где высшие гар­моники имеют максимальное значение. Факторы, вызывающие шумы, например явление магнитострикции, усложняют разрешение проблемы ЭМС. Проблемы с ЭМС могут возникать в широком частотном диапазоне в зависимости от критич­ности к уровню электромагнитных помех электротехнических устройств. Тради­ционно для снижения уровня шумов использовались конструктивные и технологи­ческие решения, а для обеспечения ЭМС применялись пассивные фильтры.

В качестве перспективного направления решения этих проблем рассматрива­ются методы, связанные с изменением характера спектрального состава модули­руемых напряжений и токов. Сущность этих методов состоит в выравнивании час­тотного спектра и снижении амплитуды явно выраженных гармоник за счет стохастического их распределения в широком частотном диапазоне. Такой прием иногда называется «размазыванием» частотного спектра. Концентрация энергии помех уменьшается на частотах, где гармоники могут иметь максимальные значе­ния. Реализация этих методов не связана с воздействием на компоненты силовой части преобразователей и в большинстве случаев ограничена программными средствами с незначительным изменением системы управления.

Рассмотрим кратко принципы реализации этих методов. В основе ШИМ лежит изменение коэффициента заполнения γ= tи / Tn, где tи — длительность импульса; Тn — период его формирования. Обычно эти величины, а также положение импульса на интервале периода Тn являются постоянными в установившихся режимах. Результаты ШИМ определяются как интегральные усредненные значе­ния. В этом случае детерминированные значения tи и включая положение импульса, обусловливают неблагоприятный спектральный состав модулируемых параметров. Если этим величинам придать случайный характер при сохранении заданного значения γ, то процессы становятся стохастическими и спектральный состав модулируемых параметров изменяется. Например, такой случайный харак­тер можно придать положению импульса tи на интервале периода Тn или обеспе­чить стохастическое изменение последнего. Для этой цели может использоваться генератор случайных чисел, воздействующий на задающий генератор частоты модуляции fn=1/Tn. Аналогичным образом можно изменять положение импульса на интервале Тn с математическим ожиданием, равным нулю. Усреднен­ное интегральное значение γ должно оставаться на заданном системой регулирова­ния уровне, в результате чего будет реализовано выравнивание спектрального состава высших гармоник в модулируемых напряжениях и токах.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные методы ШИМ для обеспечения синусоидальности тока или напряжения.

2. В чем отличие однополярной модуляции напряжения от двухполярной?

3. Перечислите основные параметры ШИМ.

4. С какой целью используется ШИМ со стохастическими процессами?

studfiles.net

Что такое ШИМ. Широтно Импульсная Модуляция. ШИМ контроллер — МикроПрогер

Уважаемый микропрогер, будем разговаривать с вами предельно простым языком:

представим себе электрический импульс А с амплитудой напряжения от 0В до 5В, длиной 1 мс и периодом повторения 10мс (т.е. в течение 1 мс напряжение на линии, по которой проходит импульс А составляет 5В, затем в течение 9мс составляет 0В, и так повторяется каждые 10 мс). А теперь представим, что мы увеличиваем длительность импульса А до 2мс (пусть теперь это будет импульс Б), а повторяется он точно те же каждые 10мс. Задача изменения длительности импульса А с 1мс до импульса Б 2 мс и есть задача ШИМ.

Вообще говоря слово «Модуляция» означает изменение параметров колебания (частоты, амплитуды, фазы). Широтно-импульсная модуляция  — изменение скважности импульсов при постоянной частоте. Скважность — то же самое, что протяженность, т.е. в нашем примере это изменение протяженности импульса с 1мс до 2мс.

 

 

ШИМ регулятор

Работа ШИМ регулятора наглядно отображена на данной картинке-графике.

На графике мы видим три сигнала. Сигналы модулируются ШИМом, который генерирует и регулирует скважность импульсов.

Скважность на графике сверху — 15%. То есть, за один период, равный 100%, 15% времени выдается логическая единица (напряжение TTL уровня +3В либо +5В). 75% времени выдается логический ноль (отсутствие напряжения в линии — 0В).

На среднем графике скважность 50% —  50% времени выдается логическая 1, 50% выдается логический 0.

На графике снизу скважность 90%. 90% -1. 10% — 0.

Если подключить светодиод к нашему ШИМ регулятору, то в случае с первым графиком светодиод будет светиться слабо. С графиком 2 свечение светодиода будет ярче чем с 1, но сам светодиод будет светиться на 50% своей мощности. В случае с 3-им графиком, яркость свечения светодиода будет настроена на 90%, близкие к максимальным.

Как видим, с помощью ШИМ очень удобно регулировать яркость свечения светодиода, а также работу шагового двигателя.

 

Еще раз вспомнил наши импульсы А и Б. Они бегут по проводу к потребителю электрического тока и представляют собой электрический ток с определенным напряжением(Вольты) и определенной силой(Амперы), которая зависит от потребителя. Потребители в общем случае кушают фиксированный ток (например 300мА). То есть, если бы импульс А или Б длился все 10мс и не прерывался, то потребление тока для потребителя составило именно 300мА. Если же мы прерываем ток длительностью импульса, то потребление тока при действующем импульсе А составит 300мА * (1/10) = 30мА, при импульсе Б 300мА * (2/10) = 60мА.

Генераторы ШИМ применяются в  задачах управления светодиодными светильниками. Все предельное просто: чем больше тока подаем на светодиод, тем ярче он светится. То же самое с RGB светодиодами —  подаем на красный(R) импульс А(30мА), на синий импульс Б(60мА), на зеленый 0 — получаем тусклый фиолетовый свет, который получается от менее яркого красного и более яркого синего цветов.

ШИМ применяется в  задачах управления вращающимися двигателями — чем больший ток подаем на контакты движка, тем быстрее он вращается. А если двигателя мы имеем три, а в придачу у нас куча идей и целая программа для последовательной подачи импульсов типа А и Б на их обмотки? Тут можно сколотить целый 3Д принтер!

 

Для микропрогерского осознания сути словосочетания «ШИМ контроллер«, достаточно понимать общее назначение опорной частоты и способах выдачи на одну ножку микросхемы последовательности логических нулей и единичек.

Допустим, у нас есть микроконтроллер или ПЛИС и все тот же вращающийся движок, который при постоянном токе 5В потребляет 300мА и при этом потреблении вертит своей осью 10 раз в секунду. Теперь нас попросили — сделайте так, чтобы я нажимал на кнопку, а движок сделал 5 оборотов с частотой 1 оборот в секунду, затем сделал еще 2 оборота за 1 секунду и выключился.

Что мы делаем?

Правильно, пишем программу для нашей любимой логической приблуды — плисины или микрика. В проге будет вход, при наличии 1 на котором запускается цикл — выдача 1 в течение 1мс, затем 0 в течение 9мс, так 5 раз подряд. Затем выдача 1 2мс два раза подряд. end module. Start Compilation.

Только перед подключением нагрузки(двигателя) к микроконтроллеру или ПЛИС не забываем прочесть вот эту короткую, по очень полезную статью, не позволяющую спалить наш новоявленный ШИМ-контроллер.

Все просто!

Остались вопросы? Напишите комментарий. Мы ответим и поможем разобраться =)

Автор публикации

877 Комментарии: 1Публикации: 31Регистрация: 17-03-2016

micro-proger.ru

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) | Электронные печеньки

Что такое ШИМ?

В описании плат Arduino часто встречается аббревиатура ШИМ. За этой аббревиатурой скрывается термин широтно-импульсная модуляция (в английском варианте PWM — pulse-width modulation).

Широтно-Импульсная модуляция, или ШИМ, – это управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов.

По простому: ШИМ – это возможность быстро-быстро включать и выключать ток на выводе. Эти «колебания» усредняются, и получается меняющееся напряжение. Например, если мы запустим ШИМ с напряжением в 5 В и время, когда питание подаётся на вывод будет равняться времени, когда вывод выключен, то мы получим напряжение на выводе 2,5 В (половину от пяти вольт). Кстати, соотношение времени подачи напряжения и отключения вывода называют скважностью. Регулируя скважность, можно получать разные значения напряжения на выходе.

Изменение напряжения в зависимости от скважности ШИМ

Для чего же применяется ШИМ в проектах на основе Arduino? Электронную аппаратуру сложно обеспечить произвольным напряжением (более низким, чем входное). Использование делителя напряжения иногда невозможно из-за низкого КДП или сложности применения. Выводы ШИМ Arduino основаны на транзисторной схеме, они весьма энергоэффективны и просты в применении.

С помощью ШИМ-выводов можно управлять яркостью светодиодов, скоростью вращения моторов, и многим другим.

uscr.ru