Модуляція – нелінійний електричний процес, у якому параметри одного сигналу (несучого) змінюються з допомогою іншого сигналу (модулюючого, інформаційного). У зв'язковій техніці широко застосовується частотна, амплітудна, фазова модуляція. У силовій електроніці та мікропроцесорній техніці поширення набула широтно-імпульсна модуляція.
Що таке ШІМ (широтно-імпульсна модуляція)
При широтно-імпульсної модуляції вихідного сигналу незмінними залишаються амплітуда, частота та фаза вихідного сигналу. Зміни під впливом інформаційного сигналу піддається тривалість (ширина) прямокутного імпульсу. В англомовній технічній літературі позначається абревіатурою PWM – pulse-width modulation.
Принцип роботи ШІМ
- аналоговим;
- цифровим.
При аналоговому способі створення ШІМ-сигналу, що несе у вигляді пилкоподібного або трикутного сигналу, подається на вхід, що інвертує компаратора, а інформаційний - на неінвертуючий. Якщо миттєвий рівень несучої вище модулюючого сигналу, то виході компаратора нуль, якщо нижче – одиниця. На виході виходить дискретний сигнал з частотою, що відповідає частоті несучого трикутника або пилки, і довжиною імпульсу, пропорційною рівню модулюючої напруги.
Як приклад наведена модуляція по ширині імпульсу трикутного сигналу лінійно-зростаючим. Тривалість вихідних імпульсів пропорційна до рівня вихідного сигналу.
Аналогові ШІМ-контролери випускаються і у вигляді готових мікросхем, усередині яких встановлено компаратор та схема генерації несучої. Є входи для підключення зовнішніх частотних елементів і подачі інформаційного сигналу. З виходу знімається сигнал, що управляє потужними зовнішніми ключами. Також є входи для зворотного зв'язку – вони потрібні підтримки встановлених параметрів регулювання. Такою є, наприклад, мікросхема TL494. Для випадків, коли потужність споживача відносно невелика, випускаються ШІМ-контролери із вбудованими ключами. На струм до 3 Ампер розрахований внутрішній ключ мікросхеми LM2596.
Цифровий спосіб здійснюється застосуванням спеціалізованих мікросхем чи мікропроцесорів. Довжина імпульсу регулюється внутрішньою програмою. У багатьох мікроконтролерах, включаючи популярні PIC та AVR, «на борту» є вбудований модуль для апаратної реалізації ШІМ, для отримання PWM-сигналу треба активувати модуль та задати параметри його роботи. Якщо такий модуль відсутній, то ШІМ можна організувати суто програмним методом, це нескладно. Цей метод дає більш широкі повноваження і надає більше свободи рахунок гнучкого використання виходів, але задіює більше ресурсів контролера.
Характеристики ШІМ сигналу
Важливими характеристиками ШІМ сигналу є:
- амплітуда (U);
- частота (f);
- шпаруватість (S) або коефіцієнт заповнення D.
Амплітуда у вольтах визначається залежно від навантаження. Вона має забезпечувати номінальну напругу живлення споживача.
Частота сигналу, що модулюється за шириною імпульсу, вибирається з таких міркувань:
Чим вища частота, тим вища точність регулювання.
Частота не повинна бути нижчою за час реакції пристрою, яким керують за допомогою ШІМ, інакше виникнуть помітні пульсації регульованого параметра.
Що частота, то вище комутаційні втрати. Він виникають через те, що час перемикання ключа звичайно. У замкненому стані на ключовому елементі падає вся напруга живлення, але струм майже відсутній. У відкритому стані через ключ протікає повний струм навантаження, але падіння напруги невелике, оскільки прохідний опір становить одиниці Ом. І в тому, і в іншому випадку розсіювання потужності незначне. Перехід від одного стану до іншого відбувається швидко, але не миттєво. У процесі відмикання-замикання на частково відкритому елементі падає велика напруга і одночасно через нього йде значний струм. У цей час потужність, що розсіюється, досягає високих значень. Цей період невеликий, ключ не встигає значно розігрітися. Але з підвищенням частоти таких тимчасових проміжків за одиницю часу стає більшим, і втрати на тепло підвищуються. Тому для побудови ключів важливим є використання швидкодіючих елементів.
При керуванні електродвигуном частоту доводиться виводити за межі ділянки, що чує людиною, - 25 кГц і вище. Тому що при нижчій частоті ШІМ виникає неприємний свист.
Ці вимоги часто суперечать одна одній, тому вибір частоти у випадках – це пошук компромісу.
Величину модуляції характеризує шпаруватість. Так як частота проходження імпульсів стала, то стала і тривалість періоду (T=1/f). Період складається з імпульсу та паузи, що мають тривалість, відповідно, tімп і tпаузи, причому tімп+tпаузи=Т. Добре називається відношення тривалості імпульсу до періоду - S = tимп / T. Але на практиці виявилося зручніше користуватися зворотною величиною – коефіцієнтом заповнення: D=1/S=T/tімп. Ще зручніше виражати коефіцієнт заповнення у відсотках.
У чому відмінність ШІМ від ШИР
У зарубіжній технічній літературі немає різниці між широтно-імпульсною модуляцією та широтно-імпульсним регулюванням (ШИР). Російські фахівці ці поняття намагаються розмежувати. Насправді ШІМ - це вид модуляції, тобто зміни несучого сигналу під дією іншого, що модулює. Несучий сигнал виконує роль переносника інформації, а модульуючий задає цю інформацію. А широтно-імпульсне регулювання – це регулювання режиму навантаження за допомогою ШІМ.
Причини та сфери застосування ШІМ
Виникає природне питання – а чому не можна посилити сигнал генератора одразу, наприклад, застосуванням потужних транзисторів? Тому що регулюючий елемент, що працює в лінійному режимі, перерозподілятиме потужність між навантаженням і ключем. При цьому на ключовому елементі марно розсіюється значна потужність. Якщо потужний регулюючий елемент працює у ключовому режимі (триністор, симистор, RGBT-транзистор), то потужність розподіляється у часі. Втрати будуть набагато нижчими, а ККД – набагато вищими.
У цифровій техніці особливої альтернативи широтно імпульсному регулюванню немає. Амплітуда сигналу там постійна, змінювати напругу і струм можна лише промодулювавши несучу по ширині імпульсу і згодом усереднивши її. Тому ШІМ застосовують регулювання напруги і струму тих об'єктах, які можуть усереднювати імпульсний сигнал. Усереднення відбувається різними способами:
- за рахунок інерції навантаження. Так, теплова інерція термоелектронагревателей і ламп розжарювання дозволяє об'єктам регулювання помітно не остигати в пауз між імпульсами.
- За рахунок інерції сприйняття. Світлодіод встигає згаснути від імпульсу до імпульсу, але людське око цього не помічає і сприймає як постійне свічення з різною інтенсивністю. На цьому принципі побудовано керування яскравістю точок LED-моніторів. Але непомітне миготіння з частотою кілька сотень герц все ж таки присутнє і служить причиною втоми очей.
- за рахунок механічної інерції. Ця властивість використовується для управління колекторними двигунами постійного струму. При правильно вибраній частоті регулювання двигун не встигає загальмуватися в безструмових паузах.
Тому ШІМ застосовують там, де вирішальну роль відіграє середнє значення напруги чи струму. Окрім згаданих поширених випадків, методом PWM регулюють середній струм у зварювальних апаратах та зарядних пристроях для акумуляторних батарей тощо.
Якщо природне усереднення неможливе, у багатьох випадках цю роль він може взяти вже згаданий фільтр низької частоти (ФНЧ) як RC-ланцюжка. Для практичних цілей цього достатньо, але треба розуміти, що без спотворень виділити вихідний сигнал із ШІМ за допомогою ФНЧ неможливо. Адже спектр PWM містить дуже багато гармонік, які неминуче потраплять у смугу пропускання фільтра. Тому не варто будувати ілюзій щодо форми відновленої синусоїди.
Дуже ефективно та ефектно керування методом ШИМ RGB-світлодіодом. Цей прилад має три p-n переходи – червоний, синій, зелений. Змінюючи окремо яскравість свічення кожного каналу, можна отримати практично будь-який колір свічення LED (за винятком чистого білого). Можливості створення світлових ефектів за допомогою PWM безмежні.
Найбільш уживана сфера застосування цифрового сигналу, промодулированного за тривалістю імпульсу – регулювання середнього струму чи напруги, що протікає через навантаження. Але можливе і нестандартне використання цього виду модуляції. Все залежить від фантазії розробника.
СХОЖІ СТАТТІ:
- Що таке частотний перетворювач, як він працює і для чого потрібен
- Як підключити трифазний двигун на 220 і 380 Вольт - огляд схем
- Що таке діодний міст – просте пояснення