Какво е ШИМ - широчинно-импулсна модулация

Модулацията е нелинеен електрически процес, при койтораметрите един сигнал (носител) се променят от друг сигнал (модулиращ, информация). В комуникационната техника широко се използват честотната, амплитудната изовата модулация. В силовата електроника и микропроцесорната техника широчинно-импулсната модулация става все по-разпространена.

Какво представлява ШИМ (широчинно-импулсна модулация)?

При широчинно-импулсната модулация амплитудата, честотата изата оригиналния сигнал остават непроменени. Продължителността (ширината) квадратния импулс се влияе от информационния сигнал. В английската техническа литература тя се обозначава с абревиатурата PWM - широчинно-импулсна модулация.

Принципбота ШИМ

Широчинно-импулсно модулираният сигнал се формира по двачина:

• аналог;
• цифрови.

При аналоговия метод за генериране ШИМ носещият сигнал под формата пила или триъгълна вълна се подава към инвертиращия вход компаратораи информационният сигнал се подава неинвертиращия вход компаратора. Ако моментното ниво носещата е по-високо от модулиращия сигнал, изходът компаратора е нула, а ако е по-ниско - единица. Изходът е дискретен сигнал с честота, съответстваща честотата носещия триъгълник или пила, и с дължина импулса, пропорционална нивото модулиращотопрежение.

Като пример е показана широчинно-импулсната модулация триъгълен сигнал чрез линеенрастващ импулс. Продължителността изходните импулси е пропорционална нивото изходния сигнал.

Аналоговите ШИМ контролери се предлагат ито готови интегрални схеми, които съдържат компаратор и схема за генериране носеща линия. Има входове за свързване външни елементи за честотен енкодер и за информационен сигнал. Изходът се използва за управление мощни външни превключватели. Има и входове за обратна връзка за поддържане зададенитераметри управление.къв е случаятпример с чипа TL494. ШИМ контролери с вътрешни превключватели се предлагат за приложения с относително ниска консумация енергия. Вътрешният превключвател LM2596 е проектиран за токове до 3 ампера.

Цифровият метод се постига с помощта специализирани чипове или микропроцесори. Дължината импулса се контролира от вътрешна програма. Много микроконтролери, включително популярните PIC и AVR, имат вграден модул зардуерна реализация ШИМ. За получите ШИМ сигнал, е необходимо активирате модула и зададетеботните мураметри. Ако нямакъв модул, ШИМ може бъде организиран единствено по софтуерен метод, което не е трудно. Този методва повече възможности и осигурява по-голяма свобода благодарение гъвкавото използване изходите, но ангажира повече ресурси контролера.

Характеристики ШИМ сигнала

Важнитерактеристики ШИМ сигнала:

• амплитуда (U);
• честота (f);
• Работен цикъл (S) или коефициент запълване D.

Амплитудата във волтове се задава в зависимост от товара. Той трябва осигурява номинално захранващопрежение за потребителя.

Честотата широчинно-импулсно модулирания сигнал се избира от следните съображения:

1. Колкото по-висока е честотата, толкова по-висока е точността регулиране.
2. Честотата не трябва е по-ниска от времето за реакция устройството, което се управлява с ШИМ, в противен случай ще има забележими пулсации в управляванияраметър.
3. Колкото по-висока е честотата, толкова по-високи загубите при превключване. Това се дължикта, че времето за превключване ключа е крайно. В заключено състояние цялото захранващопрежениеда върху ключовия елемент, но почти няма ток. В отворено състояние през ключа протича пълният ток товара, но спадътпрежение елък, тъйто проходното съпротивление е няколко ома. И в двата случаязсейването енергия е незначително. Преходът от едното състояние към другото е бърз, но не мигновен. По време процеса отваряне и затваряне върхустично отворения елементда високопрежение и в същото време през елемента протича значителен ток. През това времезсейваната мощност достига високи стойности. Този период е кратък и ключът няма време се загрее значително. Но с увеличаването честотата тези интервали стават повече за единица време и загубата топлина се увеличава. Ето защо ежно се използват бързодействащи елементи в конструкцията ключовете.
4. При управление мотори честотата трябва бъде изведена извън диапазона честотите, които могат бъдатзчетени от човека - 25 kHz и повече. Това ека, защото по-ниските честоти превключване предизвикват дразнещо свистене.

Тези изисквания често в противоречие помежду си,ка че изборът честота в някои случаи е компромис.

Стойността модулацията серактеризира сботния цикъл. Тъйто честотата повторение импулсите е постоянна, продължителността периода също е постоянна (T=1/f). Периодът се състои от импулс иуза, които имат продължителност t_imp и t_Пауза, където t_imp+t_Пауза=Т. Съотношението е отношението продължителността импулса към периода - S=t_imp/T. Но практика се оказа по-удобно се използва обратната стойност - коефициент запълване: D=1/S=T/t_имп.. Още по-удобно е коефициентът запълване се изрази в проценти.

Каква езликата между ШИМ и ШИМ

В чуждестранната техническа литература не се правизлика между широчинно-импулсна модулация и широчинно-импулсно управление (ШИУ). Руските експерти се опитватзграничат тези понятия. Всъщност ШИМ е вид модулация, т.е. промяна носещия сигнал под въздействието друг, модулиращ сигнал. Носещият сигнал действато носител, а модулиращият сигнал задава информацията. Широчинно-импулсното управление представлява регулиране режиматоварване чрез ШИМ.

Причини и приложения ШИМ

Принципът широчинно-импулсната модулация се използва в Управление скоростта асинхронни двигатели с голяма мощност. В този случай модулиращият сигнал с променлива честота (еднофазен или трифазен) се генерира с помощталомощен генератор синусоидални вълни и сеслагва върху носещата по аналоговчин. Изходът е ШИМ сигнал, който се подава към ключовете за търсене мощност. След това получената импулсна последователност може се прекара през нискочестотен филтър,пример проста RC верига, и се изолира оригиналната синусоидална вълна. Или можете се справите без него - филтрирането ще се осъществи по естественчин поради инерцията двигателя. Очевидно е, че колкото по-висока е носещата честота, толкова повече изходната форма вълната се доближава до оригиналната синусоида.

Възниква естественият въпрос - защо сигналът генератора не може бъде усиленведнъж,пример, използване мощни транзистори? Тъйто регулиращият елемент,ботещ в линеен режим, ще преразпределя мощността между товара и превключвателя. Това ще доведе до загуба много енергия за ключовия елемент. От друга страна, ако регулиращ елемент с голяма мощностботи в ключов режим (тринистор, симистор, транзистор RGBT), мощността сезпределя във времето. Загубите ще бъдат много по-малки, а ефективността - много по-висока.

В цифровата технология няма особена алтернатива широчинно-импулсното управление.м амплитудата сигнала е постоянна, апрежението и токът могат се променятмо чрез модулиране ширината носещия импулс и последващото му осредняване. Затова ШИМ се използва за управлениепрежението и тока в приложения, които могат осредняват импулсния сигнал. Осредняването се извършва позличничини:

1. Чрез инерцията товара.пример топлинната инерция термоелектрическитегреватели импите сжежаема жичка означава, че обектите за управление не се охлаждат забележимо между импулсите.
2. Заради инерцията възприятието. Светодиодът свети от импулс импулс, но човешкото око не забелязва това и го възприемато постоянно светене сзлична интензивност. Този принцип се използва за управление яркостта LED точките. Но няколкостотин херца незабележимо проблясване все още елице и причинява умора очите.
3. Поради механичната инерция. Това свойство се използва при управлението колекторни двигатели за постоянен ток. При подходяща честота управление двигателят няма време се задържи вузите мъртвото време.

Затова ШИМ се използва, когато средната стойностпрежението или тока играе решаваща роля. В допълнение към общите случаи, споменати по-горе, методът ШИМ регулира средния ток в заваръчнишини, зарядни устройства затерии и др.

Ако естественото осредняване не е възможно, в много случаизи роля може се поеме от вече споменатия нискочестотен филтър (LPF) под формата RC-верига. За практически цели това е достатъчно, но трябва сезбере, че е невъзможно се отдели оригиналният сигнал от ШИМ с помощта LPF без изкривявания. В края краищата спектърът ШИМ съдържа безкрайно голям бройрмоници, които неизбежно ще попаднат в честотната лента филтъра. Затова не си правете илюзии за формата възстановената синусоидална вълна.

ШИМ управлението RGB LED е много ефективно и ефикасно. Това устройство има три p-n прехода - червен, син и зелен. Чрез промяна яркостта всекинал поотделно може се постигне почти всеки цвят светодиода (освен чисто бял). Възможностите за създаване светлинни ефекти с ШИМ безкрайни.

Най-често срещаното приложение цифров импулсно-широчинно модулиран сигнал е за управление средния ток илипрежение, протичащи през товар. Но този тип модулация може се използва и по нетрадиционничини. Всичко зависи от въображението дизайнера.

Свързани статии: