Преобразование шим в напряжение

Вы просматриваете архив форума.

Этот форум работает только в режиме просмотра и поиска.

Действующий форум переведен на новый движок и
находится по адресу www.microchip.su

преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Flex ()
Дата: 23/03/2005 16:38

Есть PIC16F72, который выдаёт ШИМ частотой 5КГц, амплитуда (после ключа) 10В.
Ещё есть регулятор частоты вращения 3х фазного двигателя, управляемый напряжением
от 0 до 10В.
Как проще всего преобразовать ШИМ в напряжение, чтобы управлять входом регулятора?

Пока вижу такие варианты решения:
1. Интегрировать ШИМ RC-цепочкой.
2. Отказаться от ШИМ и:
а) Использовать набор весовх резисторов
б) Поставить какой-нибудь ЦАП

Если использовать RC-цепочку, то какими выбрать значения R и C ?
Главный вопрос, который меня волнует – не будет ли значительных пульсаций на
конденсаторе.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: ИС ()
Дата: 23/03/2005 17:05

Для ШИМ 4 кгц я использовал RC второго порядка на выход ПИКа с номиналами 15К и 0,1 каждое
звено, а далее буфер с двойным коэф-том на ОУ. Пульсы при выходом 5В около 40mV, выше-ниже –
еще меньше

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: VaBо ()
Дата: 23/03/2005 17:14

> Есть PIC16F72, который выдаёт ШИМ частотой 5КГц, амплитуда
> (после ключа) 10В.

А ключ-то двухтактный?

> Как проще всего преобразовать ШИМ в напряжение, чтобы управлять
> входом регулятора?

> 1. Интегрировать ШИМ RC-цепочкой.

> Если использовать RC-цепочку, то какими выбрать значения R и
> C ?

> Главный вопрос, который меня волнует – не будет ли значительных
> пульсаций на
> конденсаторе.

никто не запрещает тебе сделать постоянную времени 200 mS, например. Движком
быстрее рулить не нужно.

RC при таком тау, э-э-э-э, ну где-то 3кОм 68uF, многое зависит от возможностей
ключа.
Пульсаций не будет точно! :))

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Flex ()
Дата: 23/03/2005 17:30

Ключ в моей схеме обычный (на одном КТ312).
Идея насчёт уменьшения частоты ШИМ неплохая, попробую снизить в разумных пределах 🙂
Хотя, если будет значительная инерционность всей этой системы, придётся делать что-
то вроде того, как предложил ИС.
Спасибо.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: VaBо ()
Дата: 23/03/2005 17:53

> Ключ в моей схеме обычный (на одном КТ312).

А нужен таки ДВУХТАКТНЫЙ, иначе ерунда получится. Попробуй без ключа, на
операционнике неинверт. с Ку

= 2. 10(12) вольт ведь у тебя есть? На входе
ОУ,ессно, RC..

> Идея насчёт уменьшения частоты ШИМ неплохая, попробую снизить в
> разумных пределах 🙂

не, ты ничо не понял! Речь то шла о тау фильтрующей цепи.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Phil ()
Дата: 23/03/2005 18:17

> Ключ в моей схеме обычный (на одном КТ312).
Только работать он будет плохо. Ключ нужен двухтактный, а ещё лучше, как тут уже
писАли, брать сигнал ШИМ с выхода ПИКа, отправлять на фильтр второго порядка
Чебышева, с частотой -3 dB порядка 10 Hz для 4kHz ШИМа, а затем усилить опером хы 2

> Идея насчёт уменьшения частоты ШИМ неплохая, попробую снизить в
> разумных пределах 🙂
ЗАЧЕМ.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Евгений Новый ()
Дата: 24/03/2005 10:03

> Ключ в моей схеме обычный (на одном КТ312).
Ух ты! Не думал, что ещё такие применяются.

>отправлять на фильтр второго порядка
Чебышева, с частотой -3 dB порядка 10 Hz для 4kHz ШИМа
Ну зачем Вы так? Поиздеваться над новичком? Человек врядли представляет, как
сделать ключ двухтактным, а вы ему: "Чебышева", "второго порядка" и т.п. . Думаю,
тот, кто знает, что это и как рассчитать для него частоту среза, не нуждается в
таких советах. И откуда Вы взяли именно 10 Гц? Почему не 15,5 или, скожем, 22?

По существу: Частоту ШИМа снижать не стоит, её лучшу даже повысить, если позволяют
ресурсы. Для точного ответа на твой вопрос не хватает данных о входном
сопротивлении регулятора и о дискретности регулирования. А точнее, о минимальной и
максимальной скважности ШИМ. Поэтому:
1. ОУ перед регулятором поставить – это правильно. Так избавишься от влияния
входного сопротивления регулятора. Пусть это будет неинвертирующий усилитель с К=2-
2,2, так проще.ОУ надо выбрать так, чтобы диапазон выходных напряжений
включал "землю". (При питании между 0 и 10В, конечно).
2. Между выходом ПИКа и неинвертирующим входом ОУ ставим RC-цепочку. Допустим, есть
255 шагов регулировыния (ШИМ 8-разрядный). Тогда минимальная длительность импульса
будет 0,2 ms/255 = 0,78мкс. Достаточно выбрать постоянную времени RC-цепочки больше
в 5 раз, чтобы усреднить такие импулься с точностью 99%. Т.е. – 4ms. Например,
резистора 10к и конденсатора (лучше керамического или тантал) 0,47 мкф будет вполне
достаточно. Или, соответственно, 47к и 0,1 мкф.(будет больше – не повредит).
3. Даже если останутся небольшие пульсации (а это вряд ли) с частотой ШИМ, т.е.
5кГц, и регурятор их "отработает" (а это тоже вряд ли), на управлении скоростью
двигателя это никак не скажется – он их просто "не почувствует" и "усреднит" сам.
Он ведь на 50Гц, да и инерционность у него – порядка секунд.
Удачи!

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: wdtn ()
Дата: 24/03/2005 14:32

Евгений Новый писал(а):

> > Ключ в моей схеме обычный (на одном КТ312).
> Ух ты! Не думал, что ещё такие применяются.
>
> >отправлять на фильтр второго порядка
> Чебышева, с частотой -3 dB порядка 10 Hz для 4kHz ШИМа
> Ну зачем Вы так? Поиздеваться над новичком?

как грязно вы о людях судите. :(( по себе не надо ровнять

Человек врядли
> представляет, как
> сделать ключ двухтактным, а вы ему: "Чебышева", "второго
> порядка" и т.п. . Думаю,
> тот, кто знает, что это и как рассчитать для него частоту
> среза, не нуждается в
> таких советах. И откуда Вы взяли именно 10 Гц? Почему не 15,5
> или, скожем, 22?

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Phil ()
Дата: 24/03/2005 15:21

Евгений Новый писал(а):

> >отправлять на фильтр второго порядка
> Чебышева, с частотой -3 dB порядка 10 Hz для 4kHz ШИМа
> Ну зачем Вы так? Поиздеваться над новичком? Человек врядли
> представляет, как
> сделать ключ двухтактным, а вы ему: "Чебышева", "второго
> порядка" и т.п.

Читать также:  Кнопочный пост на 2 кнопки схема подключения

Тогда зачем он берётся за такое дело? Не знает – пусть учится.Справочники есть на
то 🙂

> И откуда Вы взяли именно 10 Гц? Почему не 15,5
> или, скожем, 22?
По своему опыту работы с промышленными инверторами. Более меняющееся задающее
воздействие он просто не отработает.

> 2. Между выходом ПИКа и неинвертирующим входом ОУ ставим
> RC-цепочку. Допустим, есть
> 255 шагов регулировыния (ШИМ 8-разрядный). Тогда минимальная
> длительность импульса
> будет 0,2 ms/255 = 0,78мкс. Достаточно выбрать постоянную
> времени RC-цепочки больше
> в 5 раз, чтобы усреднить такие импулься с точностью 99%. Т.е. –
> 4ms. Например,
> резистора 10к и конденсатора (лучше керамического или тантал)
> 0,47 мкф будет вполне
> достаточно. Или, соответственно, 47к и 0,1 мкф.(будет больше –
> не повредит).
Довольно большой размах пульсаций (где-то 150 мВ при 5 вольтах и соответственно 300
мВ на 10). Не уверен, что всякий инвертор к этому нормально отнесётся.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Евгений Новый ()
Дата: 24/03/2005 16:46

А почему нет? Вы хотите сказать, инвертор отработает 5-кГцовое изменение
управляющего напряжения? Даже если амплитудой в несколько вольт? Что произойдёт? У
Вас же есть опыт работы с промышленными инверторами. Хоть один из них "почувствует"
на входе такую частоту? Согласитесь, что тогда он не "промышленный", а, мягко
говоря, любительский.
>Более меняющееся задающее воздействие он просто не отработает.
Именно. Поэтому и не нужно делать такой низкой частоту среза и формировать крутой
спад АЧХ фильтрами 2-го порядка: 10 Гц и 5 кГц – это разница почти в 9 октав!
Кроме того, 300 мВ как Вы получили? У меня много меньше получилось 🙂

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Flex ()
Дата: 24/03/2005 20:55

2_Евгений: Входное сопротивление регулятора 10К (кстати, можно ли исключить при этом ОУ,
т.е. будет ли значительным влияние входного сопротивления регулятора?), дискретность
регулирования (теоретически) 255 шагов.

2_Phil: Инвертор промышленный (L100 HFE).

Сорри за глупый вопрос – двухтактный ключ нужен для нормального (быстрого разряда
конденсатора), в то время как обычный ключ
способен его только заражать?
С фильтрами Чебышева я конечно мало знаком на данный момент, однако нашёл некоторую инфу по
ним, если эксперимент с RC+ОУ провалится, соберу этот фильтр.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Дима ()
Дата: 25/03/2005 07:27

Ответь обязательно что получилось! Наклевывется подобная задачка, нужно
регулировать частоту вращения АД с помощью ПЧ, управление от ПИКа на аналоговый
вход.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Flex ()
Дата: 25/03/2005 09:50

Хорошо, результат будет в начале следующей недели.

Вариант с однотактным ключом 🙂
Автор: VaBо ()
Дата: 25/03/2005 10:22

расписываю по порядку:

выход пика – разистор – кт312 😉
в кол-тор – 1к на +10 вольт
с кол-ра же ещё один на 1к, шунтирован диодом (анодом к кол-ру)
после второго резистора – 100 мкФ в землю
плюс конд-ра == аналог. выход.

чтоб избежать остаточного напр-я 0,15 вольт (при нулевом задании) вместо кт312
поставь полевичок с n-каналом

ЗЫ вроде на инверторах добав. напряжение не 10 а 24 вольта – так можешь не мудрить
и подавать на схемку 24, ограничишь только макс. скважность, ну, можно и
ставилитрон 12 вольт на выход..

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Phil ()
Дата: 25/03/2005 12:42

Евгений Новый писал(а):

> Вас же есть опыт работы с промышленными инверторами. Хоть один
> из них "почувствует"
> на входе такую частоту? Согласитесь, что тогда он не
> "промышленный", а, мягко
> говоря, любительский.
Есть некоторые модели дешёвых инверторов, они именно так и работают :). Не знаю,
правда, почему.

> спад АЧХ фильтрами 2-го порядка: 10 Гц и 5 кГц – это разница
> почти в 9 октав!
Ну тут я чегой-то неподрассчитал.Хотя в случае Чебышева второго порядка и динамика
будет неплохая, и сигнал на входе – чистый.

> Кроме того, 300 мВ как Вы получили? У меня много меньше
> получилось 🙂
Прикидываю:
47k 2.5вольт

50 uA зарядный ток ёмкости 0.1 uF Скорость заряда получается около
500 вольт/секунда. Значит, за время полупериода при частоте ШИМа 4 кГц (1/8000 сек)
напряжение на конденсаторе изменится примерно на 70 мВ. Полный размах будет 140
мВ, а после усиления х2 составит 270 мв. Примерно так. Я специально не считаю на
калькуляторе, ибо полезнее учить себя прикидывать эти величины в уме.

Можно и так. +
Автор: Phil ()
Дата: 25/03/2005 12:46

Могу предложить вариант проще – 7555 в качестве транслятора уровня, на выходе RC
фильтр. Не нада рассыпуху лепить.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Евгений Новый ()
Дата: 27/03/2005 12:47

Похвально, но не совсем так. Дело в том, что ёмкость заряжается в этом случае не по
линейному, а по экспоненциальному закону. Я тоже не проверял это "вживую", но
симулятор выдал мне ок. 3мВ при максимальной скважности. Может, реально – больше,
но, думаю, ненамного. Хотелось бы дождаться результатов от автора ветки.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Phil ()
Дата: 27/03/2005 15:21

Евгений Новый писал(а):

> Дело в том, что ёмкость заряжается
> в этом случае не по
> линейному, а по экспоненциальному закону.

:). Там размах напряжения на конденсаторе небольшой, посему ток его заряда можно
считать постоянным.

> Я тоже не проверял
> это "вживую", но
> симулятор выдал мне ок. 3мВ при максимальной скважности. Может,
> реально – больше,
А какой симулятор?

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Dmitry ()
Дата: 27/03/2005 15:53

я в подобных ситуациях (вывод аналогового сигнала) использовал цифровые потенциометры имени микр
очипа

А нафига деньги тратить +
Автор: Phil ()
Дата: 27/03/2005 16:28

если ССР модуль есть.

> я в подобных ситуациях (вывод аналогового сигнала) использовал
> цифровые потенциометры имени микр
> очипа

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Евгений Новый ()
Дата: 27/03/2005 16:37

> А какой симулятор?
Тот, что был под рукой – ВёркБенч, да, он, конечно, для детского сада.

> :). Там размах напряжения на конденсаторе небольшой, посему ток его заряда можно
считать постоянным.
Согласен, но и по Вашей методике на частоте 5 кГц (меандр) получается ок 50 мВ (это
и есть полный размах), умножить на 2 – 100 мВ.
Сейчас не поленился, подключил к генератору -цепочку 49к 0,1 мкф 4,9 кГц меандр –
имеем пилу размахом 4,9 мВ. Будете проверять? 🙂

Читать также:  Перевод шероховатости старое обозначение в новое
Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Phil ()
Дата: 27/03/2005 17:55

Евгений Новый писал(а):

> Сейчас не поленился, подключил к генератору -цепочку 49к 0,1
> мкф 4,9 кГц меандр –
> имеем пилу размахом 4,9 мВ. Будете проверять? 🙂
О, и правда там милливольта четыре размах. Где-то я что-то потерял – на полтора
порядка ошибся.

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Flex ()
Дата: 29/03/2005 12:23

После некоторых экспериментов оставил RC-цепь (1k, 1H) + ОУ (КР140УД1б), частоту
ШИМ поднял до 22КГц, результатом управления пока (ибо всё проверялось "на столе")
доволен.

PS как и советовали, применил схему на ОУ с K = 2.

Отправка отредактированного (29/03/2005 12:25)

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: VaBо ()
Дата: 29/03/2005 12:35

> После некоторых экспериментов оставил RC-цепь (1k, 1H) + ОУ
> (КР140УД1б), частоту

Колись, где такой ОУ откопал? :))
В курсе, что он при однополярном питании около нуля не будет работать?

Re: преобразование ШИМ в напряжение
Автор: Евгений Новый ()
Дата: 29/03/2005 13:04

Наверное, там, где и транзистор КТ312 :). А ОУ, в самом деле, найди получше.

А чем LM321 – LM358 не нравится.
Автор: Phil ()
Дата: 29/03/2005 18:00

Не, народ, зачем использовать такую древность, если есть детали новее?

дык. это всё правильно. просто детали взял те, что были под рукой 😉
Автор: Flex ()
Дата: 29/03/2005 21:26

> он при однополярном питании около нуля не будет работать?
Хорошо, посмотрю что-нибудь насчёт LM321.

PS всем спасибо за ответы и советы, тему можно закрывать 🙂

Несмотря на большую универсальность, возможности аналогового вывода у микроконтроллеров семейства tiny/mega ограничены. В их составе отсутствует цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который, однако, имеется в ряде моделей специализированного для этих целей семейства 90PWM. Преобразовать цифровой код в аналоговую величину в общем случае можно с помощью простой схемы приведенной на рис.1.

Преобразование шим в напряжение
Рис.1 Простой 8-разрядный ЦАП

Делитель напряжения, состоящий из набора резисторов R1…R8, подключен к порту D микроконтроллера. Номиналов каждого последующего сопротивления должен быть в 2 раза больше предыдущего
RN = 2 N-1 *R,
где N – индекс, R – опорный номинал.

Если, например, в качестве R выбрать значение 200Ом, то потребуется последовательность сопротивлений R1=200Ом, R2=400Ом, R3=400Ом,…, R6=6.4кОм, R6=12.8кОм, R6=25.6кОм. Выходное напряжение
UO = NPORTD*VCC/256,
где NPORTD – логическое значение регистра PORTD.

Теоретически получим 2 8 шагов регулировки, что будет соответствовать 8-разрядному ЦАП. Но на практике перекрыть весь диапазон 0…V­СС никогда не удастся, и всегда будут иметься зоны “замирания” напряжения из-за сложности подбора номиналов R1…R8. Шаг установки VCC/256 по этой же причине также не будет постоянной величиной. Для большей точности работы ЦАП на рис.1 требуется высокоимпедансная нагрузка.

Преобразование шим в напряжение
Рис.2 Формирование ШИМ-сигнала на линии ОС2 при работе таймера-счетчика 2 в режиме Fast PWM

Другим более естественным для AVR способом формирования аналоговых сигналов является использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Способность аппаратно генерировать импульсы переменной длительности и частоты имеется у большинства моделей tiny и у всех без исключения моделей старшего семейства. Преобразование ШИМ–сигнала в постоянное напряжение может быть легко произведено с помощью ФНЧ. На рис.2, например, показано, как в этих целях можно использовать вывод OC2 микроконтроллера ATmega8. В подобных случаях 8-разрядный таймер-счетчик 2, как правило, работает в режиме Fast PWM(Fast Pulse Wide Modulation). Счетный регистр TCNT2 при этом инкрементируется с каждым приходящим импульсом до тех пор, пока не достигнет значения 0xFF, после чего счет продолжается с нуля. Если функции вывода OC2 настроены должным образом, то каждый раз, когда содержимое TCNT2 сравнивается со значением, записанным в регистре OCR2, на выводе OC2 устанавливается высокий уровень напряжения, а при переполнении TCNT2 линия OC2 сбрасывается на нуль. Таким образом, на выводе получаем ШИМ-сигнал с частотой
FOC2 = Fclk/(256*N),
где Fclk – частота тактового генератора, N-коэффициент деления предделителя частоты таймера-счетчика 2.

Коэффициент заполнения импульсов
αOC2 = τ/T = OCR2/256,
где τ – длительность импульса , T – период импульса.

Постоянная составляющая напряжения после ФНЧ будет пропорциональна коэффициенту заполнения αOC2
UO = αOC2*VCC = OCR2*VCC/256,
где VCC – напряжение питания микроконтроллера.

Изменяя значение OCR2, можно программным способом регулировать UO с 8-разрядной точностью. Еще больше возможностей можно получить, если в подобных целях использовать ШИМ–выводы OC1A, OC1B. Разрешающая способность в этом случае может быть доведена до 16 битов за счет использования 2-байтовых регистров совпадения OCR1AH:OCR1AL и OCR1BH:OCR1BL.

Частота среза ФНЧ должна быть во много раз ниже FOC2. Поэтому саму частоту FOC2, если это возможно, желательно выбирать повыше для того, чтобы можно было уменьшить постоянную времени фильтра (увеличить скорость установления напряжения после фильтра).

Преобразование шим в напряжение
Рис.3 Управление с помощью ШИМ
а – при регулировке напряжения
б – при регулировке тока

На рис.3 приведено два примера, в которых управляющий ШИМ–сигнал используется для регулировки напряжения (рис.3а) и тока (рис.3б) с помощью мощных полевых транзисторов с изолированным затвором.
В первом случае напряжение на сопротивлении нагрузки UL будет:
UL = [R2/(R1+R2)] * [(R3+R4)/R4] * VCC.

Если выбрать R1/R2 = R3/R4, то UL будет в точности следовать за средним значением напряжения сформированного на выводе OC2. Для надежного запирания p-канального транзистора VT1 усилитель DA1 должен обеспечивать размах напряжения на выходе такой же, как и у источника питания (rail-to-rail).

При управлении током напряжение ошибки снимается с шунта R3 и подается на инвертирующий вход –IN усилителя. Влияние ООС приводит к равенству напряжений
U+IN = U–IN = IL*R3,
где U+IN, U-IN – напряжение на не инвертирующем и инвертирующем входе DA1 соответственно, IL – ток в нагрузке.

Для схемы на рис.3б ток в нагрузке будет равен:
IL = U–IN/R3 = [R2/((R1+R2)*R3)] * VCC.

C обозначенными на рис.3б номиналами R1…R3 и VCC=5 В, получим 2-амперный регулятор тока.

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.

Читать также:  Где учиться на оператора чпу

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.

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.

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock detector