Что такое шим простыми словами
Перейти к содержимому

Что такое шим простыми словами

  • автор:

Широтно-импульсная модуляция

ШИМ или PWM (широтно-импульсная модуляция, по-английски pulse-width modulation) – это способ управления подачей мощности к нагрузке. Управление заключается в изменении длительности импульса при постоянной частоте следования импульсов. Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой, цифровой, двоичной и троичной.

Применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить КПД электрических преобразователей, особенно это касается импульсных преобразователей, составляющих сегодня основу вторичных источников питания различных электронных аппаратов. Обратноходовые и прямоходовые однотактные, двухтактные и полумостовые, а также мостовые импульсные преобразователи управляются сегодня с участием ШИМ, касается это и резонансных преобразователей.

Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать яркость подсветки жидкокристаллических дисплеев сотовых телефонов, смартфонов, ноутбуков. ШИМ реализована в сварочных аппаратах, в автомобильных инверторах, в зарядных устройствах и т. д. Любое зарядное устройство сегодня использует при своей работе ШИМ.

В качестве коммутационных элементов, в современных высокочастотных преобразователях, применяются биполярные и полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме. Это значит, что часть периода транзистор полностью открыт, а часть периода — полностью закрыт.

И так как в переходных состояниях, длящихся лишь десятки наносекунд, выделяемая на ключе мощность мала, по сравнению с коммутируемой мощностью, то средняя мощность, выделяемая в виде тепла на ключе, в итоге оказывается незначительной. При этом в замкнутом состоянии сопротивление транзистора как ключа очень невелико, и падение на нем напряжения приближается к нулю.

В разомкнутом же состоянии проводимость транзистора близка к нулю, и ток через него практически не течет. Это позволяет создавать компактные преобразователи с высокой эффективностью, то есть с небольшими тепловыми потерями. А резонансные преобразователи с переключением в нуле тока ZCS (zero-current-switching) позволяют свести эти потери к минимуму.

В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется аналоговым компаратором, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подается треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий — модулирующий непрерывный сигнал.

Выходные импульсы получаются прямоугольными, частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Когда напряжение пилы выше модулирующего сигнала — на выходе будет отрицательная часть импульса.

Компаратор

Если же пила подается на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий сигнал — на инвертирующий, то выходные импульсы прямоугольной формы будут иметь положительное значение тогда, когда напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, поданного на инвертирующий вход, а отрицательное — когда напряжение пилы ниже сигнала модулирующего. Пример аналогового формирования ШИМ — микросхема TL494, широко применяющаяся сегодня при построении импульсных блоков питания.

Цифровая ШИМ используются в двоичной цифровой технике. Выходные импульсы также принимают только одно из двух значений (включено или выключено), и средний уровень на выходе приближается к желаемому. Здесь пилообразный сигнал получается благодаря использованию N-битного счетчика.

Цифровые устройства с ШИМ работают также на постоянной частоте, обязательно превосходящей время реакции управляемого устройства, этот подход называется передискретизацией. Между фронтами тактовых импульсов, выход цифрового ШИМ остается стабильным, или на высоком, или на низком уровне, в зависимости от текущего состояния выхода цифрового компаратора, который сравнивает уровни сигналов на счетчике и приближаемый цифровой.

Выход тактуется как последовательность импульсов с состояниями 1 и 0, каждый такт состояние может сменяться или не сменяться на противоположное. Частота импульсов пропорциональна уровню приближаемого сигнала, а единицы, следующие друг за другом могут сформировать один более широкий, более продолжительный импульс.

Получаемые импульсы переменной ширины будут кратны периоду тактования, а частота будет равна 1/2NT, где T – период тактования, N – количество тактов. Здесь достижима более низкая частота по отношению к частоте тактования. Описанная схема цифровой генерации — это однобитная или двухуровневая ШИМ, импульсно-кодированная модуляция ИКМ.

Эта двухуровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой по сути серию импульсов с частотой 1/T, и шириной Т или 0. Для усреднения за больший промежуток времени применяется передискретизация. Высокого качества ШИМ позволяет достичь однобитная импульсно-плотностная модуляция (pulse-density-modulation), называемая также импульсно-частотной модуляцией.

При цифровой широтно-импульсной модуляции прямоугольные подимпульсы, которыми оказывается заполнен период, могут приходиться на любое место в периоде, и тогда на среднем за период значении сигнала сказывается только их количество. Так, если разделить период на 8 частей, то комбинации импульсов 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т. д. дадут одинаковое среднее значение за период, тем не менее, отдельно стоящие единицы утяжеляют режим работы ключевого транзистора.

ШИМ-контроллер

Корифеи электроники, повествуя о ШИМ, приводят такую аналогию с механикой. Если при помощи двигателя вращать тяжелый маховик, то поскольку двигатель может быть либо включен, либо выключен, то и маховик будет либо раскручиваться и продолжать вращаться, либо станет останавливаться из-за трения, когда двигатель выключен.

Но если двигатель включать на несколько секунд в минуту, то вращение маховика будет поддерживаться, благодаря инерции, на некоторой скорости. И чем дольше продолжительность включения двигателя, тем до более высокой скорости раскрутится маховик. Так и с ШИМ, на выход приходит сигнал включений и выключений (0 и 1), и в результате достигается среднее значение. Проинтегрировав напряжение импульсов по времени, получим площадь под импульсами, и эффект на рабочем органе будет тождественен работе при среднем значении напряжения.

Так работают преобразователи, где переключения происходят тысячи раз в секунду, и частоты достигают единиц мегагерц. Широко распространены специальные ШИМ-контроллеры, служащие для управления балластами энергосберегающих ламп, блоками питания, преобразователями частоты для двигателей и т. д.

Широтно-импульсная модуляция

Отношение полной длительности периода импульса ко времени включения (положительной части импульса) называется скважностью импульса. Так, если время включения составляет 10 мкс, а период длится 100 мкс, то при частоте в 10 кГц, скважность будет равна 10, и пишут, что S = 10. Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения импульса, по-английски Duty cycle, или сокращенно DC.

Так, для приведенного примера DC = 0.1, поскольку 10/100 = 0.1. При широтно-импульсной модуляции, регулируя скважность импульса, то есть варьируя DC, добиваются требуемого среднего значения на выходе электронного или другого электротехнического устройства, например двигателя.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

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.

Широтно-импульсная модуляцияДля 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

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. Другие статьи Четыре устройства, использующие ШИМ для автоматизации

Урок №04. Работа с ШИМ-портами. Циклы.

Теоретическая справка о ШИМ (широтно-импульная модуляция)

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Простыми словами — это способ задавать произвольное напряжение на выходе, переключаясь между LOW и HIGH сигналами тысячи раз в секунду.

Под скважностью понимается временной промежуток между LOW и HIGH сигналами.

Для более ясного понимания ШИМ приведем пример. Предположим, что у нас есть светодиод, который соединен с кнопкой таким образом, что когда ее зажимают, светодиод излучает свет, а когда кнопка отпущена, то он гаснет. И так, если мы зажмем кнопку и практически сразу его отпустим, то светодиод погаснет, не успев загореться на полную мощность. Теперь попробуем провести этот опыт несколько раз подряд. Мы увидим, что светодиод как будто бы не успевает получить полное напряжение и работает лишь на 50 %. По такому принципу работает ШИМ. Она подает максимальное напряжение, но благодаря тому как долго держит «нажатой» кнопку, «отпускает», ждет и потом снова «нажимает» кнопку, рождается вот такой сигнал с уменьшенным значением напряжения. Ниже приведено несколько графиков с примерами:

P019-pwm-duty-50

P019-pwm-duty-10

P019-pwm-duty-90

Шим порты

На платах Arduino UNO специальные ШИМ-порты обозначают волнистой чертой «~».

На большинстве плат Arduino Uno, Nano, Micro режим работы с ШИМ поддерживают порты 3, 5, 6, 9, 10 и 11. На плате Arduino Mega порты с 2 по 13.

Теоретическая справка о цикле FOR

Опишем работу цикла FOR:

Оператор for требует на вход 3 параметра for (выражение 1; выражение 2; выражение 3), которые определяют количество раз, которое будет выполнен цикл.

  • Сначала определяется переменная счетчик (выражение 1).
  • Проверяется условие выполнение цикла (выражение 2)
  • Если условие ложно, то программа выходит из цикл for и продолжает свое выполнение. Т.е. если в самом начале условие будет ложно, то тело цикла не выполнится ни одного раза.
  • Если условие истинно, то начинает выполняться тело цикла.
  • После того как тело цикла выполнится, программа возвращается к заголовку и выполняет изменение значение переменной-счетчика (выражение 3).
  • После этого возвращаемся к пункту два, и все действия повторяются до тех пор, пока условие не станет ложным.

Пример формата цикла FOR:

for (int i=0; i 

Написание программного кода

Для того чтобы послать ШИМ-сигнал с цифрового пина нам нужна функция analogWrite(). Эта функция посылает значения от 0 до 255 на заданный ШИМ-пин, где 0 соответствует 0V, а 255 — 5V. Таким образом, организуя цикл, который будет отправлять ШИМ-сигнал, увеличивая его значение на единицу каждые 10 миллисекунд, мы получим плавно загорающийся светодиод.

int PWMpin=10; //объявляем переменную пина void setup() < pinMode(PWMpin, OUTPUT); //выставляем режим работы 10-ого пина как выход. >void loop() < for (int i=0; i>

Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция?

Микропроцессоры работают исключительно с цифровыми сигналами: с логическим нулем (0В) или с логической единицей (5В или 3.3В). По этой причине на выходе микропроцессор не может сформировать промежуточное напряжение. Применение для решения таких задач внешних ЦАП нецелесообразно из-за сложности. Специально для этого разработана широтно-импульсная модуляция — определенный процесс управления мощностью, идущей к нагрузке, методом изменения скважности импульсов постоянной частотности.

Что такое шим (широтно-импульсная модуляция)?

Это современный метод управления уровнем мощности подаваемой к нагрузке, заключающийся в изменении продолжительности импульса при постоянной частоте их следования. Это технология модуляции сигнала за счет вариативного изменения ширины импульсов, а не выходного напряжения. ШИМ преобразователь может быть аналоговый, цифровой и пр.

Широтно-импульсная модуляция — важнейшие параметры:

  1. Т -период тактирования — промежутки времени, через которые подаются импульсы.
  2. Длительность импульса — время пока подается сигнал.
  3. Скважность — рассчитанное по формуле соотношение длины импульса к импульсному Т периоду тактирования.
  4. D коэффициент заполнения — показатель обратный скважности.

Область применения

Применение ШИМ позволяет увеличить и намного коэффициент полезного действия электрических преобразователей. Тем более это относится к импульсным преобразователям, которые сегодня преимущественно применяются во вторичных источниках питания разных электронных аппаратов. Импульсные преобразователи обратноходовые, прямоходовые 1-тактные, 2-тактные, полумостовые, резонансные управляются с участием ШИМ.

Принцип ШИМ сегодня стал основным для электронных устройств, которым требуется поддержание на заданном уровне выходных параметров и их регулировка. Метод применяется для изменения скорости вращения двигателей, яркости света, управления силовым транзистором БП импульсного типа.

Используется ЩИМ модуляция и в системах управления яркостью светодиодов. Светодиод, благодаря низкой инерционности, успевает мигнуть на частоте всего в несколько десятков кГц. Для человеческого глаза работа светодиода в импульсном режиме воспринимается как свечение. Яркость светодиода зависит от продолжительности импульса в течение одного периода. При коэффициенте заполнения в 50%, то есть, если время свечения равно времени паузы, яркость светодиода составляет одну вторую номинальной величины. Когда появились светодиодные лампы 220В, нашлась проблема повышения их надёжности при нестабильном входном напряжении. Задача была решена разработкой драйвера питания, функционирующего по принципу ШИМ.

Распространение устройств, функционирующих по принципу ШИМ, позволило уйти от линейных трансформаторных БП. В результате чего повысилось КПД и уменьшились масса и габариты источников питания. Поэтому сегодня ШИМ-контроллер является сегодня неотъемлемой частью импульсного БП. Он управляет силовым транзистором и напряжение на выходе блока питания всегда остаётся стабильным. Кроме этого, ШИМ-контроллер:

  • обеспечивает плавный пуск преобразователя;
  • ограничивает скважность и амплитуду управляющих импульсов;
  • контролирует входное напряжение;
  • защищает от КЗ силового ключа;
  • в аварийной ситуации переводит устройство в деж. режим.

Сегодня широтно-импульсная модуляция применяется повсеместно и позволяет управлять яркостью подсветки ЖК дисплеев мобильных телефонов, смартфонов, ноутбуков. Реализована микросхема ШИМ в сварочных аппаратах, в автоинверторах, в зарядных устройствах и пр. В любом зарядном устройстве используется сегодня ШИМ.

ШИМ контроллер

ШИМ контроллер: принцип работы

ШИМ сигналом управляет ШИМ контроллер. Он управляет силовым ключом благодаря изменениям управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открытым или полностью открытым. В закрытом состоянии через p-n-переход идет ток не больше нескольких мкА, то есть мощность рассеивания близка к нулю. В открытом состоянии идет большой ток, но так как сопротивление p-n-перехода мало, происходят небольшие теплопотери. Больше тепла выделяется в при переходе из одного состояния в другое. Однако благодаря быстроте переходного процесса в сравнении с частотой модуляции, мощность этих потерь незначительна.

Все это позволило разработать высокоэффективный компактный широтно импульсный преобразователь, то есть с малыми теплопотерями. Резонансные преобразователи с переключением в 0 тока ZCS позволяют свести теплопотери к минимуму.

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется при помощи аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий — непрерывный модулирующий.

Выходные импульсы идут прямоугольной формы. Частота их следования соответствует частоте пилы, а длительность плюсовой части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, идущего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, подающегося на инвертирующий вход. В период когда напряжение пилообразного сигнала будет превышать модулирующий сигнал — на выходе будет фиксироваться отрицательная часть импульса.

Во время когда пилообразный сигнал подается на неинвертирующий вход, а модулирующий — на инвертирующий, выходные прямоугольные импульсы будут положительными, когда напряжение пилы будет выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, а отрицательное — когда напряжение пилы станет ниже сигнала модулирующего.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может формировать на выходах или 100% высокий или 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой такое напряжение на выходе нужно изменять. Например, когда осуществляется регулировка скорости вращения вала мотора или при изменении яркости светодиода.

Вопрос решают ШИМ контроллеры. То есть, 2-хуровневая импульсно-кодированная модуляция — это серия импульсов, характеризующаяся частотой 1/T и либо шириной Т, либо шириной 0. Для их усреднения применяется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные подимпульсы, которыми и заполнен период, могут занимать любое место в периоде. Тогда на среднем значении сигнала за период сказывается лишь их количество. Так как процесс осуществляется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной регулировки. ШИМ контроллеры решают эту задачу.

Можно провести следующую аналогию с механикой. Когда маховик вращается при помощи двигателя, при включенном двигателе маховик будет раскручиваться или продолжать вращение, если двигатель выключен, маховик будет тормозить из-за сил трения. Однако, если движок включать/выключать на несколько секунд, вращение маховика будет держаться на определенной скорости благодаря инерции. Чем дольше период включения двигателя, тем быстрее раскрутится маховик. Аналогично работает и ШИМ модулятор. Так работают ШИМ контроллеры, в которых переключения происходят в секунду тысячи раз, и частоты могут достигнуть единиц мегагерц.

Использование ШИМ-контроллеров обусловлено их следующими преимуществами:

  • стабильностью работы;
  • высокой эффективностью преобразования сигнала;
  • экономией энергии;
  • низкой стоимостью.

Получить на выводах микроконтроллера (МК) ШИМ сигнал можно:

  • аппаратным способом;
  • программным способом.

В каждом МК есть встроенный таймер, генерирующий ШИМ импульсы на определённых выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ сигнала при помощи команд программирования более эффективно за счет разрешающей способности и дает возможность задействовать больше выводов. Но программный способ вызывает высокую загрузку МК, занимая много памяти.

Принцип шим-регулятора

Работа ШИМ регулятора сложностью не отличается. ШИМ-регулятор — устройство, выполняющее такую же функцию, что и традиционный линейный регулятор мощности (то есть, меняет напряжение или ток за счёт силового транзистора, рассеивающего значительную мощность на себе). Но ШИМ-регулятор отличается намного большим КПД. Достигается это благодаря тому, что управляющий силовой транзистор функционирует в ключевом режиме (либо включен, тогда пропускает большой ток, но мало падение напряжения, либо выключен — ток не проходит). В результате на таких силовых транзисторах мощность практически не рассеивается и энергия впустую не тратится.

После силового транзистора напряжение выходит как прямоугольные импульсы с изменяющейся скважностью в зависимости от необходимой мощности. Но сигнал нужно демодулировать (то есть, выделить среднее напряжение). Этот процесс происходит или в самой нагрузке (когда она индуктивного характера) или если между нагрузкой и силовым каскадом располагают фильтр нижних частот.

Пример использования шим регулятора

Самый простой пример использования регулятора напряжения ШИМ — ШИМ микросхема NE555, с которой знаком каждый радио-любитель. Благодаря ее универсальности можно конструировать самые разнообразные детали: от простейшего одновибратора импульсов с 2 в обвязке до модулятора, состоящего из большого числа компонентов. ШИМ регулятор напряжения имеет широкую область применения — это схемы регулировки яркости светодиодов и лент, а также регулировка скорости вращения движков.

В чем отличие между шим и шир?

На Западе понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и ШИМ практически не различаются. Однако у нас между ними все же существует различие. Во многих микросхемах реализован принцип ШИР, однако при этом они все равно называются ШИМ контроллеры. Таким образом различий в названии этих двух способов практически нет.

Единственное отличие между ШИР и ШИМ — при ШИР время импульса и паузы постоянны. А при ШИМ их длительности изменяются, что позволяет сформировать выходной ШИМ сигнал заданной формы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *