Что такое широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Модуляцией в радиоэлектронике и электротехнике называется процесс трансформации первичных, низкочастотных сигналов в высокочастотные. Существует три основных вида модуляций: аналоговая, цифровая и импульсная. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) представляет собой один из методов модулирования сигналов с помощью последовательности прямоугольных импульсов. Основными областями применения ШИМ являются: силовая электроника, микропроцессорная техника и управление режимами яркости светодиодных и жидкокристаллических экранов гаджетов, компьютерных мониторов и телевизоров.

• Что такое широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
• Характеристики ШИМ
• Формирование ШИМ-сигналов
• Выходное управляющее напряжение (OUT)
• Область применения
• Принцип работы ШИМ-контроллера
• Как проверить ШИМ-контроллер
• Заключение

Что такое широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Модуляция колебаний

Суть модуляции заключается в изменении одного из параметров (амплитуды, частоты или фазы) несущего электрического сигнала в соответствии с колебаниями модулирующего сигнала, в котором содержится полезная информация. Как правило, модулирующий сигнал — низкочастотный, а несущий — высокочастотный. В результате смешения одного сигнала с другим получается суммарный сигнал, в котором зашифрован информационный сигнал.

Таким образом, модуляция — это способ передачи информационного колебания с помощью несущего колебания заданной высокой частоты (Рис.1). Классический пример — это телефонная связь, когда на ток высокой (несущей) частоты накладывается звуковой, речевой сигнал низкой частоты.

Обратная операция — извлечение информационного сигнала из модулированного — называется демодуляцией, а предназначенное для этого электронное устройство — демодулятором. Если в качестве несущего применяется гармоническое (синусоидальное) колебание, то модулировать можно один из трёх параметров: амплитуду, частоту или фазу.

В зависимости от выбора параметра различают следующие виды модуляции:

• Амплитудная (англ. AM — amplitude modulation).
• Фазовая (англ. PM — phase modulation).
• Частотная (англ. FM — frequency modulation).
• Квадратурно-амплитудная (англ. QAM — quadrature amplitude modulation).

Когда в качестве несущих колебаний используются последовательности импульсов (прямоугольных, треугольных и т.п.), то модулируемыми параметрами могут быть: частота импульсов, амплитуда импульсов, фаза импульсов, длительность импульсов или пауз, число импульсов или комбинация пауз и импульсов в кодовой посылке. Тогда возникает несколько видов импульсной модуляции:

• Амплитудно-импульсная (англ. PAM — pulse-amplitude modulation).
• Частотно-импульсная (англ. PFM — pulse-frequecy modulation).
• Широтно-импульсная (англ. PWM — pulse-width modulation).
• Фазоимпульсная (англ. PPM — pulse-phase modulation).
• Счётно-импульсная (англ. PNM — pulse-namber modulation).
• Кодоимпульсная (англ. PCM — pulse-code modulation).

Применение модуляции позволяет:

• Привести в соответствие параметры передаваемого сигнала с параметрами линии, по которой происходит передача сигнала.
• Повысить дальность передачи сигнала.
• Улучшить помехоустойчивость каналов связи.
• Создавать многоканальные системы передачи данных.
• Проектировать и производить импульсные источники питания.

Рис.1 Общая схема получения модулированного сигнала

Принцип работы

Если в технике связи чаще всего применяются амплитудная, частотная и фазовые модуляции, то в силовой электронике, микропроцессорной схемотехнике, устройствах регулирования яркостью светодиодов в основном используется ШИМ. Идея работы такого устройства состоит в следующем:

• Частота, фаза и амплитуда исходного (несущего) сигнала остаются неизменными.
• Под действием модулирующего сигнала меняется длительность (ширина) прямоугольного импульса, получаемого на выходе устройства.
• Промодулированное напряжение подается на силовой транзисторный или тиристорный ключ (коммутатор), который имеет только два состояния: либо «открыто», либо «закрыто».
• Усреднённое выходное напряжение с ключа поступает на интегрирующую нагрузку (электродвигатели, системы подсветки), работа которой при частоте следования импульсов выше определённой не будет сказываться на нормальном функционировании нагрузки. Например, глаз человека не будет замечать «мигание» светодиодов, когда напряжение на них падает до нуля.
• ШИМ позволяет варьировать среднее значение напряжения на интегрирующей нагрузки с помощью изменения скважности импульсов и управляющего ключа (транзисторного или тиристорного).

Характеристики ШИМ

Как следует из самого названия, основная идея состоит в варьировании ширины импульса сигнала или его скважности (коэффициента заполнения). Кроме этого параметра, к основным характеристикам ШИМ следует отнести:

• Период следования сигнала — T.
• Частоту — f.
• Амплитуду — U_вх.
• Скважность — S или коэффициент заполнения D.

Величина амплитуды в вольтах задается потребностями нагрузки для обеспечения номинального напряжения питания.

Рис.2 Параметры импульсного сигнала

Выбор частоты сигнала основывается на следующих соображениях:

• Точность регулирования прямо пропорциональна величине частоты.
• Частота сигнала должна такой, чтобы регулируемое устройство «не успевало» реагировать на отсутствие сигнала в течение временной паузы t_п. В противном случае появляются нежелательные пульсации. Например, «мигания» светодиодов или паразитные звуки («свист») у электродвигателей. Граница слышимости человека f <25 кГц.

По определению величина периода T связана с частотой формулой: T=1/f.

Период равен сумме t_и и t_п (см. Рис.2): T=t_и+t_п

По определению скважность — это отношение величины периода к длительности импульса: S=T/t_и

Для инженерных расчётов чаще используется обратная величина D — коэффициент заполнения, часто указываемый в процентах (см. Рис.3): D=1/S=t_и/T.

Рис.3 Коэффициент заполнения

Формирование ШИМ-сигналов

Для создания ШИМ-сигналов разработано большое количество схем, которые могут быть собраны из дискретных элементов: резисторов, конденсаторов, транзисторов и т.д. Альтернативой этому варианту служат специализированные микросхемы, которые называются ШИМ-контроллерами. Доступность и демократичные цены позволяют решить большинство задач по формированию широтно-импульсных сигналов.

Типовая схема такого контроллера имеет следующие выводы:

• GND (от англ. ground — земля). Общий вывод (земля, масса, точка нулевого потенциала). Вывод (ножка) подсоединяется к земле блока питания устройства.
• VC — вывод питания. Служит для подачи электропитания на микросхему.
• VCC — вывод, служащий для осуществления контроля за стабильностью питания. Контроллер «следит» за силовыми ключами, которые выполнены на биполярных или полевых транзисторах. Снижение напряжения приводит к неполному открыванию транзистора, что чревато быстрым перегревом и выходом из строя. В случае понижения напряжения ниже допустимого для данного контроллера управляющее устройство выключается. Чаще всего ножка VCC подключается к VC.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

С OUT-вывода контроллера сформированный ШИМ-сигнал подаётся на силовой ключ. Количество ключей может быть разное, поэтому выход может быть однотактный или двухтактный (с одним ключом или двумя). Два ключа требуются в случае применения полевых транзисторов. Наряду с однотактными контроллерами (один OUT-вывод), применяются двухтактные с двумя OUT-выводами.

Область применения

Возможности ШИМ чаще всего востребованы при проектировании электронных устройств, регулирующих среднее напряжение или ток, протекающий через нагрузку. Некоторые популярные сферы применения:

• Управление режимами работы сварочных аппаратов.
• Производство автономных (например, автомобильных) инверторов — преобразователей постоянного напряжения аккумуляторов в переменное.
• Повсеместное использование в схемах зарядных устройств для аккумуляторов.
• Регуляторы частоты вращения мощных асинхронных двигателей.
• Устройства управления электрическими нагревателями, например, в востребованных сегодня системах обогрева «тёплый пол».
• Регулировка яркости подсветки жидкокристаллических и светодиодных дисплеев мобильных телефонов, смартфонов, ноутбуков, мониторов, телевизоров.
• Управление цветовыми оттенками RGB-диодов (красного, зелёного и синего). Меняя яркость свечения каждого диода, можно на выходе синтезировать огромное количество цветов.

В цифровой технике ШИМ является основным способом регулирования. Это связано с тем, что амплитуда используемого в цепи сигнала жестко зафиксирована (логический ноль — 0,0 В, логическая единица — 5,0 В или 3,3 В), поэтому изменить напряжение или ток можно только с помощью модуляции несущей по ширине импульса с последующим её усреднением. Вследствие этого ШИМ востребован для регулирования тока и напряжения в устройствах, которые способны усреднять импульсный сигнал.

Принцип работы ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер служит для формирования широтно-модулированного сигнала и управления силовыми ключами. Работа транзистора в ключевом режиме означает, что он может быть в двух состояниях — либо полностью открыт, либо полностью закрыт. В закрытом состоянии через запертый p-n-переход может протекать только минимальный ток утечки (порядка нескольких мкА), вследствие чего потери на нагрев минимальны. При открывании транзистора величина тока резко возрастает, но при этом теплопотери также незначительны, так как:

• Сопротивление p-n-перехода мало.
• Выходной сигнал модулированный, поэтому за время нахождения в открытой фазе, регулируя скважность поступающих импульсов, удаётся избежать тепловых потерь.

На базе этих принципов удаётся разрабатывать компактные ШИМ-преобразователи с высоким КПД.

Рис.4 Пример ШИМ-контроллера

Аналоговая ШИМ

Аналоговый ШИМ-контроллер создаёт управляющий сигнал посредством аналогового компаратора, на инвертирующий вход которого подан сигнал треугольной или пилообразной формы, а на неинвертирующий — модулирующий непрерывный сигнал.

На выходе импульсы имеют прямоугольную форму. Частота следования равна частоте «пилы», а длительность положительной части импульса определяется величиной времени, когда уровень модулирующего сигнала, поданного на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня «пилы» на инвертирующем входе. В течение времени, когда напряжение «пилы» превышает модулирующий сигнал, на выходе получится отрицательная часть импульса.

При подаче «пилы» на неинвертирующий вход, а модулирующий на инвертирующий, на выходе прямоугольные импульсы станут плюсовыми, когда напряжение «пилы» будет превышать уровень модулирующего сигнала на инвертирующем входе, и отрицательным, когда величина «пилы» опустится ниже уровня модулирующего сигнала.

Цифровая ШИМ

Цифровая информация передаётся с помощью сигналов только двух уровней — «ноль» или «единица», то есть или высокий уровень напряжения (100%), или низкий (0%). Но для управления нагрузкой требуется плавная регулировка.

Эту задачу решают с помощью ШИМ-контроллеров, в которых осуществляется передискретизация, когда частота переключения значительно (в несколько раз) превышает реакцию устройства (электродвигатели, светодиоды). Варьируя скважность импульсов (коэффициент заполнения), удаётся изменять среднее значение напряжения на выходе. Плавность регулировки достигается работой контроллера на частотах, превышающих десятки кГц.

Как проверить ШИМ-контроллер

Проверка работоспособности ШИМ-контроллера проводится поэтапно:

1. Произвести визуальный осмотр в выключенном состоянии. Обратить внимание на электролитические конденсаторы на предмет «вздутости».

2. Проверить работоспособность предохранителей и выходного фильтра блока питания.

3. Проверить диоды выпрямительного моста на обрыв или КЗ.

4. Протестировать выходные цепи, состоящие из электролитов, выпрямительных диодов, низкочастотных фильтров, диодных сборок.

5. Проверить силовые транзисторы ВЧ-преобразователя, возвратные диоды, которые подключены параллельно к контактам эмиттер-коллектора силовых транзисторов.

При наличии осциллографа можно проверить исправность котроллера таким способом:

• От внешнего источника подключить напряжение питания к ножкам микросхемы Vc и GND. Чтобы исключить ошибку, необходимо внимательно изучить описание микросхемы (data sheets).
• Сигнал с OUT-выхода микросхемы подать на вход осциллографа.

Если на экране осциллографа воспроизводится последовательность импульсов с параметрами, соответствующими описанию, значит, микросхема исправна. Отсутствие сигнала на OUT-выходе означает, что контроллер неисправен.

Заключение

Таким образом, можно констатировать, что на сегодняшний день ШИМ — один из самых востребованных и эффективных способов управления уровнем мощности, подаваемого на нагрузку. Регулирование мощности, подающейся на нагрузку (двигатели, световые системы, блоки зарядки) с помощью изменения скважности импульсов постоянной частоты, позволяет поднять КПД таких устройств до 80-90%. Применение современных, недорогих микроконтроллеров делает доступным проектирование и изготовление ШИМ собственными силами.