Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) использует цифровые сигналы для управления силовыми приложениями, а также ее довольно легко преобразовать обратно в аналоговую при минимальном использовании оборудования.

Аналоговые системы, такие как линейные источники питания, обычно выделяют много тепла, поскольку в основном представляют собой переменные резисторы, пропускающие большой ток. Цифровые системы обычно не выделяют столько тепла. Почти все тепло, выделяемое переключающим устройством, происходит во время перехода (что происходит быстро), при этом устройство не включается и не выключается, а находится между ними. Это потому, что мощность следует следующей формуле:

P =E I, или Вт =напряжение X ток

Если напряжение или ток близки к нулю, мощность будет близка к нулю. PWM в полной мере использует этот факт.

ШИМ может обладать многими характеристиками аналоговой системы управления, так как цифровой сигнал может свободно вращаться. ШИМ не должен собирать данные, хотя есть исключения из этого для контроллеров более высокого уровня.

Рабочий цикл

Одним из параметров любой прямоугольной волны является скважность. Большинство прямоугольных волн составляют 50%, это норма при их обсуждении, но они не обязательно должны быть симметричными. Время включения может быть полностью изменено между выключенным сигналом и полным включением, от 0% до 100% и во всех диапазонах.

Ниже показаны примеры рабочего цикла 10%, 50% и 90%. Хотя частота для всех одинакова, это не является обязательным требованием.

Причина популярности ШИМ проста. Многие нагрузки, такие как резисторы, включают мощность в число, соответствующее процентному соотношению. Преобразование в его аналоговое эквивалентное значение несложно. Светодиоды очень нелинейны в своей реакции на ток, дают светодиоду половину его номинального тока, и вы все равно получаете более половины света, который светодиод может производить. При использовании ШИМ уровень освещенности светодиода очень линейный. Двигатели, о которых мы поговорим позже, также очень хорошо реагируют на ШИМ.

Один из нескольких способов создания ШИМ - использование пилообразного сигнала и компаратора. Как показано ниже, пилообразная (или треугольная) волна не обязательно должна быть симметричной, но важна линейность формы волны. Частота пилообразного сигнала - это частота дискретизации сигнала.

Если не требуется никаких вычислений, ШИМ может быть быстрым. Ограничивающим фактором является АЧХ компараторов. Это может не быть проблемой, поскольку довольно часто используется довольно низкая скорость. Некоторые микроконтроллеры имеют встроенный ШИМ и могут записывать или создавать сигналы по запросу.

Использование ШИМ широко варьируется. Это сердце усилителей звука класса D, увеличивая напряжение, вы увеличиваете максимальную мощность, а выбирая частоту, выходящую за пределы человеческого слуха (обычно 44 кГц), можно использовать ШИМ. Динамики не реагируют на высокие частоты, но дублируют низкие частоты, которые являются звуковым сигналом. Для еще большей точности можно использовать более высокие частоты дискретизации, и 100 кГц или намного выше не являются чем-то необычным.

Еще одно популярное приложение - регулирование скорости двигателя. Двигатели как класс требуют для работы очень высоких токов. Возможность изменять их скорость с помощью ШИМ немного увеличивает эффективность всей системы. ШИМ более эффективен при управлении скоростью двигателя на низких оборотах, чем линейные методы.

H-мосты

ШИМ часто используется вместе с H-мостом. Эта конфигурация названа так, потому что она напоминает букву H и позволяет удвоить эффективное напряжение на нагрузке, поскольку источник питания может переключаться с обеих сторон нагрузки. В случае индуктивных нагрузок, таких как двигатели, диоды используются для подавления индуктивных всплесков, которые могут повредить транзисторы. Индуктивность в двигателе также имеет тенденцию отклонять высокочастотную составляющую формы волны. Эту конфигурацию также можно использовать с динамиками для аудиоусилителей класса D.

Хотя эта схема H-моста в основном точна, она имеет один серьезный недостаток:при переходе между полевыми МОП-транзисторами возможно, что оба транзистора сверху и снизу будут включены одновременно и будут принимать на себя всю тяжесть того, что может обеспечить источник питания. Это состояние называется сквозным . и может произойти с любым типом транзистора, используемым в H-мосте. Если источник питания достаточно мощный, транзисторы не выживут. Для этого используются драйверы перед транзисторами, которые позволяют одному выключиться, прежде чем позволить другому включиться.

Импульсные источники питания

Импульсные источники питания (SMPS) также могут использовать ШИМ, хотя существуют и другие методы. Добавление топологий, которые используют накопленную мощность как в катушках индуктивности, так и в конденсаторах после основных коммутирующих компонентов, может значительно повысить эффективность этих устройств, в некоторых случаях превышающую 90%. Ниже приведен пример такой конфигурации.

Эффективность в этом случае измеряется мощностью. Если у вас есть SMPS с эффективностью 90%, и он преобразует 12 В постоянного тока в 5 В постоянного тока при 10 А, сторона 12 В будет потреблять примерно 4,6 А. Неучтенные 10% (5 Вт) будут отображаться как отходящее тепло. Хотя этот тип регулятора немного шумнее, он будет работать намного холоднее, чем его линейный аналог.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Дизайн-проект:рабочая таблица генератора сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)

• Рабочий лист модуляции сигнала