Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Под широтно-импульсной модуляцией или ШИМ понимается современный способ управления передачей полезной мощности в нагрузку. Он заключается в изменении длительности выходных импульсов при постоянной частоте следования отдельных посылок. Широтно-импульсная модуляция имеет несколько разновидностей, отличающихся представлением управляющего сигнала (аналоговый или цифровой) и кратностью обработки. Согласно последнему признаку она может быть двоичной или троичной.

Как «работает» ШИМ

Чтобы понять, что такое широтно-импульсная модуляция – сначала потребуется ознакомиться со схемой и комплектом приборов, реализующих этот вид обработки электрического сигнала.

Tipovaia skhema SHIM

В состав типового устройства входят следующие узлы и элементы:

Компаратор на основе контроллера.
MOSFET драйверы.
Выходные ключевые элементы.

Основное назначение приведенной схемы – выработать сигнал ШИМ, который формируется в аналоговом или цифровом виде. Получить нужное пониженное напряжение на выходе ШИМ устройства удается за счет сглаживания и усреднения импульсного сигнала за весь период его действия.

Аналоговый вариант

При этом способе обработки несущая, представленная «треугольником» или «пилой», поступает на инвертирующий входной узел компаратора. Основной обрабатываемый сигнал подается на его «прямой» вход. Если значение несущей в данный момент превышает по амплитуде полезный сигнал, то на выходе компаратора формируется нулевой уровень. В ситуации, когда его величина меньше сравниваемого – на том же выходе появляется отрицательная «единица» (низкий уровень).

В итоге посредством компаратора формируется дискретный сигнал, имеющий определенную частоту. Последняя соответствует периодичности входной «пилы» или «треугольника». А длина импульсной посылки на выходе устройства пропорциональна уровню основного или рабочего напряжения. То есть широтно-импульсная модуляция позволяет получить соответствующее представление аналогового сигнала, существенно облегчающее его обработку и упрощающее электронную схему.

Shirotno-impulsnaia moduliatsiia 3

Если же пилообразный «опорный» сигнал поступает на плюсовой или «прямой» вход компаратора, а основной – на инвертирующий, то прямоугольные импульсы на выходе будут положительными. По такому принципу работает микросхема TL494, широко применяемая при изготовлении блоков питания.

Цифровой вариант

Цифровой вариант обработки методом ШИМ востребован в электронных схемах, где используется двоичный способ кодирования полезного сигнала. Выходные импульсы в этом случае могут принимать только два возможных значения: «ноль» или «единицу», соответствующие состояниям элементов схемы «выключено» или «включено».

Shirotno-impulsnaia moduliatsiia grafik

Полученный код подается затем на вход много-битного счетчика, с выходных контактов которого «снимается» тот же пилообразный сигнал, что и в случае с аналоговым преобразованием. После этого последовательность импульсов на выходе драйверов с ключами усредняется и превращается в нужное для работы пониженное напряжение.

Преимущества и недостатки ШИМ

Широтно-импульсная модуляция обрабатываемого сигнала позволяет достичь следующих преимуществ:

Повышение КПД импульсных преобразователей напряжения (БП).
Высокая экономичность преобразования за счет снижения тепловых потерь, без которых не обходится ни один линейный трансформатор.
Снижение габаритов и веса импульсных блоков питания.
Повышение надежности устройства и продление сроков его эксплуатации.

К отрицательным сторонам этого способа трансформации мощности относят создаваемые устройством импульсные помехи и сложные схемные решения, приводящие к затруднениям при ремонте.

Характеристики ШИМ сигнала

К числу важнейших характеристикам этого метода обработки полезного сигнала относят:

Амплитуду.
Частоту следования посылок в Гц, определяющую точность управления.
Скважность импульсных сигналов (или коэффициент заполнения).

Амплитуда, измеряемая в вольтах, определяется необходимостью получения требуемой величины питающего напряжения. А частота модулированного по ширине импульса выбирается с учетом того, что чем она выше – тем точнее будет регулирование. Этот показатель не может быть меньше времени реакции нагрузки, работающей от сформированного ШИМ сигнала. В противном случае возникают недопустимые пульсации регулируемого напряжения.

Тепловые потери

С повышением частоты обрабатываемого сигнала растут и коммутационные потери, возникающие из-за ограниченности скорости переключения выходных ключей. Это объясняется тем, что при открытом и закрытом состоянии полевых структур рассеяние мощности на них незначительно. Ситуация меняется при их переходе из одного состояния в другое. В частично приоткрытых ключах протекают значительные по величине рабочие токи, а значение напряжения при этом также велико. Все это приводит к резкому возрастанию мощности, рассеиваемой на корпусных изделиях.

Важно учитывать и то, что за сравнительно короткий период перехода ключи не разогреваются слишком сильно. Но с ростом частоты увеличивается и количество временных промежутков, вследствие чего тепловые потери значительно возрастают. Вот почему при построении ключевых схем применяются только быстродействующие элементы.

Если широтно-импульсная модуляция используется, например, для управления синхронным электродвигателем – частота дискретизации выбирается с тем учетом, чтобы она не воспринималась человеческим ухом (20 кГц и выше). Требования к параметрам ШИМ часто противоречат одно другому, что вынуждает разработчиков принимать компромиссные решения.

Скважность

Показатель скважности характеризует диапазон модуляции обрабатываемого сигнала. При постоянстве частотной характеристики длительность периода также сохраняет свою величину (T=1/f). Поскольку в него входят и промежутки между отдельными импульсами (паузы) – полная временная характеристика учитывает и это параметр.

Согласно определению скважность – это отношение длительности одиночного импульса к продолжительности всего периода (S=tимп/T). Для удобства вычислений на практике применятся характеристика, обратная скважности. Она называется коэффициентом заполнения и определяется как D=1/S=T/tимп (чаще всего она выражается в процентном соотношении).

Области применения ШИМ

Широтно-импульсная модуляция широко применяется в следующих электронных устройствах:

Импульсные преобразователи, входящие в состав большинства современных блоков питания.
Электронные модули, позволяющие изменять яркость подсветки в ЖК дисплеях.
Инверторы сварочных агрегатов, нуждающиеся в высоком КПД преобразования полезной мощности.
Без ШИМ не обходится сегодня ни одна из импульсных схем преобразования напряжения (полумостовые, мостовые, резонансные, а также однотактные и двухтактные варианты).
Функционирование любого зарядного устройства основано на использовании этого способа передачи мощности в нагрузку.

Как усредняется выходной сигнал

При питании современной аппаратуры широтно-импульсная модуляция не имеет альтернатив. Без ее применения любая преобразовательная схема лишена каких-либо перспектив. При выборе подходящего устройства потребуется учесть следующие моменты:

Амплитуда сигнала при обработке методом ШИМ не меняется (она постоянна в течение всего процесса).
Изменять контролируемые параметры (напряжение и ток) удается лишь за счет модуляции несущей по ширине импульса.
На нагрузке, подключаемой к этой схеме, происходит усреднение представленного в импульсной форме сигнала.

Именно поэтому широтно-импульсная модуляция оптимально подходит для таких потребителей, в которых имеется возможность усреднения импульсного сигнала. Указанная процедура реализуется различными способами, каждый из которых имеет свои особенности.

Во-первых – это использование свойства инерционности нагрузки. Такое решение чаще всего применяется для электрообогревателей и лампочек накаливания, особенности функционирования которых не позволяют им остывать в промежутках между импульсами.

Еще один способ сглаживания сигнала – его усреднение в нагрузке за счет инерции восприятия человеческим глазом. Любой полупроводниковый излучающий элемент, в частности, гаснет и зажигается с частотой поступающих на него импульсов. Однако человеческий глаз неспособен реагировать на эти переключения (он воспринимает их как неизменное свечение с немного «плавающей» интенсивностью). На этом эффекте основывается управление яркостью элементов LED-мониторов.

Механическое усреднение в нагрузочной цепи применяется при управлении коллекторными двигателями, работающими на постоянном токе. При грамотно подобранной частоте регулирования электродвигатель не будет тормозиться в паузах между импульсами, когда ток в обмотках отсутствует. Широтно-импульсная модуляция позволяет усреднять токи в сварочных агрегатах, а также в зарядных устройствах для типовых АКБ.

Shirotno-impulsnaia moduliatsiia ostsillogramma

В ситуации, когда усреднение естественным путем невозможно – эту функцию выполняют специальные фильтрующие цепочки, собранные на основе резисторов и конденсаторов. При их использовании важно учитывать, что выделить постоянную составляющую совсем без потерь в данном случае не удается.