Szeroka modulacja impulsowa. Co to jest shim

Na przykład);

Instrukcje korzystania z PWM w Arduino

1 Informacje ogólne o modulacji szerokości impulsu

Cyfrowe piny Arduino mogą wyprowadzać tylko dwie wartości: logiczne 0 (NISKI, niski) i logiczne 1 (WYSOKI, wysoki). Dlatego są cyfrowe. Ale Arduino ma „specjalne” wnioski, które są wskazane PWM. Czasami są one oznaczane falistą linią „~” lub zakreślane lub w inny sposób odróżniane od innych. PWM oznacza Modulacja szerokości impulsów Lub Modulacja szerokości impulsów, PWM.

Sygnał modulowany szerokością impulsu to sygnał pulsacyjny o stałej częstotliwości, ale zmiennej cykl pracy(stosunek czasu trwania impulsu do okresu jego powtarzania). Ze względu na to, że większość procesów fizycznych w przyrodzie ma bezwładność, nagłe spadki napięcia od 1 do 0 zostaną wygładzone, przybierając pewną wartość średnią. Ustawiając cykl pracy, możesz zmienić średnie napięcie na wyjściu PWM.

Jeśli cykl pracy wynosi 100%, to przez cały czas wyjście cyfrowe Arduino będzie miało napięcie logiczne „1” lub 5 woltów. Jeśli ustawisz cykl pracy na 50%, to w połowie czasu wyjście będzie logiczne „1”, aw połowie czasu - logiczne „0”, a średnie napięcie wyniesie 2,5 wolta. No i tak dalej.

W programie współczynnik wypełnienia nie jest ustawiany w procentach, ale jako liczba od 0 do 255. Na przykład polecenie zapis analogowy(10, 64) nakazuje mikrokontrolerowi podanie sygnału o współczynniku wypełnienia 25% na cyfrowe wyjście PWM nr 10.

Kołki Arduino PWM działają z częstotliwością około 500 Hz. Oznacza to, że okres powtarzania impulsów wynosi około 2 milisekund, co jest mierzone zielonymi pionowymi kreskami na rysunku.

Jak możemy wykorzystać PWM? Mnóstwo aplikacji! Na przykład kontroluj jasność diody LED, prędkość obrotową silnika, prąd tranzystora, dźwięk emitera piezoelektrycznego itp. ...

2 Schemat do demonstracji Modulacja szerokości impulsu w Arduino

Spójrzmy na najbardziej podstawowy przykład - sterowanie jasnością diody LED za pomocą PWM. Weźmy klasyczny wzór.

3 Przykład szkicu z PWMem

Otwórzmy szkic „Zanikanie” z przykładów: Próbki plików 01.Podstawy zanikania.

Zmieńmy to trochę i załadujmy do pamięci Arduino.

Int ledPin = 3; // zadeklaruj pin sterujący diodą LED int jasność = 0; // zmienna do ustawiania jasności int fadeAmount = 5; // krok jasności anuluj konfigurację()( tryb pin(ledPin, WYJŚCIE); } pusta pętla() ( analogWrite(ledPin, jasność); // ustaw jasność jasność na pin ledPin jasność += fadeAmount; // zmień wartość jasności /* po osiągnięciu granic 0 lub 255 zmień kierunek zmiany jasności */ if (jasność == 0 || jasność == 255) ( fadeAmount = -fadeAmount; // zmień znak kroku) opóźnienie(30); // opóźnienie dla lepszej widoczności efektu }

4 Regulacja jasności LED za pomocą PWM i Arduino

Włączamy zasilanie. Dioda LED stopniowo zwiększa jasność, a następnie stopniowo maleje. Symulowaliśmy sygnał analogowy na wyjściu cyfrowym za pomocą modulacji szerokości impulsu.

Obejrzyj załączone filmy, na których wyraźnie widać zmianę jasności diody LED, na podłączonym oscyloskopie widać jak zmienia się sygnał z Arduino.

Wygodnie jest regulować napięcie zasilania potężnych odbiorców za pomocą regulatorów modulacji szerokości impulsu. Zaletą takich regulatorów jest to, że tranzystor wyjściowy pracuje w trybie klucza, co oznacza, że ​​ma dwa stany - otwarty lub zamknięty. Wiadomo, że największe nagrzewanie tranzystora występuje w stanie półotwartym, co prowadzi do konieczności zainstalowania go na grzejniku o dużej powierzchni i ochrony przed przegrzaniem.

Proponuję prosty obwód kontrolera PWM. Urządzenie zasilane jest ze źródła napięcia stałego 12V. Przy określonej instancji tranzystora może wytrzymać prąd do 10A.

Rozważ działanie urządzenia: na tranzystorach VT1 i VT2 montowany jest multiwibrator z regulowanym cyklem pracy impulsu. Częstotliwość powtarzania impulsów wynosi około 7 kHz. Z kolektora tranzystora VT2 impulsy są podawane do kluczowego tranzystora VT3, który kontroluje obciążenie. Cykl pracy jest regulowany przez zmienny rezystor R4. W skrajnym lewym położeniu suwaka tego rezystora, patrz górny schemat, impulsy na wyjściu urządzenia są wąskie, co wskazuje na minimalną moc wyjściową regulatora. W skrajnie prawej pozycji, patrz dolny schemat, impulsy są szerokie, regulator pracuje z pełną mocą.

Schemat działania PWM w CT1

Za pomocą tego regulatora można sterować domowymi żarówkami 12 V, silnikiem prądu stałego z izolowaną obudową. W przypadku zastosowania regulatora w samochodzie, gdzie minus jest podłączony do obudowy, połączenie należy wykonać poprzez tranzystor p-n-p, jak pokazano na rysunku.
Szczegóły: W generatorze mogą pracować prawie wszystkie tranzystory niskiej częstotliwości, na przykład KT315, KT3102. Kluczowy tranzystor IRF3205, IRF9530. Tranzystor P210 p-n-p wymienimy na KT825, natomiast obciążenie można podłączyć do prądu do 20A!

I na koniec należy powiedzieć, że ten regulator działa w moim samochodzie z silnikiem ogrzewania wnętrza od ponad dwóch lat.

Lista elementów radiowych

Czas dowiedzieć się, jak działa modulacja szerokości impulsu. Spróbujmy zagłębić się w fizykę procesu i jednocześnie nieco uchwycić tryby działania timera.

Rozważmy dwa wykresy z okresowo powtarzającym się sygnałem. Dla uproszczenia rozważmy jeden okres. Jeśli więc weźmiemy zwykły woltomierz i zmierzymy stałe napięcie, to w pierwszym przypadku zmierzymy 5 V. Wydaje się, że nie ma co do tego wątpliwości.

Co wskaże woltomierz w drugim przypadku? Okazuje się, że okres takiego sygnału będzie równoważny pewnemu stałemu napięciu. Wartość napięcia odpowiednio zależy od wartości wypełnienia impulsu (czasu, w którym sygnał nie jest zerowy). Umówmy się, że czas trwania obecności i braku napięcia jest równy, tj. 50% czasu jest sygnał, 50% jest nieobecne, analogiem takiego sygnału będzie odpowiednio połowa pełnego napięcia, woltomierz pokaże 2,5 V.

Nawiasem mówiąc, ilość wypełnienia nazywana jest cyklem pracy sygnału. Analogicznie, gdy cykl pracy wynosi 100%, sygnał wygląda jak linia prosta. Jeśli cykl pracy wynosi 70%, to odpowiednio woltomierz pokaże 0,7 * 5 \u003d 3,5 V. Ta zasada regulacji napięcia nazywana jest modulacją szerokości impulsu.

Przejdźmy teraz do tego, jak powstaje cykl pracy sygnału. Na początek wygenerujemy sygnał piłokształtny o amplitudzie 5V. Częstotliwość może być dowolna.

Teraz doprowadźmy ten sygnał do komparatora ustawionego na 2,5 V.

Co zobaczymy na wyjściu wzmacniacza operacyjnego? Dopóki sygnał piły wzrośnie od zera do 2,5 V, moc wyjściowa komparatora będzie ujemna. Ale ponieważ mamy zerową moc minus, oznacza to, że moc wyjściowa wynosi zero. Gdy tylko sygnał na wejściu nieodwracającym (tj. Piła) przekroczy 2,5 V, na wyjściu wzmacniacza operacyjnego pojawi się 5 V. Zatem w 50% przypadków wzmacniacz operacyjny będzie generował logiczne zero, a w 50% przypadków logiczną jedynkę.

Spróbujmy teraz zmienić cykl pracy na 10%? Jeśli 100% to 5 V, to 10% to? Oblicz proporcjonalnie. (10 * 5) / 100 \u003d 0,5 V, ustaw komparator na 0,5 V i uzyskaj 10% wypełnienie.

Tutaj jesteśmy rozczarowani zamiast 10%, mamy 90%, co jest całkiem logiczne, na wyjściu nie ma nic od zera do 0,5 V, ale gdy tylko napięcie piły przekroczy tę wartość, na wyjściu komparatora pojawia się 5 V . W ten sposób dochodzimy do pierwszego z trybów timera, zwanego nieodwróconym szybkim PWM.

Tak, to są dla niego te same ustawienia, a minimalny cykl pracy odpowiada 0xFF.

Odwrotnym, wygodniejszym w użyciu, jest odwrócony tryb PWM. W takim przypadku wystarczy zamienić miejscami wejścia odwracające i nieodwracające komparatora.

Te. przy małym napięciu na wejściu komparatora wyjściem będzie sygnał o niskim współczynniku wypełnienia. Jest to więc wygodniejsze i zrozumiałe. W przypadku timera tryb nazywa się Fast PWM, Output: Inverted.

Dla trybów PWM z poprawną fazą i PWM z poprawną fazą i częstotliwością trójkąt jest używany jako odniesienie. ale istota pozostaje ta sama.

Takie podejście pozwala uzyskać dokładniejszą wartość PWM. Jednak częstotliwość nośna jest zmniejszona o połowę.

W trybie Phase Correct PWM, podczas zmiany cyklu pracy, wartość OCR jest aktualizowana tylko po osiągnięciu górnej wartości. Uważa się, że pozwala to uniknąć przesunięcia fazowego sygnału.

PWM z poprawną fazą i częstotliwością jest dobre, ponieważ gdy zmienia się cykl pracy, wartość OCR jest aktualizowana tylko wtedy, gdy licznik osiągnie niższą wartość. Te. pozwala to uniknąć przesunięcia częstotliwości sygnału.

Na razie nie mogę podać przykładów wykorzystania Phase Correct oraz Phase and Frequency Correct, ponieważ nie ma jeszcze odpowiedniego materiału, ale w najbliższym czasie prawdopodobnie uzupełnię artykuł. Ale przykłady Fast PWM wystarczą.

W tym artykule porozmawiamy z tobą o kontrolery PWM : co to jest, do czego i gdzie jest stosowane.

PWM - modulator szerokości impulsu.

Do konwersji napięcia w sprzęcie telewizyjnym i innych urządzeniach elektronicznych, kontrolery PWM . Za pomocą urządzenia możliwe było wprowadzenie do produkcji innowacyjnych pomysłów i nowych technologii. Głównymi zaletami kontrolerów PWM są skromne wymiary, doskonała wydajność i wysoka niezawodność.

Najbardziej pożądane PWM kontrolery w produkcji modułów zasilacz impulsowy typ. Stałe napięcie na wejściu urządzenia jest przetwarzane na prostokątne impulsy, generowane z określoną częstotliwością i cyklem pracy. Za pomocą sygnałów sterujących na wyjściu urządzenia można przeprowadzić rozporządzenie działanie modułu tranzystora dużej mocy. W rezultacie twórcy otrzymali jednostkę kontroli napięcia regulowane typ.

W sprzęcie telewizyjnym duże zapotrzebowanie na kompaktowe kontrolery PWM. Ponadto urządzenia znajdują zastosowanie w innym sprzęcie elektronicznym, a także jako elementy układu regulacji prędkości napędów elektrycznych w sprzęcie AGD. W zależności od parametrów systemu i sygnału sterującego, regulatory PWM zmieniają prędkość obrotową jednostki napędowej. Sprzężenie zwrotne może być realizowane zarówno wartością natężenia prądu, jak i poziomem napięcia.

Typowa konstrukcja kontrolera PWM stosowanego w telewizorach i innych urządzeniach elektronicznych charakteryzuje się obecnością kilku wyjść. Wspólny pin jest podłączony do tego samego pinu. schemat zasilanie modułu. Styk sterowania zasilaniem i styk zasilania znajdują się obok siebie. Pierwszy z nich odpowiada za monitorowanie napięcia na wyjściu układu i wyłącza je, gdy wartość spadnie poniżej wartości progowej. Drugie wyjście odpowiada za zasilanie schemat .

Napięcie wyjściowe jest pobierane z odpowiedniego wyjścia. Istnieją dwuramienne i jednoramienne kontrolery PWM. Pierwsze z nich służą do sterowania standardowymi tranzystorami. W przypadku konieczności ich zamknięcia sterownik zwiera odpowiedni styk do wspólnego przewodu. Podczas pracy z tranzystorem bipolarnym stosowana jest kaskada jednoramienna, ponieważ do regulacji wymagana jest zmiana natężenia prądu. Aby wyłączyć tranzystor, konieczne jest zakazanie przepływu prądu. Dlatego zwarcie do styku wspólnego nie jest używane.

Kontrolery PWM stosowane w sprzęcie telewizyjnym charakteryzują się następującymi cechami:

• Urządzenia są w stanie generować napięcie odniesienia z dużą dokładnością. Często to wyjście jest przełączane wspólnym przewodem. W takim przypadku stosuje się pojemność 1 mF lub większą, co poprawia jakość stabilizacji wartości wyjściowej.

• Ogranicznik prądu jest wyzwalany, gdy napięcie na odpowiednim wyjściu jest znacznie wyższe niż próg. W takim przypadku wyłączniki zasilania są automatycznie wyłączane.

• Miękki start służy do stopniowego zwiększania wartości impulsów wyjściowych do wartości obliczonych. Obecność pojemności między odpowiednim wyjściem a wspólnym przewodem prowadzi do jego stopniowego ładowania. W rezultacie każdy impuls staje się szerszy, aż do osiągnięcia pożądanej wartości.

Nowoczesny zasilacze dla różnych urządzeń są zaprojektowane w oparciu o kontrolery PWM. Żywotność modułu zależy od jakości komponentów. Głównym celem, dla którego regulatory PWM są włączane do obwodów źródła napięcia, jest zapewnienie stabilnego napięcia wyjściowego. Niewielkie wymiary sterowników dają im przewagę nad standardowymi układami wykorzystującymi transformatory.

Kontrolery PWM stosowane w zasilacze , oprócz stabilizacji napięcia wyjściowego, realizują jeszcze kilka dodatkowych funkcji. Zastosowanie modulacji szerokości impulsu pozwala kontrolować wielkość sygnału. W takim przypadku możliwa jest zmiana długości impulsu i współczynnika wypełnienia.

Kontrolery PWM charakteryzują się wysokimi współczynnikami sprawności, co może znacznie rozszerzyć zakres ich zastosowania. Dotyczy to zwłaszcza sprzętu audio. Dodatkowo przy zastosowaniu w zasilaczach sterowników PWM znacznie rozszerza się zakres dostępnych mocy urządzeń.

Urządzenia oparte na kontrolerach PWM są uniwersalne i mogą być stosowane nie tylko w sprzęcie telewizyjnym, ale także w wielu innych urządzeniach. W oparciu o te sterowniki realizowane są zasilacze do różnych urządzeń elektrycznych. Zastosowanie urządzeń obniża koszty eksploatacji sprzętu oraz poprawia jego jakość. Wysoka wydajność sprawia, że ​​rozwój źródeł opartych na kontrolerach PWM jest obiecującym i pożądanym obszarem działalności.

Zastanów się, co to jest PWM lub PWM. A także, jaka jest różnica między PWM a WIR. Algorytm modulacji szerokości impulsu służy do płynnej zmiany mocy na obciążeniu pochodzącym ze źródła zasilania. Na przykład w celu regulacji prędkości obrotowej wału silnika; płynność zmiany jasności podświetlenia lub podświetlenia. Odrębnym szerokim obszarem zastosowania PWM są zasilacze impulsowe i wolnostojące falowniki.

Aby zasilić obciążenie, często konieczna jest zmiana wielkości napięcia dostarczanego ze źródła zasilania. Zasadniczo można wyróżnić dwie metody regulacji napięcia - liniową i pulsacyjną.

Posłużyć może przykład metody liniowej. W takim przypadku znaczna część mocy jest tracona na rezystorze. Im większa różnica napięcia między źródłem zasilania a odbiornikiem, tym bardziej zauważalna jest utrata mocy, która po prostu „wypala się” na rezystorze, zamieniając się w ciepło. Dlatego liniowa metoda regulacji jest racjonalna w użyciu tylko przy niewielkiej różnicy między napięciami wejściowymi i wyjściowymi. W przeciwnym razie wydajność zasilacza jako całości będzie bardzo niska.

W nowoczesnej technice przekształtnikowej stosuje się głównie pulsacyjne sterowanie mocą przy obciążeniu. Jednym ze sposobów wdrożenia sterowania impulsowego jest modulacja szerokości impulsu PWM . W literaturze angielskiej PWM - modulacja szerokości impulsu .

Zasada kontroli impulsów

Głównymi elementami każdego rodzaju przełączającego sterownika mocy są przełączniki półprzewodnikowe - tranzystory lub tyrystory. W najprostszej postaci obwód zasilacza impulsowego jest następujący. Źródło napięcia stałego uip klucz k podłączony do obciążenia H. Klucz DO włącza się z określoną częstotliwością i pozostaje włączone przez określony czas. Aby uprościć schemat, nie przedstawiam na nim innych obowiązkowych elementów. W tym kontekście interesuje nas tylko działanie klucza DO.

Aby zrozumieć zasadę PWM, użyjemy następującego wykresu. Podzielmy oś czasu na równe przedziały, tzw koniec dyskusji. Teraz na przykład zamkniemy klucz na połowę okresu k. Gdy klucz jest zamknięty, do obciążenia H napięcie jest dostarczane ze źródła zasilania Uip. Druga część półcyklu klucza jest w stanie zamkniętym. A konsument zostanie bez jedzenia.

Czas, w którym klucz jest zamknięty, nazywa się czas impulsu t . A czas trwania otwartego klucza nazywa się czas przerwy tp . Jeśli zmierzysz napięcie na obciążeniu, będzie ono równe połowie uip.

Średnią wartość napięcia na obciążeniu można wyrazić następującą zależnością:

Uav.n \u003d Uip ti / T.

Współczynnik czasu impulsu ty do okresu T zwany współczynnik wypełnienia D . A odwrotność tego nazywa się cykl pracy :

S = 1/D = T/t i .

W praktyce wygodniej jest użyć współczynnika wypełnienia, który często wyraża się w procentach. Gdy tranzystor jest przez cały czas całkowicie otwarty, wówczas współczynnik wypełnienia D wynosi jeden lub 100%.

Jeśli D \u003d 50%, oznacza to, że połowa czasu w tym okresie tranzystor jest w stanie otwartym, a połowa w stanie zamkniętym. W tym przypadku kształt fali nazywany jest falą prostokątną.
Dlatego zmieniając współczynnik D z 0 na jedność lub do 100%, możesz zmienić wartość Uav.n z 0 na Uip:

Usav.n \u003d Uip ∙D.

I odpowiednio dostosuj ilość mocy wejściowej:

Pav.n = Pip∙D.

W literaturze zachodniej praktycznie nie ma rozróżnienia między koncepcjami regulacji szerokości impulsu PWM i modulacji szerokości impulsu PWM. Jednak nadal mamy między nimi różnicę.

Obecnie w wielu mikroukładach, zwłaszcza tych stosowanych w przetwornicach DC-DC, realizowana jest zasada PWM. Ale jednocześnie nazywane są kontrolerami PWM. Dlatego teraz praktycznie nie ma różnicy w nazwie między tymi dwiema metodami.

W każdym razie, aby uformować określony czas trwania impulsu dostarczanego do podstawy tranzystora i otwierając tę ​​ostatnią, stosuje się źródła napięcia odniesienia i nastawcze, a także komparator.
Rozważ uproszczony obwód, w którym bateria GB zasila konsumenta Rn w sposób impulsowy przez tranzystor VT. Muszę od razu powiedzieć, że w tym obwodzie nie użyłem specjalnie takich elementów niezbędnych do działania obwodu: kondensatora, dławika i diody. Odbywa się to w celu uproszczenia zrozumienia działania PWM, a nie całego konwertera.

W uproszczeniu komparator ma trzy wyjścia: dwa wejścia i jedno wyjście. Porównywarka działa w następujący sposób. Jeżeli wartość napięcia na zacisku wejściowym + (wejście nieodwracające) jest większa niż na zacisku wejściowym - (wejście odwracające), to na wyjściu komparatora będzie stan wysoki. Inaczej niski poziom.

W naszym przypadku jest to sygnał wysokiego poziomu, który otwiera tranzystor VT. Zastanówmy się, jak powstaje wymagany czas trwania impulsu ti. W tym celu korzystamy z poniższego wykresu.

Z SHIRT sygnał piłokształtny o danej częstotliwości jest podawany na jedno wejście komparatora. Nazywa się to również bazą. Drugie wejście jest zasilane napięciem odniesienia, które jest porównywane z napięciem odniesienia. W wyniku porównania na wyjściu komparatora powstaje impuls o odpowiednim czasie trwania.

Jeśli na nieodwracającym wejściu komparatora pojawi się sygnał odniesienia, najpierw nastąpi przerwa, a następnie impuls. Jeśli sygnał nastawczy zostanie podany na wejście nieodwracające, najpierw pojawi się impuls, a następnie pauza.

W ten sposób, zmieniając wartość określonego sygnału, można zmienić cykl pracy, a tym samym średnie napięcie na obciążeniu.

Dąży się do maksymalizacji częstotliwości sygnału odniesienia w celu zmniejszenia parametrów cewek indukcyjnych i kondensatorów (nie pokazanych na schemacie). To ostatnie prowadzi do zmniejszenia masy i wymiarów zasilacza impulsowego.

PWM – modulacja szerokości impulsu

PWM jest głównie używany do generowania sygnału sinusoidalnego. PWM jest często używany do sterowania pracą przetwornicy. Inwerter jest przeznaczony do przekształcania energii prądu stałego w energię prądu przemiennego.

Rozważmy najprostszy schemat.

W pewnym momencie otwiera się para tranzystorów VT1 i VT3. Tworzona jest ścieżka dla przepływu prądu z akumulatora GB przez obciążenie czynno-indukcyjne RnLn. W następnej chwili VT1 i VT3 są zablokowane, a tranzystory VT2 i VT4 po przekątnej są otwarte. Teraz prąd płynie z akumulatora przez RnLn w przeciwnym kierunku. Zatem prąd na obciążeniu zmienia swój kierunek, dlatego jest zmienny. Jak widać, prąd obciążenia nie jest sinusoidalny. Dlatego PWM jest używany do uzyskania sinusoidalnego przebiegu prądu.

Istnieje kilka typów PWM: unipolarny, bipolarny, jednokierunkowy, dwukierunkowy. Tutaj nie będziemy rozwodzić się nad każdym konkretnym typem, ale rozważymy ogólne podejście.

Fala sinusoidalna jest używana jako sygnał modulujący, a fala trójkątna jest używana jako sygnał odniesienia. W wyniku porównania tych sygnałów powstają czasy trwania impulsów i przerw (dolny wykres), które sterują pracą tranzystorów VT1 ... VT4.

Należy zauważyć, że amplituda napięcia na obciążeniu jest zawsze równa amplitudzie zasilania. Okres powtarzania impulsów również pozostaje niezmieniony. Zmienia się tylko szerokość impulsu otwierającego. Dlatego po podłączeniu obciążenia przepływający przez nie prąd będzie miał kształt sinusoidy (pokazany linią przerywaną na dolnym wykresie).

Tak więc główna różnica między PWM a PWM polega na tym, że przy regulacji szerokości impulsu czasy impulsu i pauzy pozostają stałe. A przy modulacji szerokości impulsu zmieniają się czasy trwania impulsów i przerw, co umożliwia realizację sygnału wyjściowego o zadanym kształcie.