Что такое ШИМ?

Что такое ШИМ?

ШИМ означает «широтно-импульсная модуляция» и представляет собой технологию генерации импульсных волн различной ширины. Импульсные волны представляют собой цифровые сигналы, но путем комбинирования различных импульсных волн их можно преобразовать в различные псевдоаналоговые сигналы, включая синусоидальные волны.

ШИМ — это технология, которая модулирует ширину импульса с фиксированным периодом. Существует также технология ЧИМ, которая модулирует частоту с постоянной шириной импульса, но обе используются для переключения между включенным и выключенным состоянием.

Применение ШИМ

ШИМ используются для управления напряжением источников питания и для управления циклами включения и выключения полупроводников. В частности, он часто используется для эффективного управления двигателями постоянного тока. Управляя временем подачи напряжения на двигатель, можно управлять рабочим напряжением.

Кроме того, при генерации модулированного переменного тока в инверторной схеме ШИМ можно использовать для генерации импульсных напряжений различной ширины, которые затем можно синтезировать для выполнения преобразования постоянного тока в переменный. ШИМ используются не только в инверторных схемах, но и для управления импульсными источниками питания и диммирования светодиодов без влияния на цвет свечения.

Принцип работы ШИМ

ШИМ-схемы, которые выполняют широтно-импульсную модуляцию, используют транзисторы для генерации импульсных волн различной ширины путем многократного включения и выключения схемы.

ШИМ модулируют ширину импульса в течение фиксированного периода, поэтому рабочий цикл варьируется. Рабочий цикл — это ширина импульса, деленная на период, выраженная в «% (процентах)». При управлении напряжением рабочее напряжение является произведением импульсного напряжения и рабочего цикла, а рабочий цикл в 100% такой же, как при использовании источника питания постоянного тока.

Когда управление напряжением осуществляется с помощью ШИМ, источник питания отключается на некоторое время, что делает его более энергоэффективным, чем при использовании источника питания постоянного тока, который работает стабильно. Кроме того, в цифровых схемах, таких как микроконтроллеры, псевдоаналоговые сигналы могут быть сгенерированы просто путем синтеза импульсных волн, что позволяет строить аналоговые схемы преобразования, состоящие полностью из цифровых схем без использования ЦАП или других устройств.

Другая информация о ШИМ

1. Управление

При динамическом управлении нагрузкой с помощью электронной схемы есть два метода: один — управление нагрузкой с помощью постоянного напряжения, другой — управление нагрузкой с помощью постоянного тока, третий — управление нагрузкой с помощью ШИМ.

В последнее время в тренде стали более энергоэффективные методы из-за экологических и энергетических проблем. Причины низкой эффективности линейных методов, таких как управление постоянным напряжением и управление постоянным током, следующие.

• Для стабилизации требуется запас в несколько В.
• При снижении напряжения или тока сниженный компонент потребляется в цепи и становится потерей.

Например, если регулируемый источник питания с максимальным напряжением 10 В и допустимым током 2 А используется при 5 В 2 А, то потери мощности, потребляемой в цепи источника питания, составляют (12 В — 5 В) x 2 А = 14 Вт, когда входное напряжение источника питания составляет 12 В. Мощность, потребляемая в нагрузке, составляет 5 В x 2 А = 10 Вт.

Мощность, потребляемая нагрузкой, составляет 5 В x 2 А = 10 Вт. 1,4 мощности, потребляемой нагрузкой, потребляется в качестве потерь в схеме. Это не только расточительное потребление энергии, но и увеличение стоимости, размера и веса схемы из-за большого количества используемых компонентов.

С другой стороны, управление ШИМ не изменяет выходное напряжение, а изменяет ширину импульса в соответствии с выходом. Например, при ШИМ на 10 В и коэффициенте заполнения 50% кажущееся напряжение привода составляет 5 В, что означает, что теоретических потерь нет, а фактическая эффективность очень высока.

2. Коэффициент заполнения

В управлении ШИМ часто используется термин коэффициент заполнения. В форме сигнала ШИМ с коэффициентом заполнения 50% импульсы H и L имеют одинаковую ширину.

Изменение коэффициента заполнения изменяет кажущееся напряжение. Например, когда коэффициент заполнения изменяется с 0% на 25%, на 50%, на 75% и на 100% с ШИМ 10 В, кажущееся напряжение на нагрузке изменяется с 0 В на 2,5 В на 5 В на 7,5 В и на 10 В.

Хотя микроконтроллеру требуется ЦАП для вывода аналогового сигнала, можно создать псевдоаналоговый сигнал, используя ШИМ, которые имеют умеренную частоту переключения и программируемый коэффициент заполнения. В этом случае можно сгенерировать соответствующий аналоговый сигнал вплоть до уровня цифрового сигнала на выводах ввода-вывода.

В этом случае в вывод ввода-вывода необходимо вставить соответствующий ФНЧ, чтобы удалить компонент частоты переключения ШИМ и его гармонические компоненты.

3. Шум управления ШИМ

Как упоминалось выше, управление ШИМ часто используется для управления работой двигателя и повышения эффективности инверторов. Это создает шум на различных частотах переключения, которые находятся в диапазоне от 30 до 40 Гц.

Эта частота составляет приблизительно от 30 до 40 МГц, что не только создает проблемы с шумом для окружающих людей и окружающей среды, но также влияет на AM-радио и датчики, которые используют низкочастотные диапазоны. Поэтому часто требуются какие-то меры по борьбе с шумом. Конкретные меры включают, в случае инверторного оборудования, покрытие оборудования корпусом, укорачивание кабеля питания и установку фильтров шума, таких как ферриты или LC-дроссели.

В некоторых случаях управление ШИМ позволяет пользователю изменять эту частоту переключения, поэтому это еще один вариант, который можно попробовать. Снижение несущей частоты переключения снижает общий шум переключения, но в целом увеличивает шум двигателя.

Существуют примеры продуктов, которые снижают шум, генерируемый двигателем, за счет использования метода модуляции, который активно распределяет несущую частоту переключения от низких до высоких частот.