Хорошее определение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) заключается в самом его названии. Это означает модуляция (изменение) ширины импульса (не частоты). Чтобы лучше понять что такое ШИМ , давайте сначала посмотрим некоторые основные моменты.

Микроконтроллеры представляют собой интеллектуальные цифровые компоненты которые работают на основе бинарных сигналов. Лучшее представление бинарного сигнала – меандр (сигнал имеющий прямоугольную форму). Следующая схема объясняет основные термины, связанные с прямоугольным сигналом.

В ШИМ-сигнале время (период), и следовательно частота является всегда постоянной величиной. Изменяется только время включения и время выключения импульса (скважность). Используя данный метод модуляции, мы можем получить необходимое нам напряжение.

Единственное различие между меандром и ШИМ-сигналом заключается в том, что у меандра время включения и отключения равны и постоянны (50% скважность), в то время как ШИМ-сигнал имеет переменную скважность.

Меандр может рассматриваться как частный случай ШИМ сигнала, который имеет 50% рабочий цикл (период включения = период отключения).

Рассмотрим на примере использование ШИМ

Допустим, мы имеим напряжение питания 50 вольт и нам необходимо запитать какую-либо нагрузку, работающую от 40 вольт. В этом случае хороший способ получения 40В из 50В — это использовать так называемый понижающий чоппер (прерыватель).

ШИМ сигнал, генерируемый чеппером, поступает на силовой узел схемы (тиристор, полевой транзистор), который в свою очередь управляет нагрузкой. Этот ШИМ-сигнал может легко генерироваться микроконтроллером, имеющим таймер.

Требования к ШИМ-сигналу для получения с помощью тиристора 40В из 50В: подача питания, на время = 400мс и выключение на время = 100мс (с учетом периода ШИМ сигнала равного 500 мс).

В общих словах это можно легко объяснить следующим образом: в основном, тиристор работает как переключатель. Нагрузка получает напряжение питания от источника через тиристор. Когда тиристор находится в выключенном состоянии, нагрузка не подключена к источнику, а когда тиристор находится в открытом состоянии, нагрузка подключается к источнику.

Этот процесс включения и выключения тиристора осуществляется посредством ШИМ сигнала.

Соотношение периода ШИМ-сигнала к его длительности называется скважность сигнала, а обратная к скважности величина именуется коэффициентом заполнения.

Если коэффициент заполнения равен 100, то в этом случае у нас сигнал постоянный.

Таким образом, скважность импульсов (рабочий цикл) может быть вычислен с использованием следующей формулы:

Используя выше приведенные формулы, мы можем рассчитать время включения тиристора для получения необходимого нам напряжения.

Умножая скважность импульсов на 100, мы можем представить это в процентном соотношении. Таким образом, процент скважность импульсов прямо пропорционален величине напряжения от исходного. В приведенном выше примере, если мы хотим получить 40 вольт от 50 вольт источника питания, то это может быть достигнуто путем генерации сигнала со скважность 80%. Поскольку 80% из 50 вместо 40.

Для закрепления материала, решим следующую задачу:

• рассчитаем длительность включения и выключения сигнала, имеющего частоту 50 Гц и скважность 60%.

Полученный ШИМ волны будет иметь следующий вид:

Один из лучших примеров применения широтно-импульсной модуляции является использование ШИМ для регулировки скорости двигателя или яркости свечения светодиода.

Этот прием изменения ширины импульса, чтобы получить необходимый рабочий цикл называется “широтно-импульсная модуляция”.

Необходимость регулировки постоянного напряжения для питания мощных инерционных нагрузок чаще всего возникает у владельцев автомобилей и другой авто-мото техники. Например, появилось желание плавно менять яркость ламп освещения салона, габаритных огней, автомобильных фар или вышел из строя узел регулирования оборотов вентилятора автомобильного кондиционера, а замены нет.
Осуществить такое желание иногда нет возможности из-за большого тока потребления этими устройствами - если устанавливать транзисторный регулятор напряжения , компенсационный или параметрический, на регулирующем транзисторе будет выделяться очень большая мощность, что потребует установки больших радиаторов или введения принудительного охлаждения с помощью малогабаритного вентилятора от компьютерных устройств.

Выходом из положения является применение широтно - импульсных схем, управляющих мощными полевыми силовыми транзисторами MOSFET . Эти транзисторы могут коммутировать очень большие токи (до 160А и более) при напряжении на затворе 12 - 15 В. Сопротивление открытого транзистора очень мало, что позволяет заметно снизить рассеиваемую мощность. Схемы управления должны обеспечивать разность напряжений между затвором и истоком не менее 12 ... 15 В, в противном случае сопротивление канала сильно увеличивается и рассеиваемая мощность значительно возрастает, что может привести перегреву транзистора и выходу его из строя. Для широтно - импульсных автомобильных низковольтных регуляторов выпускаются специализированные микросхемы, например U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611, которые содержат узел повышения выходного напряжения до 25 -30 В при напряжении питания 7 -14 В, что позволяет включать выходной транзистор по схеме с общим стоком, чтобы можно было подключать нагрузку с общим минусом, но достать их практически невозможно. Для большинства нагрузок, которые потребляют ток не более 10А и не могут вызвать просадку бортового напряжения можно использовать простые схемы без дополнительного узла повышения напряжения.

Первый ШИМ регулятор собран на инверторах логической К МОП микросхемы. Схема представляет собой генератор прямоугольных импульсов на двух логических элементах, в котором за счёт диодов раздельно меняется постоянная времени заряда и разряда частотозадающего конденсатора, что позволяет изменять скважность выходных импульсов и значение эффективного напряжения на нагрузке.

В схеме можно использовать любые инвертирующие КМОП элементы, например К176ПУ2, К561ЛН1, а также любые элементы И, ИЛИ-НЕ, например К561ЛА7, К561ЛЕ5 и подобные, соответственно сгруппировав их входы. Полевой транзистор может быть любым из MOSFET , которые выдерживают максимальный ток нагрузки, но желательно использовать транзистор с как можно большим максимальным током, т.к. у него меньшее сопротивление открытого канала, что уменьшает рассеиваемую мощность и позволяет использовать радиатор меньшей площади.
Достоинство ШИМ-регулятора на микросхеме К561ЛН2 - простота и доступность элементов,
недостатки - диапазон изменения выходного напряжения чуть меньше 100% и невозможно доработать схему с целью введения дополнительных режимов, например плавного автоматического увеличения или понижения напряжения на нагрузке, т.к. регулирование производится путём изменения сопротивления переменного резистора, а не изменением уровня управляющего напряжения.

Гораздо лучшими характеристиками обладает вторая схема, но количество элементов в ней чуть больше.

Регулировка эффективного значения напряжения на нагрузке от 0 до 12 В производится изменением напряжения на управляющем входе от 8 до 12 В. Диапазон регулировки напряжения практически 100%. Максимальный ток нагрузки полностью определяется типом силового полевого транзистора и может быть очень значительным. Так как выходное напряжение пропорционально входному управляющему напряжению, схема может использоваться как составная часть системы регулирования, например системы поддержания заданной температуры, если в качестве нагрузки использовать нагреватель, а датчик температуры подключить к простейшему пропорциональному регулятору, выход которого подключается к управляющему входу устройства. Описанные устройства имеют в основе несимметричный мультивибратор, но ШИМ регулятор можно построить на микросхеме ждущего мультивибратора

Светодиоды используются практически во всех технике вокруг нас. Правда иногда возникает необходимость регулировать их яркость (например, в фонариках, или мониторах). Самым простым выходом в этой ситуации, кажется изменить количество тока, пропускаемого через светодиод. Но это не так. Светодиод – довольно чувствительный компонент. Постоянное изменение количества тока может существенно сократить срок его работы, или вообще сломать. Так же надо учитывать, что нельзя использовать ограничительный резистор, так как в нем будет накапливаться лишняя энергия. При использовании батареек это недопустимо. Еще одна проблема при таком подходе – цвет света будет меняться.

Есть два варианта:

• Регулирование ШИМ
• Аналоговое

Эти методы контролируют проходящий через светодиод ток, но между ними есть определенные различия.
Аналоговое регулирование изменяет уровень тока, который проходит через светодиоды. А ШИМ регулирует частоту подачи тока.

ШИМ-регулирование

Выходом из этой ситуации может быть использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При такой системе светодиоды получают необходимый ток, а яркость регулируется с помощью подачи питания с высокой частотой. То есть, частота периода подачи изменяет яркость светодиодов.
Несомненный плюс ШИМ-системы – сохранение продуктивности светодиода. КПД составит около 90%.

Виды ШИМ-регулирования

• Двухпроводная. Часто используется в системе освещения машин. Источник питания преобразователя должен иметь схему, которая формирует сигнал ШИМ на DC-выходе.
• Шунтирующее устройство. Чтобы сделать период включении/выключения преобразователя используют шунтирующий компонент, который обеспечивает путь для выходного тока помимо светодиода.

Параметры импульсов при ШИМ

Частота следования импульсов не меняется, поэтому никаких требований в определении яркости света к ней нет. В данном случае, меняется только ширина, или время положительного импульса.

Частота импульсов

Даже с учетом того, что особых претензий к частоте нет, существуют граничные показатели. Они определяются чувствительностью глаза человека к мельканиям. Например, если в кино мелькания кадров должны составлять 24 кадра в секунду, чтобы наш глаз воспринимал его как одно движущееся изображение.
Чтобы мелькания света воспринимались как равномерный свет, частота должна составлять не меньше 200Гц. По верхним показателям ограничений нет, но ниже никак нельзя.

Как работает регулятор ШИМ

Для непосредственного управления светодиодами применяется транзисторный ключевой каскад. Обычно для них используют транзисторы, способные накапливать большие объемы мощности.
Это необходимо при использовании светодиодных лент или мощных светодиодах.
Для небольшого количества или невысокой мощности вполне достаточно использования биполярных транзисторов. Так же можно подключать светодиоды прямо к микросхемам.

Генераторы ШИМ

В системе ШИМ в качестве задающего генератора могут использовать микроконтроллер, или схема, состоящая из схем малой степени интеграции.
Так же возможно создание регулятора из микросхем, которые предназначены для импульсных блоков питания, или логические микросхемы К561, или интегральный таймер NE565.
Умельцы используют в этих целях даже операционный усилитель. Для этого на нем собирается генератор, который можно регулировать.
Одна из наиболее используемых схем основана на таймере 555. По сути, это обычный генератор прямоугольных импульсов. Частота регулируется конденсатором С1. при выходе у конденсатора должно быть высокое напряжение (это равно с соединением с плюсовым источником питания). А заряжается он тогда, когда на выходе присутствует низкое напряжение. Этот момент и дает получение импульсов разной ширины.
Еще одной популярной схемой является ШИМ на основе микросхемы UC3843. в этом случае схема включения изменена в сторону упрощения. Для того, чтобы управлять шириной импульса, используется подача регулирующего напряжения положительной полярности. На выходе в таком случае получается нужный импульсный сигнал ШИМ.
Регулирующее напряжение действует на выход так: при снижении широта увеличивается.

Почему ШИМ?

• Главное преимущество этой системы – легкость. Схемы использования очень просты и легки в реализации.
• Система ШИМ – регулирования дает очень широкий диапазон регулировки яркости. Если говорить о мониторах, то возможно применение CCFL-подсветки, но в таком случае яркость можно уменьшить только в два раза, так как CCFL-подсветка очень требовательна к количеству тока и напряжению.
• Используя ШИМ можно удерживать ток на постоянном уровне, а значит светодиоды не пострадают и цветовая температура меняться не будет.

Недостатки использования ШИМ

• Со временем мерцание изображение может быть довольно заметно, особенно при низкой яркости или движении глаз.
• При постоянном ярком освещении (например, свете солнца) изображение может расплываться.

Дорогой Бобот, не мог бы ты немного побольше рассказать об импульсах?

Хорошо, что ты попросил, дружище Бибот. Так как именно импульсы являются главными носителями информации в цифровой электронике, поэтому очень важно знать разные характеристики импульсов. Начнём, пожалуй, с одиночного импульса.

Электрический импульс - это всплеск напряжения или тока в определённом и конечном промежутке времени.

Импульс всегда имеет начало (передний фронт) и конец (спад).
Ты уже наверняка знаешь, что в цифровой электронике все сигналы могут быть представлены всего двумя уровнями напряжения: "логической единицей" и "логическим нулём". Это всего лишь условные величины напряжения. "Логической единице" приписывается высокий уровень напряжения, обычно около 2-3 вольт, "логическим нулём" считается близкое к нулю напряжение. Цифровые импульсы графически изображаются прямоугольными или трапециевидными по форме:

Главной величиной одиночного импульса является его длина. Длина импульса - это отрезок времени, в течение которого рассматриваемый логический уровень имеет одно устойчивое состояние. На рисунке латинской буквой t отмечена длина импульса высокого уровня, то есть логической "1". Длина импульса измеряется в секундах, но чаще в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и даже наносекундах (нс). Одна наносекунда - это очень короткий отрезок времени!
Запомни: 1 мс = 0,001 сек.
1 мкс = 0,000001 сек
1 нс = 0,000000001 сек
Применяются также англоязычные сокращения: ms - миллисекунда, μs - микросекунда, ns - наносекунда.

За одну наносекунду я даже пикнуть не успею!
Скажи, Бобот, а что произойдёт, если импульсов будет много?

Хороший вопрос, Бибот! Чем больше импульсов, тем больше информации можно ими передать. У множества импульсов появляется много характеристик. Самая простая - частота следования импульсов.
Частота следования импульсов - это количество полных импульсов в единицу времени. За единицу времени принято брать одну секунду. Единицей измерения частоты является герц, по имени немецкого физика Генриха Герца . Один герц - это регистрация одного полного импульса за одну секунду. Если произойдёт тысяча колебаний в секунду будет 1000 герц, или сокращённо 1000 Гц, что равно 1 килогерцу, 1 кГц. Можно встретить и англоязычное сокращение: Hz - Гц. Частота обозначается буквой F .

Существуют ещё несколько характеристик, которые проявляются только при участии двух и более импульсов. Одним из таких важных параметров импульсной последовательности является период.
Период импульсов - это промежуток времени, между двумя характерными точками двух соседних импульсов. Обычно период измеряют между двух фронтов или двух спадов соседних импульсов и обозначают заглавной латинской буквой T .

Период следования импульсов напрямую связан с частотой импульсной последовательности, и его можно вычислить по формуле: T=1/F
Если длина импульса t точно равна половине периода T , то такой сигнал часто называют "меандр ".

Скважностью импульсов называется отношение периода следования импульсов к их длительности и обозначается буквой S: S=T/t Скважность - безразмерная величина и не имеет единиц измерения, но может быть выражена в процентах. Часто в англоязычных текстах встречается термин Duty cycle, это так называемый коэффициент заполнения.
Коэффициент заполнения D является величиной, обратной скважности. Коэффициент заполнения обычно выражается в процентах и вычисляется по формуле: D=1/S

Дорогой Бобот, так много разного и интересного у простых импульсов! Но потихоньку я уже начинаю путаться.

Дружище, Бибот, это ты верно заметил, импульсы - не так уж и просты! Но осталось совсем чуть-чуть.

Если ты меня внимательно слушал, то ты мог заметить, что если увеличивать или уменьшать длину импульса и при этом на столько же уменьшать или увеличивать паузу между импульсами, то период следования импульсов и частота останется неизменной! Это очень важный факт, который нам ещё не раз понадобится в будущем.

Но сейчас ещё хочется добавить другие способы передачи информации с помощью импульсов.
Например, можно несколько импульсов объединить в группы. Такие группы с паузами определённой длины между ними называют пачками или пакетами. Генерируя разное число импульсов в группе и варьируя его, можно также передавать какую-либо информацию.

Для передачи информации в цифровой электронике (ещё её называют дискретной электроникой) можно использовать два и более проводников или каналов с разными импульсными сигналами. При этом информация передаётся с учётом определённых правил. Такой метод позволяет заметно увеличить скорость передачи информации или добавляет возможность управлением потоком информации между различными схемами.

Перечисленные возможности передачи информации с помощью импульсов могут быть использованы как сами по себе раздельно, так и в комбинации между собой.
Существуют также множество стандартов передачи информации с помощью импульсов, например I2C, SPI, CAN, USB, LPT.

Потребовалось мне сделать регулятор скорости для пропеллера. Чтобы дым от паяльника сдувать, да морду лица вентилировать. Ну и, для прикола, уложить все в минимальную стоимость. Проще всего маломощный двигатель постоянного тока, конечно, регулировать переменным резистором, но найти резюк на такой малый номинал, да еще нужной мощности это надо сильно постараться, да и стоить он будет явно не десять рублей. Поэтому наш выбор ШИМ + MOSFET.

Ключ я взял IRF630 . Почему именно этот MOSFET ? Да просто у меня их откуда то завелось штук десять. Вот и применяю, так то можно поставить что либо менее габаритное и маломощное. Т.к. ток тут вряд ли будет больше ампера, а IRF630 способен протащить через себя под 9А. Зато можно будет сделать целый каскад из вентиляторов, подсоединив их к одной крутилке — мощи хватит:)

Теперь пришло время подумать о том, чем мы будем делать ШИМ . Сразу напрашивается мысль — микроконтроллером. Взять какой-нибудь Tiny12 и сделать на нем. Мысль я эту отбросил мгновенно.

1. Тратить такую ценную и дорогую деталь на какой то вентилятор мне западло. Я для микроконтроллера поинтересней задачу найду
2. Еще софт под это писать, вдвойне западло.
3. Напряжение питания там 12 вольт, понижать его для питания МК до 5 вольт это вообще уже лениво
4. IRF630 не откроется от 5 вольт, поэтому тут пришлось бы еще и транзистор ставить, чтобы он подавал высокий потенциал на затвор полевика. Нафиг нафиг.

Операционные усилители можно отбросить сразу. Дело в том, что у ОУ общего назначения уже после 8-10кГц, как правило, предельное выходное напряжение начинает резко заваливаться, а нам надо полевик дрыгать. Да еще на сверхзвуковой частоте, чтобы не пищало.

Остаются компараторы, они не обладают способностью операционника плавно менять выходное напряжение, могут только сравнивать две напруги и замыкать выходной транзистор по итогам сравнения, но зато делают это быстро и без завала характеристики. Пошарил по сусекам и компараторов не нашел. Засада! Точнее был LM339 , но он был в большом корпусе, а впаивать микросхему больше чем на 8 ног на такую простую задачу мне религия не позволяет. В лабаз тащиться тоже было влом. Что делать?

И тут я вспомнил про такую замечательную вещь как аналоговый таймер — NE555 . Представляет собой своеобразный генератор, где можно комбинацией резисторов и конденсатором задавать частоту, а также длительность импульса и паузы. Сколько на этом таймере разной хрени сделали, за его более чем тридцатилетнюю историю… До сих пор эта микросхема, несмотря на почтенный возраст, штампуется миллионными тиражами и есть практически в каждом лабазе по цене в считанные рубли. У нас, например, он стоит около 5 рублей. Порылся по сусекам и нашел пару штук. О! Щас и замутим.

Как это работает
Если не вникать глубоко в структуру таймера 555, то несложно. Грубо говоря, таймер следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR (THRESHOLD — порог). Как только оно достигнет максимума (кондер заряжен), так открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS (DISCHARGE — разряд) на землю. При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю (полный разряд) система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт. Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.
Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R4->верхнее плечо R1 ->D2 «, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS . Когда мы крутим переменный резистор R1 то у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе.
Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1.
Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.

Диоды можно ставить любые совершенно, кондеры примерно такого номинала, отклонения в пределах одного порядка не влияют особо на качество работы. На 4.7нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно, видать слух у меня уже не идеальный:(

Покопался в закромах, которая сама расчитывает параметры работы таймера NE555 и собрал схему оттуда, для астабильного режима со коэффициентом заполнения меньше 50%, да вкрутил там вместо R1 и R2 переменный резистор, которым у меня менялась скважность выходного сигнала. Надо только обратить внимание на то, что выход DIS (DISCHARGE) через внутренний ключ таймера подключен на землю, поэтому нельзя было его сажать напрямую к потенциометру , т.к. при закручивании регулятора в крайнее положение этот вывод бы сажался на Vcc. А когда транзистор откроется, то будет натуральное КЗ и таймер с красивым пшиком испустит волшебный дым, на котором, как известно, работает вся электроника. Как только дым покидает микросхему — она перестает работать. Вот так то. Посему берем и добавляем еще один резистор на один килоом. Погоды в регулировании он не сделает, а от перегорания защитит.

Сказано — сделано. Вытравил плату, впаял компоненты:

Снизу все просто.
Вот и печатку прилагаю, в родимом Sprint Layout —

А это напряжение на движке. Видно небольшой переходный процесс. Надо кондерчик поставить в параллель на пол микрофарады и его сгладит.

Как видно, частота плывет — оно и понятно, у нас ведь частота работы зависит от резисторов и конденсатора, а раз они меняются, то и частота уплывает, но это не беда. Во всем диапазоне регулирования она ни разу не влазит в слышимый диапазон. А вся конструкция обошлась в 35 рублей, не считая корпуса. Так что — Profit!