Что такое ШИМ — принцип работы широтно-импульсной модуляции

Что такое шим (широтно-импульсная модуляция)?

Это современный метод управления уровнем подаваемой на нагрузку мощности, заключающийся в изменении длительности импульса с постоянной частотой следования. Это технология модуляции сигнала за счет переменного изменения ширины импульсов, а не выходного напряжения. Преобразователь ШИМ может быть аналоговым, цифровым и т.д.

Широтно-импульсная модуляция — наиболее важные параметры:

1. T clock period — интервалы времени, через которые подаются импульсы.
2. Длительность импульса — время до подачи сигнала.
3. Скважность — это отношение между длиной импульса и периодом синхронизации импульса T, рассчитанное по формуле.
4. Коэффициент заполнения D – показатель обратной скважности.

Область применения

Использование ШИМ позволяет увеличить и значительно повысить КПД электрических преобразователей. Это относится и к импульсным преобразователям, которые сегодня в основном используются во вторичных источниках питания различных электронных устройств. Импульсные преобразователи бывают обратноходовыми, прямоходовыми, 1-тактными, 2-тактными, полумостовыми, резонансно-управляемыми с ШИМ.

Принцип ШИМ на сегодняшний день стал наиболее важным для электронных устройств, требующих поддержания выходных параметров на заданном уровне и их регулировки. Метод используется для изменения скорости вращения двигателей, яркости света, управления силовым транзистором блока питания импульсного типа.

ШИМ-модуляция также используется в системах управления яркостью светодиодов. Благодаря малой инерционности светодиод успевает мигать с частотой всего несколько десятков кГц. Для человеческого глаза работа светодиода в импульсном режиме воспринимается как свечение. Яркость светодиода зависит от длительности импульса во время цикла. При коэффициенте заполнения 50%, то есть, если время свечения равно времени паузы, яркость светодиода составляет половину от номинального значения. Когда появились светодиодные лампы на 220В, возникла проблема повышения надежности при нестабильном входном напряжении. Проблема была решена разработкой драйвера питания, работающего по принципу ШИМ.

Распространение устройств, работающих на ШИМ-принципе, позволило уйти от линейных трансформаторных источников питания. В результате повысился КПД и уменьшились вес и габариты блоков питания. Поэтому ШИМ-контроллер сегодня является неотъемлемой частью блока питания. Он управляет силовым транзистором и напряжение на выходе блока питания всегда остается стабильным. Кроме того, ШИМ-контроллер:

• обеспечивает плавный запуск инвертора;
• ограничивает скважность и амплитуду управляющих импульсов;
• контролирует входное напряжение;
• защищает от короткого замыкания силового ключа;
• в экстренной ситуации переводит устройство в режим деж.

Сегодня широтно-импульсная модуляция используется повсеместно и позволяет управлять яркостью подсветки ЖК-дисплея на мобильных телефонах, смартфонах, ноутбуках. Чип ШИМ реализован в сварочных аппаратах, в автоинверторах, в зарядных устройствах и т.д. Сегодня ШИМ используется в каждом зарядном устройстве.

Характеристики ШИМ сигнала

Важными характеристиками сигнала ШИМ являются:

• амплитуда (U);
• частота (f);
• рабочий цикл (S) или рабочий цикл D.

Амплитуда в вольтах устанавливается в зависимости от нагрузки. Он должен обеспечивать номинальное напряжение питания потребителя.

Частота сигнала, модулированного шириной импульса, выбирается из следующих соображений:

1. Чем выше частота, тем выше точность управления.
2. Частота не должна быть ниже времени отклика устройства, управляемого ШИМ, иначе будут заметны пульсации регулируемого параметра.
3. Чем выше частота, тем выше потери связи. Это связано с тем, что время подключения ключа ограничено. В запертом состоянии все питающее напряжение падает на ключевой элемент, но тока почти нет. В открытом состоянии через ключ протекает полный ток нагрузки, но падение напряжения небольшое, так как сопротивление потоку составляет несколько Ом. В обоих случаях потеря мощности незначительна. Переход из одного состояния в другое происходит быстро, но не сразу. В процессе отпирания на частично открытый элемент падает большое напряжение и одновременно через него протекает значительный ток. В этот момент потерянная мощность достигает высоких значений. Этот период короткий, ключ не успевает существенно нагреться. Но с увеличением частоты таких промежутков времени в единицу времени их становится больше, и увеличиваются потери тепла. Поэтому для построения ключей важно использовать быстрые элементы.
4. При управлении электродвигателем частота должна быть вынесена за пределы слышимого для человека диапазона — 25 кГц и выше. Потому что при меньшей частоте ШИМ возникает неприятный свист.

Эти требования часто вступают в противоречие друг с другом, поэтому выбор частоты в ряде случаев является компромиссным.

Величина модуляции характеризует рабочий цикл. Поскольку частота повторения импульсов постоянна, продолжительность периода также постоянна (T=1/f). Период состоит из импульса и паузы, которые имеют продолжительность timp и tpause соответственно, где timp + tpause=T. Рабочий цикл представляет собой отношение между длительностью импульса и периодом — S=tmp/T. Но на практике оказалось удобнее использовать обратную величину — коэффициент заполнения: D=1/S=T/timp. Еще удобнее выражать коэффициент заполнения в процентах.

Читайте также: Виды цветных металлов: их применение и особенности обработки

Не стоит подключать генератор сигналов ШИМ напрямую к нагрузке, потому что он малоточный и скорее всего сразу все сгорит. Для управления нагрузкой нужен ключ на мосфет-транзисторе. Берем N-канальный мосфет-транзистор IRF3205 и собираем все по схеме:

Ардуино ШИМ на IRF3205

Резистор R1 нужен для защиты вывода ардуино от выгорания, а резистор R2 для того, чтобы транзистор был полностью закрыт, когда ардуино не выдает выходной сигнал.

Как видите, ничего сложного. Четыре элемента и ШИМ-регулятор готов. Он уже может управлять одноцветной светодиодной лентой или каким-то двигателем.

Если вам нужна трехцветная лента или больше лент (делаем многоканальный ШИМ), просто добавьте ключи на пины D3, D5, D6, D9, D10, D11 (на них работает только ШИМ). Всего Arduino способна одновременно управлять питанием 6 устройств.

IRF3205 способен выдерживать ток до 70 ампер при напряжении до 55 вольт, таких характеристик достаточно для решения большинства бытовых задач.

Введение

Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-экраны) используются в ряде сред, поэтому желательно производить экраны, которые можно затемнять и которые подходят как для работы в дневное, так и в темное время суток. После этого пользователь сможет настроить экран на комфортный уровень яркости в зависимости от условий работы и общего освещения.

Производители обычно указывают максимальную яркость в характеристиках монитора, но важно учитывать более низкие значения яркости, которые может выдержать монитор, так как вы не хотите использовать его на максимальной яркости. Хотя в спецификациях часто указаны значения до 500 кд/м², вам, скорее всего, потребуется использовать экран с чуть более комфортной для ваших глаз яркостью.

Напоминаем, что в каждом из наших обзоров на tftcentral.co.uk мы тестируем полный диапазон затемнения подсветки и соответствующие значения яркости. При калибровке мы также пытаемся установить яркость экрана на уровне 120 кд/м², что является рекомендуемым значением для ЖК-экрана при нормальных условиях освещения. Это поможет вам понять, как установить уровень яркости, при котором вы, скорее всего, будете использовать его ежедневно.

Как в люминесцентной (CCFL), так и в светодиодной (LED-) подсветке изменение яркости экрана достигается за счет уменьшения общей светоотдачи подсветки. В настоящее время наиболее широко используемой регулировкой яркости подсветки является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая уже много лет используется в мониторах настольных компьютеров и ноутбуков. Однако этот метод не лишен некоторых проблем, а с появлением экранов повышенной яркости и распространением светодиодной подсветки побочные эффекты ШИМ стали более заметными, чем раньше, и в некоторых случаях ШИМ может вызывать зрительное утомление у людей, которые чувствительны к нему.

Если нужно управлять плюсовым контактом

В этом случае нам понадобится еще один мосфет-транзистор — P-канальный. Схема аналогична, только подтягивающий резистор подключен к плюсу.

Также нужно инвертировать сигнал на выходе ардуино, т.к при подаче 5 вольт транзистор закроется, а при 0 откроется, значит скважность 30% даст 70% мощности на выходе ардуино схема.

ШИМ на irf4905, питание 5 в

Стоит упомянуть, что такая схема будет работать только при напряжении питания не выше 5 вольт, так как для полного закрытия Р-канального транзистора необходимо подтянуть порт питания плюс и ардуина умеет выводить всего 5 вольт на цифровой контакт. Это означает, что при возбуждении, хотя бы немного превышающем напряжение, подаваемое на цифровой вывод, транзистор не закроется полностью на пике импульса ШИМ и БУДЕТ СИЛЬНО НАГРЕВАТЬСЯ. Также он не сможет полностью отключить нагрузку.

Если вам нужно управлять, скажем, 12-вольтовым устройством, схема будет немного сложнее. Будет добавлено так называемое «плечо наращивания» или драйвер полевого транзистора. По классике он собран на двух, а иногда и на трех транзисторах, но у нас есть чуть более простой вариант, работающий на низких частотах:

Arduino, ШИМ-управление на плюсовом проводе IRF4905

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически нет разницы между понятиями широтно-импульсного регулирования ШИМ и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Тем не менее, у нас все еще есть разница между ними.

Сейчас во многих микросхемах, особенно используемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИМ. Но при этом их называют ШИМ-контроллерами. Поэтому разницы в названии между этими двумя методами сейчас практически нет.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора, и открытия последнего используются источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой батарея GB через транзистор VT импульсно питает потребителя Rn. Сразу скажу, что в этой схеме я специально не использовал такие элементы, которые были необходимы для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано для упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно компаратор имеет три выхода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если значение напряжения на входной клемме + (неинвертирующий вход) выше, чем на входной клемме — (инвертирующий вход), выход компаратора будет высоким. В противном случае низкий уровень.

В нашем случае именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность импульса time ten. Для этого воспользуемся следующей схемой.

При SHIRT на вход компаратора подается пилообразный сигнал с заданной частотой. Его еще называют базовым. На другой вход подается опорное напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

При наличии опорного сигнала на неинвертирующем входе компаратора сначала будет пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать сигнал настройки, сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение заданного сигнала, можно изменить коэффициент заполнения и, следовательно, среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся максимизировать, чтобы уменьшить параметры катушек индуктивности и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к уменьшению массы и габаритов блока питания.

4 Управление яркостью светодиода с помощью PWM и Arduino

Включаем питание. Яркость светодиода постепенно увеличивается, а затем постепенно уменьшается. Мы моделировали аналоговый сигнал на цифровом выходе, используя широтно-импульсную модуляцию.

Регулятор яркости светодиода — пример широтно-импульсной модуляции, используемой в Arduino

Смотрите приложенные видео, где на экране осциллографа DSO138 наглядно видно изменение яркости светодиода, и как меняется сигнал с Ардуино.

Другое видео:

3 Пример скетча с ШИМ

Откроем скетч «Fade» из образцов: File Samples 01.Basics Fade.

откройте скетч Arduino с помощью PWM

Немного изменим его и загрузим в память Arduino.

инт светодиодный контакт = 3; // объявить пин, который управляет светодиодом int яркость = 0; // переменная для установки яркости int fadeAmount = 5; // шаг изменения яркости void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop () { AnalogWrite (ledPin, яркость); // устанавливаем яркость яркости на пине ledPin яркость += fadeAmount; // меняем значение яркости /* при достижении пределов 0 или 255 меняем направление изменения яркости */ if (brightness == 0 || яркость == 255) { fadeAmount = -fadeAmount; // изменить знак шага } delay(30); // задержка для большей видимости эффекта

Ослабление побочных эффектов ШИМ

Если вас беспокоит мерцание ШИМ подсветки или вы просто хотите посмотреть, облегчает ли чтение уменьшение мерцания, я бы порекомендовал вам попробовать следующее. Установите максимальную яркость экрана и отключите все механизмы автоматической регулировки яркости. Теперь уменьшите яркость до нормального уровня (обычно с помощью ползунка контрастности), используя цветовую коррекцию, доступную в драйверах видеокарты, или с помощью калибратора. Это снизит яркость и контрастность экрана, сохраняя при этом подсветку включенной максимально долгое время во время циклов ШИМ. Хотя для многих это не может быть долгосрочным решением из-за сниженного контраста, этот метод может помочь определить степень положительного эффекта от уменьшения использования ШИМ.

Конечно, гораздо лучшим методом было бы получить монитор, который не использует ШИМ для управления яркостью или, по крайней мере, использует гораздо более высокую частоту ШИМ. К сожалению, похоже, что ни один производитель еще не реализовал ШИМ, который работает на частотах, выходящих за пределы диапазона воспринимаемых визуальных дефектов (вероятно, значительно выше 500 Гц для CCFL и выше 2 кГц для светодиодов). Некоторые дисплеи, использующие ШИМ, также не имеют 100% рабочего цикла даже при полной яркости, что в любом случае приводит к мерцанию. Некоторые из доступных дисплеев со светодиодной подсветкой могут не использовать ШИМ, но до тех пор, пока частота и модуляция подсветки не будут указаны в спецификациях, каждый отдельный дисплей необходимо проверять отдельно.

Проверка и анализ

Было бы здорово, если бы существовал простой способ измерения частоты ШИМ подсветки, благо камеры с возможностью ручной регулировки выдержки для этого хватает. Использование этого метода описано ниже.

Стрельба:

1. Введите настройки на экране, которые вы хотите проверить.
2. (Необязательно) Установите баланс белого на камере, когда на экране отображается только белый цвет. Если это невозможно, установите баланс белого вручную примерно на 6000K.
3. Отобразите узкую белую вертикальную полосу на черном фоне (толщиной 1-3 точки будет достаточно). Только это изображение должно быть видно.
4. Установите скорость затвора на вашей камере от 1/2 до 1/25 секунды. Чтобы получить достаточно света для съемки, вам может потребоваться настроить чувствительность ISO и диафрагму. Убедитесь, что белая полоса находится в фокусе (при необходимости зафиксируйте ее).
5. Держите камеру примерно в 2 футах от экрана и перпендикулярно ему. Нажмите кнопку спуска затвора, медленно перемещая камеру горизонтально относительно экрана (держите их перпендикулярно друг другу при движении). Возможно, вам придется поэкспериментировать с перемещением камеры с разной скоростью.

Уход:

1. Отрегулируйте яркость полученного изображения так, чтобы узор был хорошо виден.
2. Подсчитайте количество циклов, сделанных на изображении.
3. Разделите это число на скорость затвора. Например, если вы используете выдержку 1/25 секунды и считаете 7 циклов, количество циклов в секунду будет 25 * 7 = 175 Гц. Это частота мерцания подсветки.

Тестовое изображение
Фото
Вырезать полезный фрагмент

Смысл этой техники в том, что, двигая камеру во время фотосъемки, мы превращаем временной эффект в пространственный. Единственным значимым источником света при фотосъемке является узкая полоска на экране, которая падает на светочувствительную матрицу в виде последовательных столбцов. Если подсветка мерцает, разные полосы будут иметь разные значения яркости или цвета, определяемые подсветкой в ​​данный конкретный момент изображения.

Типичная проблема, когда вы впервые пробуете эту технику, заключается в том, что изображение слишком темное. Эту ситуацию можно улучшить, используя большую апертуру камеры (меньшее число f/) или увеличив чувствительность ISO. Скорость затвора не влияет на экспозицию, поскольку мы используем ее только для управления общей продолжительностью изображения. Яркость изображения также можно отрегулировать, изменив скорость, с которой перемещается камера: чем выше скорость, тем темнее изображение с более высоким временным разрешением, а чем ниже скорость, тем ярче изображение с более низким разрешением.

Еще одна распространенная проблема — неравномерное расстояние между отдельными полосами на результирующем изображении из-за изменения скорости камеры во время записи. Чтобы добиться постоянной скорости, начните перемещать камеру за некоторое время до начала записи и закончите ее через некоторое время после ее окончания.

Изображение, которое выглядит слишком плоским, может быть вызвано тем, что оно не в фокусе. В некоторых случаях это можно решить, нажав кнопку спуска затвора наполовину, чтобы сфокусироваться и продолжить работу в обычном режиме.

• 
  Изображение слишком темное
  • увеличьте экспозицию после съемки.
  • Используйте большую диафрагму.
  • Двигайте камеру медленнее.
• 
  Разные расстояния между колоннами
  • Перемещайте камеру с постоянной скоростью.
  • Попробуйте перемещать камеру до и после записи.
• 
  Изображение не в фокусе
  • Зафиксируйте фокусное расстояние.
  • Предварительно сфокусируйтесь, нажав кнопку спуска затвора наполовину.
  • Убедитесь, что камера расположена перпендикулярно экрану.

Дополнительные эффекты могут наблюдаться в зависимости от конкретного монитора. Подсветка на основе CCFL часто отображает разные цвета в начале и в конце каждого цикла, что означает, что используемые люминофоры реагируют с разной скоростью. Светодиодная подсветка часто использует более высокую частоту, чем подсветка CCFL, и вам может потребоваться быстрее перемещать камеру, чтобы увидеть циклы. Темные полосы между циклами означают, что рабочий цикл ШИМ был увеличен до такой степени, что свет не излучается в течение этой части цикла.

Ниже приведены примеры использования этого метода.

Dell 2007WFP (CCFL)

Яркость = 100
Яркость = 50
Яркость = 0

При выдержке 1/25 секунды хорошо видно 7 циклов, а это значит, что подсветка мерцает с частотой 175 Гц. Даже при полной яркости есть небольшое мерцание, хотя, вероятно, достаточно маленькое, чтобы быть незаметным. На половинной яркости есть легкое мерцание, а при достижении минимальной яркости мерцание становится гораздо более заметным вместе с цветовым сдвигом.

NEC EA231WMi (CCFL)

Яркость = 100
Яркость = 50
Яркость = 0

На полной яркости видимого мерцания нет. При половинной яркости становится видно мерцание и изменение цвета. На минимальной яркости наблюдается большее мерцание и значительный сдвиг цвета. При выдержке 1/25 секунды видно около 8 циклов, что соответствует частоте около 200 Гц. При более длительной выдержке было получено более точное значение частоты — 210 Гц.

Samsung LN40B550 Television (CCFL)

Яркость = Макс
Яркость = Мин

Нет возможности отключить автоматическую яркость, поэтому отображаются максимальный и минимальный уровни яркости, которых можно легко достичь. На полной яркости видимого мерцания нет. На минимальной яркости наблюдается сильное мерцание и цветовой сдвиг, из-за чего видно разделение на желтую и синюю составляющие. При выдержке 1/25 секунды видно всего 6 циклов, а это значит, что подсветка мерцает с частотой 150 Гц.

2009 Apple MacBook (LED)

Яркость = 100
Яркость = 50
Яркость = 0

При использовании выдержки 1/25 секунды нет видимого мерцания или смещения цвета независимо от яркости. Этот монитор не использует ШИМ. Причина появления полос — шумы на изображении.

Откуда берётся ШИМ

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах сигнал управления формируется с помощью аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий вход подается непрерывно модулирующий сигнал.

Выходные импульсы имеют прямоугольную форму. Частота их повторения соответствует частоте пилы, а длительность положительной части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, поступающего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, поступающего на инвертирующий вход. В период, когда напряжение пилообразного сигнала превышает модулирующий сигнал, на выходе будет регистрироваться отрицательная часть импульса.

Когда на неинвертирующий вход подается пилообразный сигнал, а на инвертирующий вход подается модулирующий сигнал, прямоугольная волна на выходе будет положительной, когда пилообразное напряжение выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, и отрицательной, когда пилообразное напряжение ниже модулирующего сигнала.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может генерировать на выходах либо 100% высокий, либо 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой это выходное напряжение необходимо изменить. Например, при регулировке скорости вращения вала двигателя или при изменении яркости светодиода.

Проблема решается ШИМ-контроллерами. То есть 2-уровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой серию импульсов, характеризующихся частотой 1/T и либо шириной T, либо шириной 0. Для их усреднения используется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные субимпульсы, заполняющие период, могут занимать любое место в периоде. Тогда только число влияет на среднее значение сигнала за период. Поскольку процесс выполняется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной настройки. ШИМ-контроллеры решают эту проблему.

Можно провести следующую аналогию с механикой. При вращении маховика двигателем, при включении двигателя маховик раскручивается или продолжает вращаться, при выключении двигателя маховик замедляется за счет сил трения. Но если двигатель включить/выключить на несколько секунд, маховик будет продолжать вращаться с определенной скоростью за счет инерции. Чем дольше работает двигатель, тем быстрее вращается маховик. Модулятор PWM работает таким же образом. Так работают ШИМ-регуляторы, где переключение происходит тысячи раз в секунду, а частоты могут достигать единиц мегагерц.

Использование ШИМ-регуляторов обусловлено их следующими преимуществами:

• стабильность работы;
• высокая эффективность преобразования сигнала;
• экономит энергию;
• бюджетный.

Получить сигнал ШИМ можно на выводах микроконтроллера (МК:

• оборудования;
• программный.

Каждый МК имеет встроенный таймер, генерирующий импульсы ШИМ на определенных выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ-сигнала с помощью команд программирования более эффективно за счет разрешения и позволяет использовать больше контактов. Но программный метод вызывает высокую нагрузку на МК, занимая много памяти.

ШИМ контроллер: принцип работы

ШИМ-сигнал управляется ШИМ-контроллером. Он управляет клавишей включения за счет изменения управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открыт или полностью открыт. В закрытом состоянии через p-n-переход протекает ток не более нескольких мкА, то есть эффект диссипации близок к нулю. В открытом состоянии протекает большой ток, но так как сопротивление p-n перехода мало, возникают небольшие тепловые потери. При переходе из одного состояния в другое выделяется больше тепла. Однако из-за скорости переходного процесса по сравнению с частотой модуляции мощность этих потерь незначительна.

Все это позволило разработать высокоэффективный малогабаритный широтно-импульсный преобразователь, т е с малыми тепловыми потерями. Резонансные преобразователи с переключением на нулевой ток ЗСУ позволяют свести тепловые потери к минимуму.

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах сигнал управления формируется с помощью аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий вход подается непрерывно модулирующий сигнал.

Выходные импульсы имеют прямоугольную форму. Частота их повторения соответствует частоте пилы, а длительность положительной части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, поступающего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, поступающего на инвертирующий вход. В период, когда напряжение пилообразного сигнала превышает модулирующий сигнал, на выходе будет регистрироваться отрицательная часть импульса.

Когда на неинвертирующий вход подается пилообразный сигнал, а на инвертирующий вход подается модулирующий сигнал, прямоугольная волна на выходе будет положительной, когда пилообразное напряжение выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, и отрицательной, когда пилообразное напряжение ниже модулирующего сигнала.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может генерировать на выходах либо 100% высокий, либо 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой это выходное напряжение необходимо изменить. Например, при регулировке скорости вращения вала двигателя или при изменении яркости светодиода.

Проблема решается ШИМ-контроллерами. То есть 2-уровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой серию импульсов, характеризующихся частотой 1/T и либо шириной T, либо шириной 0. Для их усреднения используется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные субимпульсы, заполняющие период, могут занимать любое место в периоде. Тогда только число влияет на среднее значение сигнала за период. Поскольку процесс выполняется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной настройки. ШИМ-контроллеры решают эту проблему.

Можно провести следующую аналогию с механикой. При вращении маховика двигателем, при включении двигателя маховик раскручивается или продолжает вращаться, при выключении двигателя маховик замедляется за счет сил трения. Но если двигатель включить/выключить на несколько секунд, маховик будет продолжать вращаться с определенной скоростью за счет инерции. Чем дольше работает двигатель, тем быстрее вращается маховик. Модулятор PWM работает таким же образом. Так работают ШИМ-регуляторы, где переключение происходит тысячи раз в секунду, а частоты могут достигать единиц мегагерц.

Использование ШИМ-регуляторов обусловлено их следующими преимуществами:

• стабильность работы;
• высокая эффективность преобразования сигнала;
• экономит энергию;
• бюджетный.

Получить сигнал ШИМ можно на выводах микроконтроллера (МК:

• оборудования;
• программный.

Каждый МК имеет встроенный таймер, генерирующий импульсы ШИМ на определенных выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ-сигнала с помощью команд программирования более эффективно за счет разрешения и позволяет использовать больше контактов. Но программный метод вызывает высокую нагрузку на МК, занимая много памяти.

Побочные эффекты ШИМ

Хотя ШИМ привлекательна для производителей по причинам, изложенным выше, она также может привести к неприятным визуальным эффектам при неосторожном использовании. Чтобы понять, что мы видим, нужно рассмотреть мерцание реальных экранов. Ниже представлено видео подсветки CCFL, замедленное в 40 раз, чтобы мерцание было видно более четко. Непосредственно под ним отображаются графики изменения яркости компонентов RGB в течение одного цикла. Этот конкретный экран настроен на минимальную яркость, при которой мерцание должно быть наиболее выраженным.

Как видно из видео и связанных с ним графиков, общая яркость меняется примерно в 4 раза за один цикл. Интересно, что цвет подсветки тоже существенно меняется при каждом цикле. Скорее всего, это связано с тем, что люминофоры в CCFL имеют разное время отклика, и в этом случае мы можем сделать вывод, что люминофор, участвующий в производстве синего света, может включаться и выключаться быстрее, чем для других цветов. Использование люминофоров также позволяет задней подсветке продолжать излучать свет в течение нескольких миллисекунд после выключения подсветки в конце рабочего цикла и обеспечивает более постоянный уровень свечения (меньше модуляции), чем в противном случае. Обратите внимание, что средний цвет остается прежним.

Мерцание светодиодной подсветки обычно гораздо более заметно, чем мерцание подсветки CCFL при том же рабочем цикле, потому что светодиоды могут включаться и выключаться намного быстрее и не гореть после отключения питания. Это означает, что там, где подсветка CCFL демонстрировала довольно плавные колебания яркости, светодиодная версия демонстрирует более резкие переходы между состояниями «включено» и «выключено». Именно поэтому совсем недавно тема ШИМ стала затрагиваться в Интернете и в обзорах на фоне появления все большего количества дисплеев с LED подсветкой на основе белых светодиодов (W-LED). Как вы можете видеть ниже, существенного изменения цвета подсветки во время рабочего цикла не происходит.

Эффект мерцания особенно заметен, когда глаза пользователя двигаются. При постоянном освещении без мерцания (например, при солнечном свете) изображение становится плавно размытым, как мы обычно воспринимаем движение. Однако в сочетании с ШИМ-источником света человек может одновременно видеть несколько отдельных остаточных изображений на экране, что может привести к снижению читаемости и способности фиксировать взгляд на объектах. Из предыдущих анализов подсветки CCFL мы знаем, что цвет также может быть искажен, даже если исходное изображение черно-белое. Ниже приведены примеры того, как может выглядеть текст при горизонтальном перемещении глаза с использованием различных типов подсветки.

Исходное изображение Нет PWM CCFL PWM LED PWM

Важно помнить, что это происходит исключительно за счет фонового освещения, а сам экран отображает статичное изображение. Часто говорят, что человек не может воспринимать более 24 кадров в секунду (fps), что неверно и на самом деле соответствует только приблизительной частоте кадров, необходимой для восприятия непрерывного движения. На самом деле, когда вы двигаете глазами (например, при чтении), реально увидеть эффекты мерцания в несколько сотен герц. Способность обнаруживать мерцание сильно различается от человека к человеку и даже зависит от положения пользователя по отношению к экрану, поскольку периферийное зрение является наиболее чувствительным.

Так как часто включается и выключается подсветка при использовании ШИМ? Видимо это зависит от типа используемой подсветки. Люминесцентная подсветка почти всегда переключается с частотой 175 Гц или 175 раз в секунду. Сообщается, что частота мерцания светодиодных задних фонарей составляет от 90 Гц до 420 Гц, а на более низких частотах мерцание гораздо более заметно. Частота может показаться слишком высокой, чтобы ее можно было заметить, но помните, что 175 Гц — это ненамного больше мерцания 100–120 Гц, характерного для осветительных ламп, подключенных напрямую к сети.

Читайте также: Условные обозначения радиодеталей на схеме и их названия

Фактически, частота мерцания люминесцентных ламп 100–120 Гц у некоторых людей связана с такими симптомами, как напряжение глаз и головные боли. Именно поэтому были разработаны высокочастотные схемы стабилизации, обеспечивающие практически непрерывный световой эффект. Использование ШИМ на низких частотах сводит на нет преимущества использования этих усовершенствованных схем стабилизации в контровом свете, так как источник практически непрерывного света в этом случае возвращается к мерцанию. Кроме того, имейте в виду, что некачественные или дефектные люминесцентные стабилизаторы задней подсветки могут создавать слышимый шум. Часто это происходит при использовании ШИМ, так как в настоящее время электроника обрабатывает дополнительную частоту, с которой изменяется потребляемая мощность.

Также важно понимать разницу между мерцанием дисплеев с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и дисплеев CCFL и LED TFT. В то время как ЭЛТ может мерцать с низкой частотой 60 Гц, в любой момент времени освещается только узкая полоса, когда луч электронной пушки движется сверху вниз. При использовании TFT-экранов с CCFL и светодиодной подсветкой вся поверхность экрана освещается одновременно, а это значит, что за короткое время излучается гораздо больше света. В некоторых случаях это может быть более раздражающим, чем мерцание ЭЛТ, особенно при высокой нагрузке.

Для одних мерцание как таковое в освещении экрана может быть малозаметным и малозаметным, а для других оно вполне заметно из-за естественных различий человеческого зрения. С ростом использования светодиодов высокой яркости все чаще необходимо использовать мощный ШИМ для управления яркостью, что делает проблему мерцания более актуальной. Учитывая, что пользователи проводят много часов в день, глядя на свои экраны, не должны ли мы учитывать долгосрочные последствия как воспринимаемого, так и едва уловимого мерцания?

Принцип шим-регулятора

Работа ШИМ-регулятора не сложна. ШИМ-регулятор — это устройство, выполняющее ту же функцию, что и традиционный линейный регулятор мощности (то есть изменяет напряжение или ток за счет силового транзистора, рассеивающего на себе значительную мощность). Но ШИМ-регулятор намного эффективнее. Это достигается за счет того, что управляющий силовой транзистор работает в ключевом режиме (либо включен, то пропускает большой ток, но есть небольшое падение напряжения, либо выключен — ток не течет). В результате на таких силовых транзисторах практически нет потерь мощности и нет потерь энергии.

После силового транзистора напряжение выходит в виде прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью в зависимости от требуемой мощности. Но сигнал надо демодулировать (то есть выделить среднее напряжение). Этот процесс происходит либо в самой нагрузке (когда она носит индуктивный характер), либо если между нагрузкой и силовым каскадом размещается фильтр нижних частот.

Пример использования шим регулятора

Простейшим примером использования ШИМ-регулятора напряжения является ШИМ-микросхема NE555, с которой знаком каждый радиолюбитель. Благодаря своей универсальности можно конструировать самые разнообразные детали: от простейшего одноимпульсного вибратора с 2-мя в обвязке до модулятора, состоящего из большого количества компонентов. ШИМ-регулятор напряжения имеет широкий спектр применения — это схемы регулировки яркости светодиодов и лент, а также регулировка скорости вращения двигателей.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

С выхода OUT контроллера сгенерированный сигнал ШИМ подается на выключатель. Количество клавиш может быть разным, поэтому выход может быть однотактным или двухтактным (с одной или двумя клавишами). Два ключа необходимы, если используются полевые транзисторы. Вместе с однотактными регуляторами (один выход OUT) используются двухтактные регуляторы с двумя выходами OUT.