Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.
Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.
Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.
Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.
Аналоговая широтно-импульсная модуляция
Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T . D = t/T . Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.
Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t .
Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).
Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.
Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.
В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.
Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.
При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.
Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.
Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.
Реализовать ШИМ можно посредством с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.
При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.
Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.
Цифровая широтно-импульсная модуляция
Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.
В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.
В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.
Технология усиления звуковых сигналов развивается уже в течение 15-20 лет. Она имеет вполне определенные преимущества перед той, что реализована в широко распространенных аудиоусилителях классов A или AB. Мы имеем в виду усилитель D-класса. Его преимущество обусловлено прежде всего высоким КПД.
Классы автомобильных усилителей
Усилитель звука для авто, работающий в классе А, состоит из транзисторных каскадов, которые включены (проводят ток) как в течение всего времени действия входного аудиосигнала, так и при его отсутствии. У него низкий уровень искажений усиленного выходного звукового сигнала, поскольку его транзисторы работают на линейных участках своих характеристик и полностью транслируют входные сигналы на выход схемы, но он при этом имеет весьма низкий КПД. Эти устройства обычно предназначены для высококачественных аудиоприложений, для которых вопросы потерь мощности не являются определяющими. Транзисторы усилителей класса B проводят только либо отрицательные, либо положительные полуволны входного сигнала. Причем наличие зон нечувствительности вблизи нулевой отметки приводит к высокому уровню искажений. Однако этот эффект обеспечивает гораздо лучшие характеристики, чем в устройствах типа A. Усилитель класса AB комбинирует особенности обеих предыдущих с целью получения лучшего КПД, чем в классе A, но меньших искажений, чем в типе B. Хотя эти устройства хорошо подходят для маломощных приборов, или в лучшем случае средней мощности, тенденцией последних лет становится выпуск все более мощных усилителей. Когда-то 30 Вт считалось вполне достаточно, чтобы удовлетворить большинство потребителей. Теперь же этого вряд ли хватит, чтобы создать качественный стереоусилитель звука для авто. В результате были созданы новые их классы, включая и класс D, чтобы справиться с этой высокой мощностью потребления.
В чем преимущества устройств D-класса
Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.
Сравнение КПД усилителей различных классов
На рисунке ниже показана типовая зависимость КПД от выходной мощности для устройств классов D и AB.
Теоретическая максимальный КПД в D-классе достигает 100 %, и свыше 90 % достижимо на практике. Обратите внимание, что он достигает значений в 90 % уже при умеренной выходной мощности, тогда как максимум КПД в классе AB в 78 % получается только при полной мощности. В практическом же усилении музыкальных сигналов реализуется КПД менее чем 50 %. Усилитель звука класса D при высоком КПД потребляет меньше энергии для заданной выходной мощности, но еще более важно, что резко уменьшаются требования к теплоотводу. Тот, кто построил или видел мощный аудиоусилитель, наверняка знает, что для поддержания относительно невысокой температуры электроники необходимы большие алюминиевые радиаторы.
Нагрузка на силовой трансформатор уменьшается также на значительную величину, позволяя использовать меньший его габарит для той же выходной мощности. Можно ли собрать усилитель класса D своими руками?
На рисунке ниже показано такое устройство на 400 Вт.
Квалифицированный радиолюбитель не увидит в этой конструкции ничего такого, что заставило бы его отказаться от ее собственноручной реализации.
Область преимущественного использования
Если углубиться в детали этой технологии, можно заметить, что хороший (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель мощности D-класса должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, при использовании высокоскоростных сигнальных устройств и соответствующих источников питания. Поначалу это обусловило использование этого класса там, где не требуется полная пропускная способность и допустим более высокий уровень искажений, то есть в сабвуферах и в устройствах для промышленного использования.
Однако со временем все изменилось, и благодаря сегодняшнему быстродействию транзисторных ключей, использованию передовой техники обратной связи можно разработать устройства класса D для всевозможных применений, включая и звуковой усилитель в машину. Они характеризуются высоким уровнем мощности, небольшими размерами и низким уровнем искажений, сопоставимым с хорошей конструкцией класса AB.
Усилитель класса D: схема структурная
Он может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. Аналоговый вариант обычно состоит из компаратора, генератора треугольного сигнала и нескольких блоков для преобразования входного сигнала перед подачей его на выходные МОП-транзисторы. Схема такого аудиоусилителя показана на рисунке ниже.
Звуковой сигнал сначала преобразуется в импульсный широтно-модулированный (сокращенно ШИМ). Подобно сигналам в схемах цифровых устройств, принимающих всего два уровня - логических 1 и 0, он также имеет всего два уровня - высокий и низкий. Однако переменный уровень входного аудиосигнала содержится в таком его параметре, как длительность импульса. Чем больше входной сигнал, тем меньше длится импульс. Конечно, такая замена аналогового сигнала, способного принимать бесконечное число значений на любом интервале длительности импульса ШИМ-сигнала, всего одной величиной этой длительности приводит к потере информации. Но чем бльше частота следования импульсов, тем точнее воспроизводится впоследствии звук. Как же именно преобразует его усилитель класса D? Схема его содержит выходной каскад на полевых транзисторах, показанный отдельно на рисунке ниже.
Они усиливают входные импульсы, не внося в их форму практически никаких искажений. Усиленный ШИМ-сигнал, проходя далее через выходной фильтр нижних частот, вновь преобразуется в аналоговую форму, представляющую усиленный входной сигнал.
Еще раз о мощности, рассеиваемой выходными транзисторами
Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее - в классе A.
Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).
Что такое ШИМ-сигнал?
Выходные транзисторы усилителя D-класса могут создавать на выходе усилительного каскада всего два уровня напряжения, соответствующие двум вышеупомянутым состояниям. В таком случае синусоида не может быть представлена этими двумя возможными уровнями. На самом деле аудиосигнал модулирует длительность выходных прямоугольных импульсов, которые длятся от одного состояния транзистора до другого, так что информация о нем все же сохраняется. Теперь нам нужно понять, как делается подобная модуляция и как восстановить усиленный звуковой сигнал из импульсного. Наиболее распространенным способом, используемым в устройствах класса D, является ШИМ прямоугольных импульсов. Хотя частота следования последних фиксирована, длительность их меняется в зависимости от входного звукового сигнала. Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, длительность импульсов нарастает, а паузы между ними сокращаются, и наоборот.
Схема, генерирующая ШИМ-сигнал
Он обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с последовательностью импульсов треугольной формы. Оба сигнала подаются на вход компаратора, как это показано на рисунке ниже.
Треугольные импульсы определяют амплитуду входного аудиосигнала для полной модуляции и частоту переключения выходных транзисторов. «Цифровой» выход компаратора использует стандартные логические уровни, где 0 В соответствует логическому нулю, а 5 В - логической единице. Из-за этой квазиоцифровки ШИМ-сигнала усилители, использующие его, иногда ошибочно называют цифровыми усилителями. На самом деле весь процесс является больше аналоговым, чем цифровым. Скорее всего, ШИМ-сигнал можно отнести к дискретным сигналам, а частота следования его импульсов является частотой дискретизации исходного аналогового сигнала.
Как генерируется ШИМ-сигнал
Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты.
На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий - в обратном случае, как показано на рисунке ниже.
В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.
Как восстановить аудиосигнал из ШИМ-сигнала
Чтобы получить из дискретного ШИМ-сигнала точную копию входного аналогового напряжения, частота его дискретизации должны быть намного выше, чем максимальная частота в его спектре. Согласно теореме Найквиста (в отечественной теории электросвязи используется ее аналог - теорема Котельникова), это превышение должно быть, по крайней мере, двойным, однако в высококачественных усилителях с низким уровнем искажений используют большую кратность (обычно от 5 до 50).
ШИМ-сигнал, усиленный выходным транзисторным каскадом, содержит низкочастотные компоненты, которые полностью воспроизводят спектр входного аудиосигнала. Но он также содержит компоненты с частотой дискретизации (и ее гармоники), которые должны быть удалены для того, чтобы восстановить оригинальный модулирующий звуковой сигнал. Мощный фильтр нижних частот необходим для достижения этой цели. Обычно в его качестве используется пассивный LC-фильтр, потому что в нем почти нет потерь, и он имеет малое или почти отсутствующее рассеивание. Хотя всегда должны быть некоторые потери, на практике они являются минимальными.
Цифровая реализация
Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.
Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:
Частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;
Высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;
Наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;
Быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;
Интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.
Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.
SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.
ШИМ контроллер. Синхронизация. Обратная связь. Задание частоты. (10+)
Широтно-импульсная модуляция - ШИМ контроллер. Частота. Усилитель ошибки
Резистор и конденсатор, задающие частоту работы контроллера (RT, CT) . Контроллер работает на определенной частоте. Импульсы следуют с этой частотой. Контроллер меняет длительность импульсов, но не частоту. Это значит, что чем короче импульс, тем длиннее пауза и наоборот, а частота следования остается постоянной. Конденсатор, подключенный между CT и общим проводом, и резистор, подключенный между RT и общим проводом, задают частоту работы контроллера.
Импульсы синхронизации (CLOCK) . Иногда необходимо заставить работать несколько контроллеров синхронно. Тогда к одному контроллеру (ведущему) подключают частотозадающие конденсатор и резистор. На ножке CLOCK ведущего контроллера появляются короткие импульсы напряжения. Эти импульсы подаются на ножки CLOCK других контроллеров (ведомых). Ножки RT ведомых контроллеров соединяются с VREF этих контроллеров, а ножки CT - с общим проводом.
Напряжение для сравнения (RAMP) . На эту ножку нужно подать пилообразное напряжение. В момент возникновения импульса синхронизации на выходе контроллера появляется открывающее управляющее напряжение. Далее, как только напряжение на RAMP превышает напряжение на выходе усилителя ошибки на определенную величину, на выходе возникает закрывающее напряжение. Так что импульс длится от момента синхронизационного импульса до момента превышения напряжения на RAMP над напряжением выхода усилителя ошибки. Этим и достигается ШИМ. В классической схеме на RAMP подается напряжение с CT. Там как раз отличная пила. Есть и другие варианты включения.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.
Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.
Какая минимальная длинна импульса возможна в шим контроллерах (минимальный коэф фициент заполнения)? На практике получается что, к примеру, sg3525 запускается с минимальной шириной примерно 1 микросекунда. Есть ли методика расчета этого параметра? Очень актуально при разработке импульсных блоков питания с регулировкой напряжения от нуля вольт.
Фотореле. Автоматическое управление освещением. Световое реле. Автомат...
Автоматическое управление освещением. Включение вручную или при снижении освещен...
Металлоискатель самодельный. Сделать, собрать самому, своими руками. С...
Схема металлоискателя с высокой разрешающей способностью. Описание сборки и нала...
Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, ...
Полумостовой преобразователь напряжения сети. Схема, онлайн расчет. Форма для вы...
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.
Область применения
С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.
Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .
Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.
Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.
Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.
Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.
ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:
- обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
- ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
- контролирует уровень входного напряжения;
- защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
- при необходимости переводит устройство в дежурный режим.
Принцип работы ШИМ контроллера
Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.
Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.
Аналоговая ШИМ
Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.
Цифровая ШИМ
Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?
Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:
- высокой эффективности преобразования сигнала;
- стабильность работы;
- экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
- низкой стоимости;
- высокой надёжности всего устройства.
Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.
Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.
Пример использования ШИМ регулятора
Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в . Он построен на базе микросхемы и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.
Читайте так же
Коэффициент полезного действия является основным параметром для усилителей мощности звуковой частоты. Особенно это важно для портативной аппаратуры, такой как радиоприемники или сотовые телефоны. Усилители с высоким к.п.д. применяются и в стационарных устройствах, таких как компьютеры или телевизоры. Усилители класса C позволяет получить достаточно большие значения к.п.д. но их невозможно использовать для усиления звуковых сигналов.
Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:
- ток через транзистор при ненулевом напряжении равен нулю;
- напряжение на транзисторе при ненулевом токе равно нулю.
Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме. Первое условие будет выполнено, если транзистор полностью закрыть (режим отсечки). Второе условие будет выполнено, если транзистор полностью открыть (режим насыщения). Так работают транзисторы в цифровых микросхемах, например КМОП логики.
Но ведь в этом случае амплитуда сигнала на выходе будет иметь только два уровня. Для того чтобы можно было получить амплитуду сигнала, соответствующую входной, на выходе усилителя звука, в ключевом режиме используется широтно-импульсная модуляция — ШИМ.
Широтно-импульсная модуляция реализуется при помощи компаратора, на входы которого подаются полезный сигнал и пилообразное напряжение. В результате ширина импульса на его выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Данный процесс иллюстрируется рисунком 1.
Рисунок 1. Процесс формирования ШИМ
Как видно из рисунка 1, средний уровень сигнала зависит от ширины импульсов. Чем она меньше — тем меньше будет средний уровень сигнала, чем больше — тем больше. В спектре широтно-импульсной модуляции присутствует исходный низкочастотный звуковой сигнал, поэтому обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется любым фильтром низкой частоты. Достаточно отфильтровать высокочастотные составляющие двухуровневого сигнала и усиленный первоначальный сигнал можно подавать на громкоговоритель. Спектр широтно-импульсной модуляции синусоидального сигнала приведен на рисунке 2.
Рисунок 2. Спектр сигнала ШИМ
Так как мощность на выходе усилителя мощности обычно составляет значение от единиц до сотен ватт, то обычно применяются LC фильтры. Задача фильтра заключается в подавлении частоты пилообразного сигнала, модулированного полезным сигналом и его гармоник. Для того, чтобы можно было применить простейший фильтр второго порядка, частоту пилообразного сигнала выбирают в пределах двух мегагерц. Так как частота модулирующего сигнала превышает верхнюю частоту звукового спектра в 100 раз, то фильтр второго порядка, состоящий из индуктивности и конденсатора, способен подавить мешающие сигналы на 80 дБ (при соответствующем конструктивном исполнении).
Усилителя низкой частоты, работающего в режиме класса D, приведена на рисунке 3
Рисунок 3. Типовая структурная схема усилителя класса D
Данная схема состоит из входного усилителя, обеспечивающего требуемое входное сопротивление, компаратора напряжения, на второй вход которого подается пилообразное напряжение и выходного каскада, собранного на комплементарных полевых транзисторах. Именно эти транзисторы и обеспечивают необходимую выходную мощность. Их быстродействие определяет к.п.д. усилителя. Для оценки коэффициента полезного действия можно воспользоваться зависимостью рассеиваемой мощности от выходной мощности. На рисунке 4 приведены характеристики микросхем усилителя класса D фирмы Texas Instruments TPA2012D2.
Рисунок 4. Сравнение рассеиваемой мощности усилителей класса AB и D
Микросхемы подобного класса предназначены для применения в портативной аппаратуре. В таблице 1 приведены некоторые из таких микросхем. Обратите внимание на очень низкие этих микросхем.
| Наименование | Описание | Стерео/моно | Pвых, Вт | Rнагр. (min), Ом | Напряжение питания, B | Нелин. искаж. на мощн. P/2 THD+N* (%), f=1кГц | Коэфф. подавл. помех по цепям питания дБ | Корпус | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (min) | (max) | ||||||||
| TPA2017D2 | SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс | Стерео | 2,8 | 4 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 80 | QFN-20 |
| TPA2000D2 | усилитель средней мощности | Стерео | 2,5 | 3 | 4,5 | 5,5 | 0,05 | 77 | TSSOP-24 |
| TPA2000D4 | усилитель для стерео телефонов | Стерео | 2,5 | 4 | 3,7 | 5,5 | 0,1 | 70 | TSSOP-32 |
| TPA2012D2 | усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм | Стерео | 2,1 | 4 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 75 | WCSP-16, QFN-20 |
| TPA2016D2 | SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс | Стерео | 1,7 | 8 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 80 | WCSP-16 |
| TPA2001D2 | усилитель низкой мощности | Стерео | 1,25 | 8 | 4,5 | 5,5 | 0,08 | 77 | TSSOP-24 |
| TPA2100P1 | для пьзокерам. излучателя | Моно | 19 Vpp | 1,5 мкФ (пьезо) | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 90 | WCSP-16 |
| TPA2035D1 | дифф. вход, 1,5 х 1,5 мм | Моно | 2,75 | 4 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 75 | WCSP-9 |
Несколько другой подход для построения усилителей класса D использует фирма Analog devices. В ее микросхемах вместо ШИМ модулятора используется сигма-дельта модулятор. Это позволяет поднять внутреннюю частоту до такого значения, что внешний фильтр низкой частоты не требуется. Его функции выполняет динамик. Внутренняя схема подобной микросхемы приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Внутренняя схема микросхемы SSM2317
В настоящее время выпускается достаточно большое количество микросхем усилителей класса D большой мощности. В качестве примера можно назвать разработки фирм MPS (Monolithic Power Systems) и Texas Instruments
| Наименование | Описание | Pвых, Вт | Rнагр. (min), Ом | Напряжение питания, B | Нелинейные искажения на половинной мощности THD+N* (%), f=1кГц | Коэффициент подавления помех по цепям питания дБ | Корпус | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (min) | (max) | |||||||
| TAS5630B | 300 Вт усилитель (стерео) с ОС | 400 | 2 | 25 | 52,5 | 0,03 | 80 | QFP-64, PSOP-44 |
| TAS5615A | 160 Вт усилитель (стерео) с ОС | 300 | 2 | 18 | 38 | 0,03 | 80 | QFP-64, PSOP-44 |
| MP7720 | 20 Вт усилитель (моно) | 20 | 4 | 9,5 | 24 | 0,04 | 60 | SOIC-8 |
| MP7781 | 80 Вт усилитель | 80 | 4 | 18 | 38 | 0,1 | 60 | SOIC-24 |
Следует отметить, что подобные схемы практически не требуют громоздких радиаторов, рассеивающих избыточное тепло. На рисунке 6 приведена типовая принципиальная схема усилителя звуковых частот класса D.
Рисунок 6. Принципиальная схема звукового усилителя мощности класса D на микросхеме МР7720
В данной схеме резисторы R4 и R1 определяют глубину отрицательной обратной связи, которая влияет на коэффициент усиления усилителя и его нелинейные искажения. Резисторы R3 и R2 задают режим работы на входе микросхемы по постоянному току (половина питания). Диоды D1 и D2 защищают выходной каскад от перенапряжения. Фильтр, выделяющий из ШИМ звуковой сигнал собран на индуктивности L1 и конденсаторе C8. Емкости C1 и C9 являются разделительными.
Литература:
Вместе со статьей "Усилитель класса D" читают:
http://сайт/Sxemoteh/RejRab/
http://сайт/Sxemoteh/RejRab/A/
http://сайт/Sxemoteh/RejRab/Berg/
http://сайт/Sxemoteh/RejRab/B/