Широтно-импульсная модуляция

Ардуино
4
25/04/2018 01:20:47
Содержание:

Большинство моделей электрического оборудования регулируемы. За счет этого достигается расширение их функциональных возможностей. Но в некоторых случаях без регулирования нормальная работа невозможна. Как, например, в газоразрядных лампах. Они работают совместно с балластом, который также именуется пускорегулирующей аппаратурой. В результате нагрузка работает при различных напряжениях, пониженных относительно питающей электросети. Об одной из разновидностей регулировок – ШИМ – расскажем далее.

Суть ШИМ

Аббревиатура ШИМ означает Широтно Импульсную Модуляцию. Это определение относится к электротехнике и электронике. Но физическое явление, которое лежит в основе ШИМ, существовало всегда. Речь идет об инерционности распространения тепла в различных средах. Простейший и наглядный пример – это картофель, запеченный в костре. Горячую картофелину перебрасывают из руки в руку тем чаще, чем она горячее. Тем самым уменьшая поток тепла от картофелины к руке и предотвращая ожог.

Ширина импульса – это значение времени. А если этот импульс характеризует изменение энергии, ее действующее значение эквивалентно площади, ограниченной линией импульса. Например, прямоугольный импульс связан с высотой (амплитудой) и шириной (временем). Поэтому одну и ту же площадь, а, следовательно, и количество энергии, можно получить, либо уменьшая амплитуду и увеличивая ширину импульса, либо наоборот, – увеличивая амплитуду и уменьшая время (ширину).

Способы управления электрической мощностью

Рассмотрим, в чем разница между этими двумя способами. Электрическая мощность может быть активной и определять выделяемое тепло. Также существует реактивная мощность, определяющая электромагнитные поля. В любом случае величина мощности зависит от внешнего воздействия – напряжения. Свойства нагрузки при том или ином напряжении повлияют на силу тока, а также на мощность.

Если уменьшать амплитуду напряжения на нагрузке, потребуется дополнительный элемент. Наиболее универсальным следует назвать резистор. Он создаст падение напряжения как при постоянном, так и при переменном напряжении. Но при этом станет источником тепловых потерь. Если напряжение переменное, вместо резистора может быть использован дроссель. В таком случае потери тепла будут пренебрежимо малы. Ведь они будут только в обмотке и сердечнике.

Но сопротивление обмотки минимально, и на ней практически нет активной составляющей напряжения с вытекающими из этого потерями. Так же, как и пластинчатый сердечник минимизирует вихревые токи и выделение тепла. Однако при этом дроссель массивен и громоздок. И главное, он работоспособен исключительно в электрической цепи с переменным напряжением. А управление таким индуктивным элементом существенно усложняет его конструкцию. При этом она получается электрически инерционной. А это свойство зачастую неприемлемо.

О ШИМ более детально

ШИМ дает альтернативную возможность регулирования как при постоянном, так и при переменном напряжении. В любом случае элемент, реализующий его, – это аналог выключателя, который работает по специальному алгоритму. Если нагрузка неизменна, как, например, кипятильник или лампа накаливания, зависимость частоты коммутации, именуемая скважностью импульсов, привязана к среднему значению напряжения. Соответственна этому и мощность – как электрическая, так и тепловая.

Однако, несмотря на универсальность и прочие положительные качества, ШИМ эффективен лишь при определенных минимальных характеристиках выключателя – того, что отрабатывает упомянутую скважность импульсов напряжения непосредственно на нагрузке. Напряжение на ней при коммутации изменяется не мгновенно. При замыкании цепи оно нарастает, а при отключении спадает в течение некоторого времени.

А поскольку в этих временных интервалах напряжение и ток приложены к выключателю, на нем выделяется некоторая мощность потерь (именуемых динамическими). Если интервалы слишком продолжительны, выделение тепла может быть опасным для работоспособности выключателя, и он получит необратимые повреждения. По этой причине выключатели, пригодные для большинства случаев, стали доступны лишь с появлением мощных быстродействующих полупроводниковых приборов.

Разновидности

ШИМ – схемы на лампах и реле при напряжениях электросети 220 В и выше – получались либо малоэффективными, либо вообще неработоспособными. Они могли нормально работать лишь при небольших напряжениях и токах. Современные схемы ШИМ, благодаря быстродействию и физическим принципам работы полупроводниковых ключей, стали основой вторичных источников питания. Среди них различают аналоговые и цифровые варианты.

Но в результате получается один и тот же результат – напряжение, регулируемое в заданных пределах. Нагляднее пояснить работу ШИМ при питании нагрузки постоянным напряжением. Например, автомобильная фара светит в полную силу при непрерывной подаче на нее напряжения аккумулятора. Если время пребывания фары под напряжением будет равно времени отключения, то при соотношении их на уровне секунд будет видно, что лампа включилась на полную яркость и затем выключилась. И так далее.    

Если время включения и выключения оставить одинаковыми, но уменьшить периодичность коммутаций, лампа будет мигать. Но при еще большем уменьшении периодичности коммутации яркость будет уменьшаться, а мигание становиться все менее заметным. И, начиная с определенного значения периодичности (частоты) коммутации, человеческий глаз будет видеть ровный свет, воспринимаемый как потускневший. На самом деле так и получится, фара будет светить в пол силы.

Если при этой же периодичности время включенного состояния увеличить, а выключенного на столько же уменьшить, света станет больше. И наоборот.

Принцип ШИМ
Принцип ШИМ

Диммер как разновидность ШИМ

Аналогично работает ШИМ и для нагрузки при переменном напряжении. Например, в диммерах. В них используется регулятор (на изображении ниже это VR), которым устанавливается так называемое опорное напряжение. С ним сравнивается напряжение, которое включает симистор. В зависимости от величины опорного напряжения отсекается часть полуволны напряжения, получаемого от сети 220 В. Свет лампы в результате управляется от нуля до максимума.

Принцип работы и схема диммера
Принцип работы и схема диммера

На примере диммера понятно, что пауза перед включением тиристора является следствием относительно равномерного увеличения амплитуды синусоиды сетевого напряжения. Более сложные аналоговые и цифровые ШИМ работают со встроенным генератором пилообразного напряжения определенной частоты. Именно он определяет нарастание напряжения, с которым сравнивается управляемое ШИМ выходное напряжение.

Схема ШИМ с обозначением генератора пилообразного напряжения
Схема ШИМ с обозначением генератора пилообразного напряжения
Пилообразное напряжение от генератора на экране осциллографа
Пилообразное напряжение от генератора на экране осциллографа

Аналоговые схемы ШИМ работают почти как диммеры. Разница лишь в том, что для формирования управляющих импульсов на основе пилообразного напряжения используется специальный операционный усилитель – компаратор. В цифровых ШИМ принцип работы совершенно другой. В них управляемое напряжение сначала преобразуется определенным образом, а затем ставится в зависимость от контролируемых импульсов, которые подсчитываются.

Примером такого ШИМ могут быть устройства с популярным микроконтроллером ARDUINO. Со временем аналогичных устройств становится все больше. Они заменяют громоздкие и тяжелые трансформаторы со стальными сердечниками. Это улучшает экономичность и материалоемкость электрооборудования. А также идет на пользу окружающей среде – уменьшается ее загрязнение. Так что ШИМ, бесспорно, является одним из выдающихся технических решений, успех которого неразрывно связан с достижениями научно-технической революции.

Изображение пользователя Сергей Степанов
Сергей Степанов Инженер-электрик
комментарии:
Чтобы оставить отзыв, пожалуйста, авторизируйтесь используя социальные сети.
добавить комментарий:
Нажимая кнопку Отправить вы соглашаетесь с Пользовательским соглашением и Правилами размещения информации.
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора отзыва.
Сколько денег вы тратите на ремонтные работы в год?
от 10 000 до 100 000 рублей
60% (6 ответов)
от 1 000 до 10 000 рублей
40% (4 ответа)
до 1 000 рублей
0% (0 ответов)
Всего проголосовало: 10