Электроника:Полупроводники/Приводы двигателей постоянного тока/Широтно-импульсная модуляция

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Широтно-импульсная модуляция[1]

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) использует цифровые сигналы для управления силовыми приложениями, а также её довольно легко вернуть в аналоговую форму при минимальном использовании оборудования.

Аналоговые системы, такие как линейные источники питания, как правило, выделяют много тепла, поскольку в основном это переменные резисторы, через которые проходит большой ток. Цифровые системы обычно столько тепла не выделяют. Почти всё выделение тепла от переключающего устройства, происходит в переходный момент, когда устройство и не включено, и не выключено, а находится в промежуточном состоянии. Это следует из формулы мощности:

P = E × I или Мощность (Ватт) = Напряжение (Вольт) × Сила тока (Ампер)

Если напряжение или ток близки к нулю, то и мощность близка к нулю. Это в полной мере используется в ШИМ.

ШИМ во многом похож на аналоговые системы управления, прежде всего тем, что цифровой сигнал может свободно проходить полный рабочий цикл. ШИМ не должен собирать данные, хотя есть исключения (но это уже касается контроллеров более высокого уровня).

Рабочий цикл

Одним из параметров любой прямоугольной волны является скважность (коэффициент заполнения). Для большинства прямоугольных волн этот показатель составляет 50%, это считается подразумеваемым значением, но, вообще говоря, прямоугольная волна не обязана быть симметричной. Время включения может максимально широко варьироваться между выключенным сигналом и полным включением, от 0% до 100% на всём диапазонами между этими двумя состояниями.

Рис. 1. Примеры рабочего цикла 10%, 50% и 90% для сигнала ШИМ. Хотя частота одинакова для всех, это не является обязательным требованием.
Рис. 1. Примеры рабочего цикла 10%, 50% и 90% для сигнала ШИМ. Хотя частота одинакова для всех, это не является обязательным требованием.

Причина популярности ШИМ проста. У многих видов нагрузок, вроде резисторов, время отклика пропорционально потребляемой мощности. Это простейшее преобразование мощности в эквивалентный аналоговый сигнал. Сами по себе светодиоды весьма нелинейно реагируют на ток: на светодиод может поступить половина номинального тока, и всё равно будет более половины светового потока, который светодиод может производить. При использовании ШИМ уровень освещённости светодиода очень линейный. Двигатели, о которых мы поговорим позже, также очень хорошо реагируют на ШИМ.

Один из нескольких способов создания ШИМ – использование пилообразного сигнала и компаратора. Как показано ниже, пилообразная (она же треугольная) волна не обязательно должна быть симметричной, однако важна линейность формы волны. Частота пилообразного сигнала – это частота дискретизации сигнала.

Рис. 2. а) ШИМ-модулятор. б) Наглядно показано, почему симметричность наклонов формы сигнала не имеет значения.
Рис. 2. а) ШИМ-модулятор. б) Наглядно показано, почему симметричность наклонов формы сигнала не имеет значения.

Если не производится вычислений, ШИМ может работать очень быстро. Ограничивающим фактором является амплитудно-частотная характеристика компараторов. Этой проблемы может и не быть, поскольку довольно часто используется вполне низкая скорость. Некоторые микроконтроллеры имеют встроенный ШИМ и могут записывать/создавать сигналы по запросу.

Использование ШИМ широко варьируется. Это, если так выразиться, «сердце» звуковых усилителей класса D. При увеличении напряжения, увеличивается максимальная мощность, а также достигается частота, выходящую за пределы восприятия человеческого слуха (обычно 44 кГц), и тогда можно использовать ШИМ. Динамики не реагируют на высокие частоты, но дублируют низкие частоты, которые и составляют звуковой сигнал. Более высокие частоты дискретизации могут использоваться для ещё большей точности, и 100 кГц или даже гораздо выше не являются чем-то необычным.

Рис. 3. Модуляция ШИМ-сигнала аудиосигналом.
Рис. 3. Модуляция ШИМ-сигнала аудиосигналом.

Ещё одно популярное приложение ШИМ – регулирование скорости двигателя. Для работы двигателей как класса требуется очень высокие токи. Возможность изменять скорость двигателей с помощью ШИМ немного увеличивает эффективность всей системы. ШИМ более эффективен при управлении скоростью двигателя на низких оборотах, чем линейные методы.

H-мосты

ШИМ часто используется совместно с H-мостом. Эта конфигурация названа так, потому что внешне напоминает латинскую букву «H» и позволяет удвоить эффективное напряжение на нагрузке, поскольку источник питания можно переключать в обе стороны от нагрузки. В случае индуктивных нагрузок, таких как двигатели, диоды используются для подавления индуктивных всплесков, которые могут повредить транзисторы. Индуктивность в двигателе также имеет тенденцию отклонять высокочастотную составляющую волны. Эта конфигурация также может использоваться с динамиками для аудиоусилителей класса D.

Хотя схема H-моста проста и предсказуема, она имеет один серьёзный недостаток: при переходе между полевыми МОП-транзисторами возможно, что оба транзистора (и тот, что сверху и тот, что снизу на рисунке) будут включены одновременно, и они примут на себя всю тяжесть того, что может обеспечить источник питания. Это так называемый прострел, могущий произойти с любым типом транзистора, используемым в H-мосте. Если источник питания достаточно мощный, транзисторы выйдут из строя. Чтобы этого не случилось, используются драйверы перед транзисторами, которые отключают один из транзисторов, пока включается другой.

Рис. 4. Упрощённый H-мост.
Рис. 4. Упрощённый H-мост.

Импульсные источники питания

Импульсные источники питания (ИИП) также могут использовать ШИМ, хотя это и не единственный вариант. Добавление топологий, которые используют накопленную мощность как в катушках индуктивности, так и в конденсаторах после основных коммутирующих компонентов, может значительно повысить эффективность этих устройств, в некоторых случаях на более чем 90%. Пример такой конфигурации:

Рис. 5. Импульсный источник питания, использующий ШИМ.
Рис. 5. Импульсный источник питания, использующий ШИМ.

В данном случае КПД измеряется мощностью. Если у вас есть ИИП с эффективностью 90%, и он преобразует 12 В постоянного тока в 5 В постоянного тока при 10 А, то сторона 12 В будет потреблять примерно 4,6 А. Неучтённые 10% (5 Вт) – это отвод тепла. Хотя этот тип регулятора более шумный, он будет менее горячим, чем его линейный аналог.

См.также

Внешние ссылки