Інвертори, перетворювачі, схеми SMPS та регулятори швидкості…. Одне, що є загальним у всіх цих схемах, полягає в тому, що воно складається з безлічі електронних перемикачів усередині нього. Ці перемикачі є нічим іншим, як силовими електронними пристроями, такими як MOSFET, IGBT, TRIAC тощо. Для управління такими силовими електронними вимикачами ми зазвичай використовуємо щось, що називається ШІМ-сигналами (імпульсно-ширинна модуляція). Крім цього, ШІМ-сигнали також використовуються для керування сервомоторами, а також для інших простих завдань, таких як управління яскравістю світлодіода.
У нашій попередній статті ми дізналися про АЦП, тоді як АЦП використовується для зчитування аналогових сигналів цифровим пристроєм, таким як мікроконтролер. ШІМ можна вважати прямо протилежним йому, ШІМ використовується для отримання аналогових сигналів від цифрових пристроїв, таких як мікроконтролер. У цій статті ми дізнаємося про те, що таке ШІМ, ШІМ-сигнали та деякі параметри, пов’язані з цим, щоб ми були впевнені у їх використанні в наших конструкціях.
Що таке ШІМ (модуляція ширини імпульсу)?
ШІМ розшифровується як імпульсна модуляція ширини; причину такої назви ми розберемо пізніше. На даний момент розуміємо ШІМ як тип сигналу, який може вироблятися з цифрової мікросхеми, такої як мікроконтролер або таймер 555. Вироблений таким чином сигнал матиме шлейф імпульсів, і ці імпульси будуть у формі квадратної хвилі. Тобто в будь-який даний момент часу хвиля буде або високою, або буде низькою. Для зручності розуміння розглянемо сигнал ШІМ на 5 В, в цьому випадку ШІМ-сигнал буде або 5 В (високий), або на рівні землі 0 В (низький). Тривалість, на якій сигнали залишаються високими, називається " часом ", а тривалість, коли сигнал залишається низьким, називається " часом вимкнення ".
Для ШІМ-сигналу нам потрібно розглянути два важливі параметри, пов’язані з ним, один - це робочий цикл ШІМ, а інший - частота ШІМ.
Робочий цикл ШІМ
Як було сказано раніше, ШІМ-сигнал залишається включеним протягом певного часу, а потім залишається відключеним протягом решти періоду. Що робить цей ШІМ-сигнал особливим і корисним, це те, що ми можемо встановити, як довго він повинен залишатися включеним, контролюючи робочий цикл ШІМ-сигналу.
Відсоток часу, протягом якого сигнал ШІМ залишається ВИСОКИМ (у часі), називається робочим циклом. Якщо сигнал завжди ввімкнений, він знаходиться у 100% робочому циклі, а якщо він завжди вимкнений, це 0% робочого циклу. Формули для розрахунку робочого циклу наведені нижче.
Цикл роботи = час включення / (час включення + час вимкнення)
Наступне зображення представляє ШІМ-сигнал із 50% робочим циклом. Як бачите, враховуючи весь період часу (час + час вимкнення), ШІМ-сигнал залишається включеним лише протягом 50% періоду часу.
Частота = 1 / Часовий період Часовий період = Час увімкнення + Час вимкнення
Зазвичай ШІМ-сигнали, що генеруються мікроконтролером, становитимуть близько 500 Гц, такі високі частоти будуть використовуватися в високошвидкісних комутаційних пристроях, таких як інвертори або перетворювачі. Але не всі програми вимагають високої частоти. Наприклад, для управління сервоприводом нам потрібно виробляти ШІМ-сигнали з частотою 50 Гц, тому частота ШІМ-сигналу також управляється програмою для всіх мікроконтролерів.
Деякі типові питання щодо ШІМ
У чому різниця між робочим циклом та частотою ШІМ-сигналу?
Частота робочого циклу та частота ШІМ-сигналів часто плутаються. Як ми знаємо, ШІМ-сигнал - це квадратна хвиля з певним часом і часом відключення. Сума цього часу та часу відключення називається одним періодом часу. Інверсія одного періоду часу називається частотою. Хоча кількість часу, коли сигнал ШІМ повинен залишатися включеним протягом одного періоду часу, визначається робочим циклом ШІМ.
Якщо сказати простіше, наскільки швидко повинен включатися та вимикатись ШІМ-сигнал, визначається частотою ШІМ-сигналу, і на цій швидкості, скільки часу повинен залишатися включеним ШІМ-сигнал, визначається робочим циклом ШІМ-сигналу.
Як перетворити ШІМ-сигнали в аналогову напругу?
Для простих застосувань, таких як керування швидкістю двигуна постійного струму або регулювання яскравості світлодіода, нам потрібно перетворити ШІМ-сигнали в аналогову напругу. Це можна легко зробити за допомогою RC-фільтра і зазвичай використовується там, де потрібна функція ЦАП. Схема для цього ж показана нижче
На графіку, показаному вище, жовтий колір - це ШІМ-сигнал, а синій - вихідна аналогова напруга. Значення резистора R1 і конденсатора C1 можна розрахувати на основі частоти ШІМ-сигналу, але зазвичай використовується резистор 5,7 К або 10 К і конденсатор 0,1 мкм або 1 мкм.
Як розрахувати вихідну напругу ШІМ-сигналу?
Вихідна напруга ШІМ-сигналу після перетворення його в аналоговий буде відсотком робочого циклу. Наприклад, якщо робоча напруга становить 5 В, тоді ШІМ-сигнал також матиме 5 В, коли високий. У такому випадку для 100% робочого циклу вихідна напруга буде 5В, для 50% робочого циклу вона буде 2,5В.
Вихідна напруга = робочий цикл (%) * 5
Приклади:
Раніше ми використовували ШІМ з різними мікроконтролерами у багатьох наших проектах:
- Ширина імпульсу Модуляція за допомогою ATmega32
- ШІМ з Arduino Uno
- Генерація ШІМ за допомогою мікроконтролера PIC
- Підручник з ШІМ Raspberry Pi
- Серводвигун з Raspberry Pi
- Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) за допомогою MSP430G2
- Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) у STM32F103C8
- Серводвигун з Raspberry Pi
- Управління двигуном постійного струму з Raspberry Pi
- 1 Вт світлодіодний диммер
- Світлодіодний диммер на основі Arduino з використанням ШІМ
Далі перевірте всі проекти, пов’язані з ШІМ, тут.