PWM генератор с контролиран от напрежението работен цикъл. Широчинно-импулсна модулация (PWM). ШИМ главни генератори

Трябваше да направя регулатор на скоростта за перката. Да издуха дима от поялника и да проветри лицето. Е, просто за забавление, опаковайте всичко на минимална цена. Най-лесният начин двигател с ниска мощност постоянен ток, разбира се, за регулиране с променлив резистор, но за да се намери намаление за такава малка стойност и дори необходимата мощност, отнема много усилия и очевидно няма да струва десет рубли. Затова нашият избор е PWM + MOSFET.

Взех ключа IRF630. Защо този MOSFET? Да, току-що взех около десет от тях отнякъде. Така че го използвам, за да мога да инсталирам нещо по-малко и с ниска мощност. защото токът тук едва ли ще е повече от ампер, но IRF630способен да се изтегли през себе си под 9A. Но ще можете да направите цяла каскада от вентилатори, като ги свържете към един вентилатор - достатъчно мощност :)

Сега е време да помислим какво ще правим ШИМ. Веднага се намесва мисълта - микроконтролер. Вземете малко Tiny12 и го направете върху него. Захвърлих тази мисъл моментално.

1. Чувствам се зле да харча толкова ценна и скъпа част за някакъв вентилатор. Ще намеря по-интересна задача за микроконтролера
2. Писането на повече софтуер за това е двойно разочароващо.
3. Захранващото напрежение там е 12 волта, намаляването му за захранване на MK до 5 волта обикновено е мързеливо
4. IRF630няма да се отвори от 5 волта, така че вие ​​също ще трябва да инсталирате транзистор тук, така че да доставя висок потенциал на полевата врата. Майната му

Операционните усилватели могат да бъдат изхвърлени направо. Факт е, че за оп-усилватели с общо предназначение, вече след 8-10 kHz, като правило, ограничение на изходното напрежениезапочва рязко да се срутва и трябва да дръпнем полевия служител. При това на свръхзвукова честота, за да не скърца.

Това, което остава, са компараторите; те нямат способността на операционния усилвател да променят плавно изходното напрежение, те могат да сравняват само две напрежения и да затварят изходния транзистор въз основа на резултатите от сравнението, но го правят бързо и без блокиране; характеристиките. Разрових дъното на цевта и не можах да намеря никакви сравнения. Засада! По-точно беше LM339, но беше в голям корпус и религията не ми позволява да запоявам микросхема за повече от 8 крака за такава проста задача. Освен това беше жалко да се влача до склада. Какво да правя?

И тогава си спомних такова прекрасно нещо като аналогов таймер - NE555. Това е един вид генератор, където можете да зададете честотата, както и продължителността на импулса и паузата, като използвате комбинация от резистори и кондензатор. Колко различни глупости са направени с този таймер през неговата повече от тридесетгодишна история... Досега тази микросхема, въпреки вековната си възраст, се отпечатва в милиони копия и се предлага в почти всеки склад на цена от един няколко рубли. Например в нашата страна струва около 5 рубли. Разрових дъното на цевта и намерих няколко парчета. ОТНОСНО! Нека раздвижим нещата веднага.

Как работи
Ако не се задълбочите в структурата на таймера 555, не е трудно. Грубо казано, таймерът следи напрежението на кондензатора C1, което премахва от изхода THR(ПРАГ - праг). Веднага щом достигне максимума (кондензаторът е зареден), вътрешният транзистор се отваря. Което затваря изхода DIS(DISCHARGE - разряд) към земята. В същото време, на изхода ВЪНпоявява се логическа нула. Кондензаторът започва да се разрежда DISи когато напрежението върху него стане нула (пълен разряд), системата ще премине в обратното състояние - на изход 1 транзисторът е затворен. Кондензаторът започва да се зарежда отново и всичко се повтаря отново.
Зарядът на кондензатора C1 следва пътя: “ R4->горно рамо R1 ->D2", и изхвърлянето по пътя: D1 -> долно рамо R1 -> DIS. Когато завъртим променливия резистор R1, променяме съотношението на съпротивленията на горното и долното рамо. Което съответно променя съотношението на дължината на импулса към паузата.
Честотата се задава главно от кондензатор C1 и също така зависи леко от стойността на съпротивлението R1.
Резистор R3 осигурява изтегляне на изхода към високо ниво- значи има изход с отворен колектор. Което не е в състояние самостоятелно да постави високо ниво.

Можете да инсталирате всякакви диоди, проводниците са приблизително еднакви, отклоненията в рамките на един порядък не влияят особено на качеството на работа. При зададени 4.7 нанофарада в C1 например честотата пада до 18 kHz, но почти не се чува, явно вече не ми е перфектен слухът :(

Разрових се в кошчетата, който сам изчислява работните параметри на таймера NE555 и сглобих схема от там за нестабилен режим с коефициент на запълване по-малък от 50% и завинтих променлив резистор вместо R1 и R2, с който Промених работния цикъл на изходния сигнал. Просто трябва да обърнете внимание на факта, че DIS изходът (DISCHARGE) е чрез вътрешния ключ на таймера свързан към земята, така че не може да бъде свързан директно към потенциометъра, защото при завъртане на регулатора до неговата крайна позиция, този щифт ще кацне на Vcc. И когато транзисторът се отвори, ще има естествено късо съединение и таймерът с красив зилч ще излъчи магически дим, върху който, както знаете, работи цялата електроника. Веднага след като димът напусне чипа, той спира да работи. Това е. Затова вземаме и добавяме още един резистор за един килоом. Това няма да промени регулирането, но ще предпази от прегаряне.

Казано, сторено. Гравирах платката и запоих компонентите:

Отдолу всичко е просто.
Тук прикачвам печат в родния Sprint Layout -

И това е напрежението на двигателя. Явно малък преходен процес. Трябва да поставите тръбата паралелно на половин микрофарад и тя ще го изглади.

Както можете да видите, честотата плава - това е разбираемо, защото в нашия случай работната честота зависи от резисторите и кондензатора и тъй като те се променят, честотата изплува, но това няма значение. В целия диапазон на управление той никога не навлиза в звуковия диапазон. И цялата конструкция струва 35 рубли, без да броим тялото. И така - печалба!

Добро определение за широчинно-импулсна модулация (PWM) е в самото му име. Това означава модулиране (промяна) на ширината на импулса (не на честотата). За по-добро разбиране какво е PWM, нека първо да разгледаме някои акценти.

Микроконтролерите са интелигентни цифрови компоненти, които работят на базата на двоични сигнали. Най-доброто представяне на двоичен сигнал е квадратна вълна (сигнал с правоъгълна форма). Следната диаграма обяснява основните термини, свързани с квадратната вълна.

В PWM сигнал времето (периодът) и следователно честотата винаги е постоянна стойност. Променят се само времето на включване и изключване на импулса (коефициент на запълване). Използвайки този метод на модулация, можем да получим необходимото напрежение.

Единствената разлика между правоъгълна вълна и PWM сигнал е, че квадратната вълна има равни и постоянни времена на включване и изключване (50% работен цикъл), докато PWM сигналът има променлив работен цикъл.

Правоъгълната вълна може да се счита за специален случай на PWM сигнал, който има 50% работен цикъл (период на включване = период на изключване).

Нека да разгледаме примера за използване на ШИМ

Да кажем, че имаме захранващо напрежение от 50 волта и трябва да захранваме някакъв товар, който работи при 40 волта. В такъв случай добър начинполучаването на 40V от 50V е да се използва така нареченият понижаващ чопър (чопър).

ШИМ сигналът, генериран от хеликоптера, се подава към захранващия блок на веригата (тиристор, полеви транзистор), който от своя страна контролира товара. Този PWM сигнал може лесно да се генерира от микроконтролер с таймер.

Изисквания за PWM сигнал за получаване на 40V от 50V с помощта на тиристор: захранване за време = 400 ms и изключване за време = 100 ms (като се вземе предвид периодът на PWM сигнала, равен на 500 ms).

Най-общо това може лесно да се обясни по следния начин: основно тиристорът действа като превключвател. Товарът получава захранващо напрежение от източника през тиристор. Когато тиристорът е в изключено състояние, товарът не е свързан към източника, а когато тиристорът е във включено състояние, товарът е свързан към източника.

Този процес на включване и изключване на тиристора се извършва с помощта на PWM сигнал.

Съотношението на периода на ШИМ сигнала към неговата продължителност се нарича работен цикъл на сигнала, а обратното на работния цикъл се нарича работен цикъл.

Ако работният цикъл е 100, тогава в този случай имаме постоянен сигнал.

По този начин работният цикъл (работният цикъл) може да се изчисли по следната формула:

Използвайки горните формули, можем да изчислим времето за включване на тиристора, за да получим необходимото напрежение.

Като умножим работния цикъл на импулсите по 100, можем да представим това като процент. По този начин процентът на импулсния работен цикъл е право пропорционален на стойността на напрежението от първоначалното. В горния пример, ако искаме да получим 40 волта от 50 волтово захранване, тогава това може да се постигне чрез генериране на сигнал с работен цикъл от 80%. Защото 80% от 50 вместо 40.

За да консолидираме материала, нека решим следния проблем:

• Нека изчислим продължителността на включване и изключване на сигнал с честота 50 Hz и работен цикъл 60%.

Получената PWM вълна ще изглежда така:

Един от най-добрите примериПриложение на широчинно-импулсната модулация е използването на ШИМ за регулиране на скоростта на двигателя или яркостта на светодиода.

Тази техника за промяна на ширината на импулса за получаване на необходимия работен цикъл се нарича „модулация на ширината на импулса“.

Когато работите с много различни технологии, въпросът често е: как да управлявате наличната мощност? Какво да направите, ако трябва да се намали или повдигне? Отговорът на тези въпроси е ШИМ регулатор. Какво е той? Къде се използва? И как сами да сглобите такова устройство?

Какво е модулация на ширината на импулса?

Без да изясним значението на този термин, няма смисъл да продължаваме. И така, широчинно-импулсната модулация е процес на контролиране на мощността, която се подава към товара, осъществяван чрез модифициране на работния цикъл на импулсите, което се извършва, когато постоянна честота. Има няколко вида модулация на ширината на импулса:

1. Аналогов.

2. Цифрови.

3. Двоичен (двустепенен).

4. Троица (три нива).

Какво е PWM регулатор?

Сега, когато знаем какво е модулация на ширината на импулса, можем да говорим за основната тема на статията. PWM регулатор се използва за регулиране на захранващото напрежение и за предотвратяване на мощни инерционни натоварвания в автомобили и мотоциклети. Това може да звучи сложно и е най-добре да се обясни с пример. Да речем, че трябва да накарате лампите за вътрешно осветление да променят яркостта си не веднага, а постепенно. Същото важи и за страничните светлини, автомобилните фарове или вентилаторите. Това желание може да се реализира чрез инсталиране транзисторен регулаторнапрежение (параметрично или компенсационно). Но при голям ток той ще генерира изключително висока мощност и ще изисква инсталирането на допълнителни големи радиатори или допълнение под формата на система принудително охлажданес помощта на малък вентилатор, изваден от компютърно устройство. Както можете да видите, този път води до много последствия, които ще трябва да бъдат преодолени.

Истинското спасение от тази ситуация беше PWM регулаторът, който работи на мощни транзистори с полев ефект. Те могат да се справят с големи токове (до 160 ампера) само с 12-15V напрежение на портата. Трябва да се отбележи, че съпротивлението на отворен транзистор е доста ниско и благодарение на това нивото на разсейване на мощността може да бъде значително намалено. За да създадете свой собствен PWM контролер, ще ви трябва управляваща верига, която може да осигури разлика в напрежението между източника и портата в диапазона от 12-15V. Ако това не може да се постигне, съпротивлението на канала ще се увеличи значително и разсейването на мощността ще се увеличи значително. И това от своя страна може да доведе до прегряване и повреда на транзистора.

Произвежда се цял набор от микросхеми за PWM регулатори, които могат да издържат на увеличаване на входното напрежение до ниво от 25-30V, въпреки факта, че захранването ще бъде само 7-14V. Това ще позволи изходният транзистор да бъде включен във веригата заедно с общия дрейн. Това от своя страна е необходимо за свързване на товар с общ минус. Примерите включват следните проби: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Повечето товари не черпят повече от 10 ампера ток, така че не могат да причинят спадове на напрежението. И в резултат на това можете да използвате прости схеми без модификация под формата на допълнителна единица, която ще увеличи напрежението. И точно тези проби от PWM регулатори ще бъдат обсъдени в статията. Те могат да бъдат изградени на базата на асиметричен или резервен мултивибратор. Струва си да се говори за PWM регулатора на скоростта на двигателя. Повече за това по-късно.

Схема No1

Тази схема на PWM контролер е сглобена с помощта на инвертори на CMOS чип. Тя е генератор правоъгълни импулси, който оперира с 2 логически елемента. Благодарение на диодите, времевата константа на разреждане и заряд на кондензатора за настройка на честотата се променя тук отделно. Това ви позволява да промените работния цикъл на изходните импулси и в резултат на това стойността на ефективното напрежение, което присъства при товара. В тази схема е възможно да се използват всякакви инвертиращи CMOS елементи, както и NOR и AND. Примерите включват K176PU2, K561LN1, K561LA7, K561LE5. Можете да използвате други типове, но преди това ще трябва да помислите добре как правилно да групирате техните входове, така че да могат да изпълняват зададената им функционалност. Предимствата на схемата са достъпността и простотата на елементите. Недостатъците са трудността (почти невъзможността) за модификация и несъвършенството по отношение на промяната на обхвата на изходното напрежение.

Схема No2

Притежава най-добри характеристикиот първия образец, но по-труден за изпълнение. Може да регулира ефективното напрежение на товара в диапазона 0-12V, до което се променя от първоначална стойност 8-12V. Максимален токзависи от типа полеви транзистори може да достигне значителни стойности. Като се има предвид, че изходното напрежение е пропорционално на входния контрол, тази диаграмаможе да се използва като част от контролна система (за поддържане на температурни нива).

Причини за разпространението

Какво привлича автомобилните ентусиасти към PWM контролера? Трябва да се отбележи, че има желание за повишаване на ефективността при изграждането на вторични за електронно оборудване. Благодарение на това свойство тази технология може да се намери и в производството на компютърни монитори, дисплеи в телефони, лаптопи, таблети и подобно оборудване, а не само в автомобили. Трябва също да се отбележи, че тази технология е значително евтина, когато се използва. Освен това, ако решите да не купувате, а сами да сглобите PWM контролер, можете да спестите пари, когато подобрите собствената си кола.

Заключение

Е, вече знаете какво е PWM регулатор на мощността, как работи и дори можете сами да сглобите подобни устройства. Ето защо, ако искате да експериментирате с възможностите на вашия автомобил, има само едно нещо, което трябва да кажете за това - направете го. Освен това можете не само да използвате представените тук диаграми, но и значително да ги промените, ако имате съответните знания и опит. Но дори ако всичко не се получи от първия път, можете да спечелите много ценно нещо - опит. Кой знае къде може да ви бъде полезен следващия път и колко важно ще бъде присъствието му.

Светодиодите се използват в почти всички технологии около нас. Вярно е, че понякога се налага да регулирате яркостта им (например във фенерчета или монитори). Най-лесният изход в тази ситуация изглежда е да промените количеството ток, преминаващ през светодиода. Но това не е вярно. Светодиодът е доста чувствителен компонент. Постоянна промянаколичество ток може значително да съкрати живота му или дори да го счупи. Също така е необходимо да се вземе предвид, че не можете да използвате ограничителен резистор, тъй като в него ще се натрупа излишна енергия. Това е недопустимо при използване на батерии. Друг проблем с този подход е, че цветът на светлината ще се промени.

Има две възможности:

• ШИМ регулиране
• Аналогов

Тези методи контролират тока, протичащ през светодиода, но има определени разлики между тях.
Аналоговият контрол променя нивото на тока, който преминава през светодиодите. И PWM регулира честотата на текущото захранване.

ШИМ регулиране

Изход от тази ситуация може да бъде използването на широчинно-импулсна модулация (PWM). С тази система светодиодите получават необходимия ток, а яркостта се регулира чрез захранване от висока честота. Тоест честотата на периода на захранване променя яркостта на светодиодите.
Безспорното предимство на системата PWM е запазването на производителността на светодиода. Ефективността ще бъде около 90%.

Видове ШИМ регулиране

• Двужилен. Често се използва в автомобилни осветителни системи. Захранването на преобразувателя трябва да има верига, която генерира ШИМ сигнал на DC изхода.
• Шунтово устройство. За да направите периода на включване/изключване на преобразувателя, използвайте шунтиращ компонент, който осигурява път за изходния ток, различен от светодиода.

Импулсни параметри за ШИМ

Скоростта на повторение на импулса не се променя, така че няма изисквания към нея при определяне на яркостта на светлината. В този случай се променя само ширината или времето на положителния импулс.

Честота на импулса

Дори като се има предвид факта, че няма специални оплаквания относно честотата, има гранични стойности. Те се определят от чувствителността на човешкото око към трептене. Например във филм кадрите трябва да мигат с 24 кадъра в секунда, за да могат очите ни да го възприемат като едно движещо се изображение.
За да може трептящата светлина да се възприема като равномерна светлина, честотата трябва да бъде поне 200 Hz. За горните показатели няма ограничения, но по-ниски няма как.

Как работи ШИМ регулатор?

Транзисторен ключ се използва за директно управление на светодиодите. Обикновено те използват транзистори, които могат да акумулират големи количества мощност.
Това е необходимо при използване на LED ленти или мощни светодиоди.
За малки количества или ниска мощност, използвайки биполярни транзистори. Можете също така да свържете светодиоди директно към микросхеми.

ШИМ генератори

В ШИМ система микроконтролер или верига, състояща се от вериги с ниска интеграция, може да се използва като главен осцилатор.
Възможно е също така да се създаде регулатор от микросхеми, предназначени за импулсни захранвания, или логически чипове K561, или интегриран таймер NE565.
Занаятчиите дори използват за тези цели операционен усилвател. За да направите това, върху него е сглобен генератор, който може да се регулира.
Една от най-използваните схеми е базирана на таймера 555. Това е по същество обикновен генератор на квадратни вълни. Честотата се регулира от кондензатор C1. на изхода кондензаторът трябва да има високо напрежение(това е същото при свързване към положително захранване). И зарежда при ниско напрежение на изхода. Този момент поражда импулси с различна ширина.
Друга популярна схема е PWM, базирана на чипа UC3843. в този случай схемата на превключване е променена към опростяване. За да се контролира ширината на импулса, се използва управляващо напрежение с положителна полярност. В този случай изходът произвежда желания PWM импулсен сигнал.
Регулиращото напрежение действа върху изхода, както следва: когато намалява, ширината се увеличава.

Защо PWM?

• Основното предимство на тази система е нейната лекота. Моделите на използване са много прости и лесни за изпълнение.
• Системата за управление на ШИМ дава много широк обхватрегулиране на яркостта. Ако говорим за монитори, възможно е да се използва CCFL подсветка, но в този случай яркостта може да бъде намалена само наполовина, тъй като CCFL подсветката е много взискателна към количеството ток и напрежение.
• Използвайки PWM, можете да поддържате тока на постоянно ниво, което означава, че светодиодите няма да се повредят и цветната температура няма да се промени.

Недостатъци на използването на ШИМ

• С течение на времето трептенето на изображението може да стане доста забележимо, особено при ниска яркост или при движение на очите.
• При постоянна ярка светлина (като слънчева светлина) изображението може да стане размазано.

Най-простият генератор на сигнали с ширина на импулса.

Основната цел на програмата PWM Generator е да генерира сигнали за широчинно-импулсна модулация в реално време. Тези тонове се генерират въз основа на определени стойности на честота (в херци), работен цикъл - съотношението на времето между ниско и високо състояние на сигнала (в проценти) и амплитуда - нивото на цифровия сигнал (в dBFS) . Всички горепосочени параметри могат да бъдат незабавно променени по време на работа. Максималното възможно генерирано ниво на сигнала е 0 dBFS, а най-високата честота е половината от честотата на семплиране. Осигурено е цяло меню от изходни характеристики за конфигуриране на генерирането на звук до оптимално ниво на качество. Има възможност за промяна на броя и размера на вътрешните буфери за данни, честота на семплиране и квантуване.

Софтуерът може да се използва за създаване на контролни тонове за различни електрически и електромеханични устройства. По-специално полученият PWM сигнал, взет от изхода на звуковата карта персонален компютъри преминава през стандартен аудио усилвател, той се използва за управление на двигатели, вентилатори и осветителни устройства.

PWM Generator поддържа работа с няколко звукови карти, като можете да изберете тази, която ще се използва за извеждане на желания сигнал (по подразбиране програмата работи с изходното устройство, посочено в контролния панел на Windows). Струва си да се отбележи, че работещият PWM сигнал може да бъде записан като WAV файл и по-късно да бъде прослушан с помощта на стандартен софтуер. И ако редовно използвате определени тонове, генераторът на PWM сигнали ви позволява да ги запазите (и заредите) като предварително зададени. Освен това с приложението идват няколко предварително зададени настройки.

PWM Generator поддържа опцията за синхронизиране на всички работещи копия на програмата, което ви позволява да генерирате няколко тона наведнъж. Трябва да се отбележи, че софтуерът може да работи във фонов режим, което позволява на потребителите да превключват вниманието си към други приложения. В допълнение, PWM Generator може да се управлява с помощта на скриптови команди, както и чрез системи за съобщения на Windows.
Авторите съобщават, че колкото по-бърза е работната станция, толкова по-високо е качеството на звука и отзивчивостта на контролите при възпроизвеждане на тонове.

Въпросното приложение е написано от служители на немската компания Esser Audio. Тази организация се занимава със създаване и разпространение на софтуерни продукти (и т.н.), предназначени главно за тестване и тестване на аудио оборудване. Програмите от Esser Audio се отличават с добра функционалност и изключително прост интерфейс.

Програмата PWM Generator е shareware, пробната версия ви позволява свободно да стартирате и тествате приложението през първите тридесет дни. Цената на програмата за страни извън Европейския съюз е 14 евро, за тези в рамките на Европейския съюз - 16,66 евро (поради добавен данък върху продажбите). При закупуване на няколко лиценза се предоставя отстъпка.

Приложението се разпространява на английски и немски езици. Помощният файл съдържа Подробно описаниевсички функции на софтуера и беше създаден онлайн помощен форум за предоставяне на допълнителна поддръжка на потребителите на софтуерния пакет. Все още няма руска версия на PWM Generator.

Най-новата версия на софтуера работи на всеки компютър с 32 или 64 бита операционна система Microsoft Windows (9x, NT, 2000, 2003, XP, Vista, 7, 8) и звукова карта.

Разпределение на програмата: Shareware 14 евро. Има пробна версия (30 дни)