Шим регулятор тока и напряжения. Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы
В данной статье мы поговорим с вами о шим контроллерах : что это, для чего и где применяется.
ШИМ – широтно-импульсный модулятор.
Для преобразования напряжения в телевизионной аппаратуре и других электронных устройствах используются ШИМ контроллеры . С помощью прибора удалось внедрить в производство инновационные идеи и новые технологии. Основными преимуществами ШИМ-контроллеров являются скромные габариты, отличные показатели быстродействия и высокая надежность.
Наиболее востребованы ШИМ контроллеры при изготовлении модулей питания импульсного типа. Постоянное напряжение на входе устройства преобразуется в импульсы прямоугольной формы, формируемые с определенной частотой и скважностью. С помощью управляющих сигналов на выходе устройства удается осуществлять регулирование работы транзисторного модуля большой мощности. В результате разработчики получили блок управления напряжением регулируемого типа.
В телевизионной аппаратуре компактные ШИМ-контроллеры весьма востребованы. Кроме того, устройства используются в другой электронной аппаратуре, а также в качестве узлов системы управления скоростью электроприводов в бытовых приборах. В зависимости от параметров системы и управляющего сигнала, ШИМ-контроллеры меняют скорость движения силового агрегата. Обратная связь может быть выполнена как по значению силы тока, так и по уровню напряжения.
Типовая конструкция ШИМ-контроллера, используемого в телевизионной и другой электронной аппаратуре, характеризуется наличием нескольких выходов. Общий вывод соединен с аналогичным контактом схемы подачи питания модуля. Вывод контроля питания и вывод питания расположены рядом друг с другом. Первый из них отвечает за контроль напряжения на выходе схемы и отключает ее при снижении значения ниже пороговой величины. Второй вывод отвечает за энергоснабжение схемы .
Напряжение на выходе снимается с соответствующего вывода. Существуют двухплечевые и одноплечевые ШИМ-контроллеры. Первые из них применяются для управления стандартными транзисторами. При необходимости их закрытия, контроллер замыкает соответствующий контакт на общий кабель. При работе с транзистором биполярного типа применяется одноплечевой каскад, так как для регулировки требуется изменение силы тока. Для отключения транзистора необходимо запретить прохождение тока. Поэтому замыкание на общий контакт не используется.
ШИМ-контроллеры, используемые в телевизионной аппаратуре, характеризуются наличием следующих возможностей:
Устройства способны вырабатывать опорное напряжение с высокой степенью точности. Зачастую данный вывод коммутируется с общим проводом. При этом используется емкость значением 1 мФ и более, что позволяет повысить качество стабилизации выходного значения.
Ограничитель тока срабатывает при значительном превышении напряжения на соответствующем выводе над пороговым. В этом случае происходит автоматическое отключение силовых ключей.
Мягкий старт используется для постепенного увеличения величины импульсов на выходе до расчетных показателей. Наличие емкости между соответствующим выводом и общим проводом приводит к ее постепенной зарядке. В результате каждый импульс становится шире вплоть до достижения требуемой величины.
Современные источники питания для различной аппаратуры проектируются на основе ШИМ-контроллеров. От качества компонентов зависит срок жизни модуля. Основная цель, для которой ШИМ-контроллеры включаются в схемы источников напряжения, это обеспечение стабильной величины напряжения на выходе. Небольшие габариты контроллеров дают им преимущество перед стандартными схемами с использованием трансформаторов.
ШИМ-контроллеры, применяемые в источниках питания , кроме стабилизации выходного напряжения, реализуют еще несколько дополнительных возможностей. Использование широтно-импульсной модуляции позволяет осуществить контроль величины сигнала. При этом имеется возможность менять протяженность импульса и скважность.
ШИМ-контроллеры обладают высокими показателями КПД, что позволяет значительно расширить область их использования. Особенно это касается аппаратуры для воспроизведения звука. Кроме того, при использовании в источниках питания ШИМ-контроллеров, значительно расширяется диапазон доступных мощностей прибора.
Устройства на базе ШИМ-контроллеров являются универсальными и могут использоваться не только в телевизионной аппаратуре, но и во многих других приборах. Блоки питания различного электрооборудования реализуются на основе данных контроллеров. Использование устройств позволяет сократить затраты на эксплуатацию оборудования и повышает его качество работы. Высокий КПД делает разработку источников на ШИМ-контроллерах перспективным и востребованным направлением деятельности.
Представляем простую конструкцию регулятора мощности, схема которого построена на таймере 555, работающем в режиме ШИМ. Транзисторы IRF3205 являются управляемыми элементами, причем транзисторы соединены параллельно для уменьшения сопротивления и лучшего рассеивания тепла.
Схема ШИМ на 12 В для ламп
Напряжение от трансформатора выпрямляется мостом на 50 А, установленным на радиаторе. Подается оно далее на стабилизатор 8 В, а затем в схему управления. Устройство должно было работать с несколькими галогенками 12 В 50 Вт.
Кстати, вы можете хорошо уменьшить нагрев транзисторов снизив частоту коммутации — на это стоит обратить внимание.
При полной яркости будет ток в нагрузке около 25 А. Так что уделите особое внимание винтовым соединительным разъемам. Кабели сечением 1,5 мм2 тоже недостаточны для такого большого тока.
Конечно, затворы лучше переключать напряжением около 10 — 12 В (не более 15 В для безопасности МОП-транзисторов), чем 6 В, хотя бы для того чтобы быть уверенным в их насыщении во включенном состоянии. А более высокое напряжение также означает более быструю перезагрузку затворов, что приводит к более короткому переходному времени, а это снижает потери мощности на них. Если они не насыщаются, то тепло, генерируемое на них с высокой рабочей мощностью, заставит транзисторы сильно греться.
Чтобы поднять управляющее напряжение, достаточно подключить R3 напрямую к источнику питания, а не к стабилизатору. Чтобы ускорить переключение, предлагаем конденсатор 0.1 мкФ поставить параллельно с R2 и, если необходимо, дополнительно в ряд перед этим параллельным соединением резистор, чтобы минимизировать токи при разряде конденсатора.
Вместо резистора R3 ещё лучше ставить резисторы 5-10 Ом в затворах mosfet и использовать более мощные биполярные транзисторы, например семейства BD136 — BD140 соответствующих типов проводимости.
Упрощенный ШИМ 12V регулятор постоянного тока
Для регуляторов оборотов мотора постоянного тока можно использовать эту, показанную выше схему. Здесь нет необходимости использовать управляющие транзисторы. Mosfet могут быть подключены параллельно, добавив один 30-ти омный резистор к затвору каждого транзистора. Плату можете .
Очередное электронное устройство широкого применения.
Представляет собой мощный ШИМ (PWM) регулятор с плавным ручным управлением. Работает на постоянном напряжении 10-50V (лучше не выходить за диапазон 12-40V) и подходит для регулирования мощности различных потребителей (лампы, светодиоды, двигатели, нагреватели) с максимальным током потребления 40А.
Прислали в стандартном мягком конверте
Корпус скрепляется на защёлках, которые легко ломаются, поэтому вскрывать аккуратно.
Внутри плата и снятая ручка регулятора
Печатная плата - двусторонний стеклотекстолит, пайка и монтаж аккуратные. Подключение через мощный клеммник.
Вентиляционные прорези в корпусе малоэффективны, т.к. почти полностью перекрываются печатной платой.
В собранном виде выглядит примерно так
Реальные размеры чуть больше заявленных: 123x55x40мм
Принципиальная электрическая схема устройства
Заявленная частота ШИМ 12kHz. Реальная частота изменяется в диапазоне 12-13kHz при регулировании выходной мощности.
При необходимости, частоту работы ШИМ можно уменьшить, подпаяв нужный конденсатор параллельно С5 (исходная ёмкость 1nF). Увеличивать частоту нежелательно, т.к. увеличатся коммутационные потери.
Переменный резистор имеет встроенный выключатель в крайнем левом положении, позволяющий отключать устройство. Также на плате расположен красный светодиод, горящий в рабочем состоянии регулятора.
С микросхемы ШИМ контроллера маркировка зачем-то старательно затёрта, хотя нетрудно догадаться, что стоит аналог NE555:)
Диапазон регулирования близок к заявленным 5-100%
Элемент CW1 похож на стабилизатор тока в корпусе диода, но точно не уверен…
Как и на большинстве регуляторов мощности, регулирование осуществляется по минусовому проводнику. Защита от КЗ отсутствует.
На мосфетах и диодной сборке маркировка изначально отсутствует, они стоят на индивидуальных радиаторах с термопастой.
Регулятор может работать на индуктивную нагрузку, т.к. на выходе стоит сборка защитных диодов Шоттки, подавляющая ЭДС самоиндукции.
Проверка током 20А показала, что радиаторы греются незначительно и могут вытянуть больше, предположительно до 30А. Измеренное суммарное сопротивление открытых каналов полевиков всего 0,002 Ом (падает 0,04В на токе 20А).
Если снизить частоту ШИМ, вытянут все заявленные 40А. Жаль проверить не смогу…
Выводы можете сделать сами, мне устройство понравилось:)
Планирую купить +56 Добавить в избранное Обзор понравился +38 +85Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, английская аббревиатураPWM - Pulse-Width Modulation) - это способ кодирования аналогового сигнала путем изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис.1 представлены типичные графики ШИМ-сигнала.
Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (Т) остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (рис.16) и наоборот, при расширении импульса пауза сужается (рис.1в).
Если ШИМ-сигнал пропустить через фильтр низших частот (ФНЧ), то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Скважность Q - это отношение периода импульсов Т к их длительности t, т.е. Формула:
Величина, обратная скважности, которая также встречается в литературе, называется “коэффициентом заполнения” (К3). Назначение ФНЧ - не пропускать на выход несущую частоту ШИМ.
Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC-цепочки или же отсутствовать вовсе, например, если нагрузка имеет достаточную инерцию.
Рис. 1. Графики работы ШИМ.
Таким образом, с помощью двух логических уровней “1 ” и “0” можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала. Широтно-импульсная модуляция широко используется в современной электронике, например, в импульсных источниках питания или в устройствах цифровой обработки звуковых сигналов. В описан широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.
Он выполнен на основе двух логических элементов (рис.2) микросхемы К176ЛП1 (рис.За), которая называется универсальным логическим элементом (зарубежный аналог - CD4007).
Универсальность ИМС заключается в том, что она может быть использована и как три самостоятельных элемента НЕ, и как элемент ЗИЛИ-НЕ (рис.Зб), и как элемент НЕ с большим коэффициентом разветвпения (рис.Зв).
Рис. 2. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.
Рис. 3. Структура микросхемы К176ЛП1.
Микросхема содержит шесть МОП-транзисторов, три из которых (VT1...VT3) - с п-каналом, три других (VT4... VT6)-с р-каналом. Напряжение питания подают на выводы 14 (+9 В) и 7 (общий), выводы 6, 3 и 10 - входы, остальные - выходы.
Разные по функциональному назначению логические элементы получают путем соответствующих соединений входных и выходных выводов. Модулятор (рис.2) изменяет коэффициент заполнения импульсов автогенератора в соответствии с управляющим напряжением.
Регулирование коэффициента заполнения обеспечивается шунтированием времязадающего резистора R2 сопротивлением каналов полевых транзисторов VТ1 и VТ2, входящих в состав микросхемы.
Коэффициент заполнения изменяется в пределах от 1 до 99% периода рабочей частоты. Недостатком этого генератора является ненадежный запуск при уменьшении емкости времязадающего конденсатора С1 (при увеличении частоты генерации).
Для устранения этого недостатка предлагаю выполнить широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах (рис.4). Трехэлементный генератор запускается в любом случае, а конденсатор просто снижает его частоту. Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD2 и инверторе DD1.
Полевые транзисторы VТ1 и VТ2 из состава микросхемы подключены через диоды VD1 и VD2 параллельно резистору R2.
Рис. 4. Широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах.
При высоком уровне на выходе генератора диод VD2 открывается, т.е. сопротивление п-канала VТ2 включается параллельно R2. Подобным образом сопротивление р-канала VТ1 включается через VD1 параллельно R2 при низком уровне на выходе генератора.
Широтно-импульсный модулятор измененяет коэффициент заполнения импульсов генератора в соответствии с управляющим напряжением. Само изменение частоты колебаний минимально зависит от коэффициента заполнения, т.к. сопротивление канала одного транзистора возрастает, а другого уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R2 сопротивления остается постоянным.
Увеличение управляющего напряжения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импульсов, уменьшение - наоборот. Частота колебаний остается неизменной. Данный генератор может генерировать сигнал частотой до 10 МГц.
В. Калашник, г. Воронеж. E-mail: kalaviv[a]mail.ru. РМ-07-12.
Литература:
- Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме. - Электроника, 1977, №13, С.55.
- Генераторы на элементах КМОП. - Схемотехника, 2007, №6, С.37.
Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.
Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.
Примером линейного способа может послужить . При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.
В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ . В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation .
Принцип импульсного регулирования
Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н . Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К .
Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T . Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K . Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.
Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи . А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп . Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип .
Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:
Uср.н = Uип tи/T.
Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D . А величина, обратная ему называется скважностью :
S = 1/D = T/tи .
На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.
Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:
Uср.н = Uип∙D.
А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:
Pср.н = Pип∙D.
В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.
Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.
В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.
Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.
В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.
При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.
Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.
Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.
Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.
ШИМ – широтно-импульсная модуляция
ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.
Рассмотрим простейшую схему .
В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.
Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.
В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.
Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).
Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.
