Широтно-импульсные преобразователи

ШИМ (широтно-импульсная модуляция), англ. PWM— pulse width modulation. ШИМ - это цифровой сигнал, с помощью которого можно задать и управлять в широких пределах уровнем аналогового сигнала с помощью ключей.

Рис 13.1. Временная диаграмма ШИМ.
Это особенно важно в мощных регуляторах с высоким КПД, так как на ключах рассеивается минимальная мощность и только в момент переключения.

На рисунке приведена временная диаграмма ШИМ с постоянной скважностью.

На одном периоде укладывается один единичный импульс шириной T1 и один нулевой импульс шириной T0. При этом T=T1+T0=const. Период ШИМ T, а, следовательно, частота следования импульсов F=1/Т - величина постоянная. Коэффициент ШИМ G - это и есть эквивалент амплитуды аналогового сигнала: G=T1/T 0 £ G£ 1

Изменением длительности импульса Т1 можно регулировать средний уровень напряжения: если уровень логической единицы ШИМ U_m= 5 вольт, то подав цифровой сигнал ШИМ на фильтр напряжения, на выходе фильтра можно получить аналоговое напряжение U с любой амплитудой в диапазоне от 0 до 5 вольт U=U_m×G.

В некоторых случаях применение фильтра необязательно – например, при регулировании тока для управления яркостью свечения накала лампы, скорости вращения двигателя, так как у них есть некоторая постоянная времени, и если период ШИМ меньше этой постоянной, то мерцания или вибрации двигателя не будет. Но в некоторых случаях без фильтра не обойтись.
Естественно, чем меньше период ШИМ, тем "глаже" будет аналоговый сигнал, но уменьшение периода ведёт к тому, что увеличивается дискретность регулирования скважности, растет частота следования импульсов F и, соответственно, растут потери мощности на ключах, снижается КПД.

Преобразователи аналогового сигнала в ШИМ импульсы получили название ШИМ-модуляторов, так как они используются широко в кодово-импульсной связи, простейших устройствах автоматики.

Преобразователи двоичного кода в ШИМ импульсы получили особое распространение с развитием микропроцессорной техники, являются встроенными устройствами большинства современных микроконтроллеров. В литературе получили название ШИМ-контроллеры.

У аналогово-цифровых ШИМ-модуляторов и цифровых ШИМ-контроллеров много общего (см. рис 13.2). Генератор синхронизирующих импульсов задает период (Т) и частоту следования импульсов ШИМ (F=1/Т). Формирователь пилообразного сигнала генерирует линейно изменяющийся сигнал. Устройство сравнения фиксирует момент времени, когда линейно изменяющийся сигнал достигнет уровня управляющего сигнала Uo. На выходе формируется импульсный сигнал от начала временной развертки до момента равенства. В ШИМ-модуляторах управляющий сигнал аналоговый, в ШИМ-контроллерах - цифровой. Это определяет конкретную схемотехнику (аналоговую или цифровую) генератора пилообразного сигнала и схемы сравнения.

Рис 13.2. Структурная схема ШИМ преобразования

От уровня управляющего сигнала Uo зависит длительность цифрового импульса ШИМ – Т1 и, соответственно, коэффициент ШИМ G. Критерием качества ШИМ-преобразователя является коэффициент нелинейности d% зависимости G от управляющего сигнала U.

,

где и - крутизна преобразования в начале и в конце характеристики.

Известно множество реализаций ШИМ преобразователей от простейших мультивибраторов на ОУ и логических элементах с аналоговым управлением, до программно-аппаратных ШИМ-контроллеров.