Тепловая мощность, выделяемая на ключе при ШИМ

В ШИМ в качестве ключевых элементов использует транзисторы (могут быть применены и др. полупроводниковые приборы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность, выделяемая в ключе, значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной.

Принцип работы ШИМ

Аналоговая ШИМ

Один из методов двухуровневой ШИМ с помощью аналогового компаратора. На один из входов компаратора подаётся пилообразное напряжение от вспомогательного генератора, на другой вход — модулирующее напряжение. Состояние выхода компаратора — ШИ-модуляция. На рис.: сверху — пилообразный сигнал и модулирующее напряжение, снизу — результат ШИМ.

ШИМ-сигнал генерируется аналоговым компаратором, на один вход (по рисунку — на инвертирующий вход компаратора) которого подаётся вспомогательный опорный пилообразный или треугольный сигнал, значительно большей частоты, чем частота модулирующего сигнала, а на другой — модулирующий непрерывный аналоговый сигнал. Частота повторения выходных импульсов ШИМ равна частоте пилообразного или треугольного напряжения. В ту часть периода пилообразного напряжения, когда сигнал на инвертирующем входе компаратора выше сигнала на неинвертирующем входе, куда подается модулирующий сигнал, на выходе получается отрицательное напряжение, в другой части периода, когда сигнал на инвертирующем входе компаратора ниже сигнала на неинвертирующем входе — будет положительное напряжение^[2].

Аналоговая ШИМ реализуется с помощью компаратора, на один вход которого подаются треугольный или пилообразный периодический сигнал со вспомогательного генератора, а на другой — модулирующий сигнал. На выходе компаратора образуются периодические прямоугольные импульсы с переменной шириной, скважность которых изменяется по закону модулирующего сигнала, а частота равна частоте треугольного или пилообразного сигнала и обычно постоянна.

Аналоговая ШИМ применяется в усилителях низкой частоты класса «D».

Цифровая ШИМ

В двоичной цифровой технике, выходы в которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N -битным счётчиком. Цифровые устройства (ЦШИП) работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация). В периоды между фронтами тактовых импульсов выход ЦШИП остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень, либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V (n). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг друга каждый такт T. Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала ~ V (n). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины ~ V (n) кратны периоду тактирования T, а частота равна 1/(T *2 ^N). Низкая частота означает длительные, относительно T, периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов.

Описанная цифровая схема генерации подпадает под определение однобитной (двухуровневой) импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). 1-битную ИКМ можно рассматривать в терминах ШИМ как серию импульсов частотой 1/ T и шириной 0 либо T. Добиться усреднения за менее короткий промежуток времени позволяет имеющаяся передискретизация. Высоким качеством обладает такая разновидность однобитной ИКМ, как импульсно-плотностная модуляция (англ.)русск., которая ещё именуется импульсно-частотной модуляцией.

Восстанавливается непрерывный аналоговый сигнал арифметическим усреднением импульсов за много периодов при помощи простейшего фильтра низких частот. Хотя обычно даже этого не требуется, так как электромеханические составляющие привода обладают индуктивностью, а объект управления (ОУ) — инерцией, импульсы с выхода ШИМ сглаживаются и ОУ, при достаточной частоте ШИМ-сигнала, ведёт себя как при управлении обычным аналоговым сигналом.

 

2. Режим Normal.

Суть этого режима заключается в сохранении содержимого счетного регистра таймера в определенный момент времени. Запоминание происходит либо по сигналу, поступающему через специальный вход микроконтроллера, либо от сигнала с выхода встроенного компаратора.

Этот режим удобен в том случае, когда нужно измерить длительность какого-­либо внешнего процесса. Например, время, за которое напряжение на конденсаторе достигнет определенного значения. В этом случае напряжение с конденсатора подается на один из входов компаратора, а на второй его вход подается опорное напряжение.

Микроконтроллер должен одновременно запустить два этих процесса: подать напряжение на конденсатор и запустить таймер в режиме Capture.

Конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем при этом будет плавно расти. Одновременно счетчик таймера будет отсчитывать тактовые импульсы заданной частоты. В тот момент, когда напряжение на конденсаторе сравня­ется с опорным напряжением, логический уровень на выходе компаратора изменится на противоположный. По этому сигналу текущее значение счетного регистра запоминается в специальном регистре захвата. Имя этого регистра ICRx (для таймера Т0 это будет ICR0, для Тl - ICRl и т. д.). Одновременно вырабатывается запрос на прерывание.

 

 

Используя принцип измерения времени зарядки, удобно создавать простые схемы, работающие с различными аналоговыми датчиками (температуры, давления и т. д.). Если принцип работы датчика состоит в изменении его внутреннего сопротивления, то такой датчик можно включить в цепь зарядки конденсатора. Емкостные датчики можно подключать напрямую.

 

3. Режим СТС (сброс при совпадении).

Для работы в режиме СТС используется специальный регистр - регистр совпадения. Если микроконтроллер содержит несколько таймеров, то для каждого из них существует свой отдельный регистр совпадения. Причем для восьмиразрядных таймеров регистр совпадения - это один восьмиразрядный регистр. Для шестнадцатиразрядных таймеров регистр совпадения - это два восьмиразрядных регистра.

Регистры сравнения также имеют свои имена. Например, регистр совпадения таймера Тl состоит из двух регистров: OCR1L и OCR1H. В ряде микроконтрол­леров существуют два регистра совпадения. Так, во всех микроконтроллерах семейства «Tiny» существует два регистра совпадения для таймера Тl. Это регистры OCR1A и OCRlВ. Два регистра совпадения для таймера Тl имеет и микроконтроллер ATmega8x. Во втором случае, как таймер, так и его регистры совпадения имеют шестнадцать разрядов.

Если регистр совпадения шестнадцатиразрядный, то физически он состоит из двух регистров ввода-вывода. Например, два регистра совпадения таймера Тl микросхемы АTmega8x представляют собой четыре регистра ввода-вывода с именами OCR1AL, OCR1AH, OCRlВL, OCRlВH.

Как же используются регистры совпадения? Эти регистры включаются в работу только тогда, когда выбран режим СТС. В этом режиме, как и в предыдущем, таймер производит подсчет входных импульсов. Текущее значение таймера из его счетного регистра постоянно сравнивается с содержимым регистров совпадения.

Если таймер имеет два регистра совпадения, то для каждого из этих регист­ров производится отдельное сравнение. Когда содержимое счетного регистра совпадет с содержимым одного из регистров совпадения, произойдет вызов соответствующего прерывания. Кроме вызова прерывания, в момент совпа­дения может происходить одно из следующих событий:

· сброс таймера (верно только для регистров совпадения OCRl и OCR1A);

· изменение состояния одного из выводов микроконтроллера (верно для всех регистров).

Произойдет или не произойдет одно или оба собьпия из вышеперечисленных, определяется при настройке таймера.

 

4. Режим Fast PWM (<Быстродействующий ШИМ>).

Определение. ШИМ - расишфpoфровываеmcя как Шupoтно-Импульсная Модуляцuя. На английском это звyчит как «Pulse Width Modulatioп» (PWМ). Сигнал с ШИМ часто uспользуется в устройствах управления.

Сигнал с ШИМможно, например, использовать для регулировки скорости вращения электродвигателя постоянного тока. Для этого вместо постоянного напряжения на двигатель подается прямоугольное импульсное напряжение. Благодаря инерции двигателя импульсы сглаживаются, и двигатель вращается равномерно. Меняя скважность импульсов (то есть отношение периода импуль­сов к их длительности), можно изменять среднее напряжение, приложенное к двигателю и, тем самым, менять скорость его вращения.

Точно таким же образом можно управлять и другими устройствами. Например, нагревательными элементами, осветительными приборами и т. п. Преимущества импульсного управления - в высоком КПД. Импульсные управляющие эле­менты рассеивают гораздо меньше паразитной мощности, чем управляющие элементы, работающие в линейном режиме.

Для формирования сигнала ШИМ используются те же самые регистры совпаде­ния, которые работают и в режиме СТС. Формирование сигнала ШИМ может осуществляться несколькими разными способами. Работа таймера в режиме Fast PWМ проиллюстрирована на рис. 3.5.

Рис.___

Сигнал с ШИМ формируется на специальном выходе микроконтроллера. На вход таймера подаются импульсы от системного генератора. Таймер находится в состоянии непрерывного счета. При переполнении таймера его содержимое сбрасывается в ноль, и счет начинается сначала. В режиме ШИМ переполнение таймера не вызывает прерываний. На рис. 3.5 это показано в виде пилообразной кривой, обозначенной как ТСNТn. Кривая представляет собой зависимость содержимого счетного регистра от времени.

Содержимое счетного регистра непрерывно сравнивается с содержимым ре­гистра совпадения. Пока число в регистре ОСRn больше, чем число в счетном регистре таймера (ТСNТn), напряжение на выходе ШИМ равно логической единице. Когда же в процессе счета содержимое счетного регистра ТСNТn станет. больше содержимого ОСRn, на выходе ШИМ установится нулевой потенциал.

В результате на выходе мы получим прямоугольные импульсы. Скважность этих импульсов будет зависеть от содержимого регистра ОСRn. Чем меньше число в ОСRn, тем выше скважность выходных импульсов. На рис. 3.5 показана скважность импульсов для двух разных значений регистра ОСRn.

Если содержимое ОСRn достигнет своего максимального значения, то импульсы на выходе ШИМ исчезнут, и там постоянно будет присутствовать логическая единица. При уменьшении числа в ОСRn появятся импульсы малой скваж­ности (длительность почти равна периоду). Если плавно уменьшать число в ОСRn, то скважность будет плавно уменьшаться. Когда содержимое ОСRn достигнет нуля, импульсы на выходе ШИМ также исчезнут, и там установится логический ноль.

5. Режим Phase Correct PWM (<ШИМ с точной фазой>).