При работе с множеством различных технологий часто стоит вопрос: как управлять мощностью, которая доступна? Что делать, если её необходимо понизить или повысить? Ответом на эти вопросы служит ШИМ-регулятор. Что он собой представляет? Где применяется? И как самому собрать такой прибор?

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Без выяснения значения этого термина продолжать не имеет смысла. Итак, широтно-импульсная модуляция — это процесс управления мощностью, которая подводится к нагрузке, осуществляемая путём видоизменения скважности импульсов, которая делается при постоянной частоте. Существует несколько типов широтно-импульсной модуляции:

1. Аналоговый.

2. Цифровой.

3. Двоичный (двухуровневый).

4. Троичный (трехуровневый).

Что такое ШИМ-регулятор?

Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно. Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть.

Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.

Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат - использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.

Схема №1

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат - значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы - доступность и простота элементов. Недостатки - сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Схема №2

Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры).

Причины распространения

Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных для электронной аппаратуры. Благодаря данному свойству можно данную технологию найти также при изготовлении компьютерных мониторов, дисплеев в телефонах, ноутбуках, планшетах и подобной техники, а не только в автомобилях. Также следует отметить значительную дешевизну, которой отличается данная технология при своём использовании. Также, если решите не покупать, а собирать ШИМ-регулятор собственноручно, то можно сэкономить деньги при усовершенствовании своего собственного автомобиля.

Заключение

Что ж, вы теперь знаете, что собой представляет ШИМ-регулятор мощности, как он работает, и даже можете сами собрать подобные устройства. Поэтому, если есть желание поэкспериментировать с возможностями своего автомобиля, можно сказать по этому поводу только одно - делайте. Причем можете не просто воспользоваться представленными здесь схемами, но и существенно доработать их при наличии соответствующих знаний и опыта. Но даже если всё не получится с первого раза, то вы сможете получить очень ценную вещь - опыт. Кто знает, где он может в следующий раз пригодиться и насколько важным будет его наличие.

Метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) является одним из наиболее эффективных, с точки зрения улучшения качества выходного напряжения АИН. Основная идея метода заключается в том, что кривая выходного напряжения формируется в виде серии высокочастотных импульсов, длительность которых изменяется (модулируется) по определенному закону, в большинстве случаев – синусоидальному. Частота следования импульсов называется несущей (или тактовой) частотой, а частота, с которой осуществляется изменение длительности импульсов, – частотой модуляции. Поскольку несущая частота обычно существенно выше частоты модуляции, то гармоники кратные несущей частоте, присутствующие в спектре выходного напряжения, относительно легко подавляются с помощью соответствующего фильтра.

В настоящее время известно достаточно много видов ШИМ, классифицируемых по различным признакам . Так, например, по виду импульсов выходного напряжения различают модуляцию однополярную и двуполярную. Простейшим примером двуполярной модуляции могут служить процессы, реализуемые в однофазной полумостовой схеме инвертора (рис. 4.9). Импульсы управления, подаваемые на базы силовых транзисторов, как показано на рисунке 4.9(б), формируются в результате сравнения модулирующего, низкочастотного напряжения с опорным напряжением пилообразной формы, частота которого и является несущей частотой.

Предположим, что система управления организована так, что если мгновенное значение опорного напряжения больше, чем величина модулирующего напряжения, то включается транзистор VT2 и на нагрузке формируется импульс положительной полярности, как показано на рисунке 4.9(в). Соответственно, если опорное напряжение становится меньше модулирующего напряжения, то транзистор VT2 выключается и включается транзистор VT1, что приводит к изменению полярности напряжения на нагрузке. При активно-индуктивном характере нагрузки изменение полярности выходного напряжения происходит за счет включения обратного диода VD1, через который замыкается ток нагрузки, поддерживаемый за счет эдс индуктивности L.

При изменении модулирующего напряжения происходит изменение длительности положительного и отрицательного импульсов выходного напряжения, соответственно, изменяется среднее значение напряжения за период несущей частоты.

Совокупность этих средних значений выходного напряжения и формирует гладкую составляющую, форма которой определяется модулирующим сигналом. Основным недостатком двуполярной модуляции является большая амплитуда первой гармоники несущей частоты.

При однополярной модуляции, как показано на рисунке 4.10, в кривой выходного напряжения в течение одной полуволны модулирующего сигнала формируются импульсы только одной полярности, а вместо импульсов напряжения противоположной полярности формируется интервал с нулевым напряжением (нулевая полочка). При этом, при изменении длительности импульсов напряжения, соответственно, изменяется длительность нулевой полочки таким образом, чтобы период несущей частоты оставался постоянным.

Однополярная модуляция может быть реализована в однофазной мостовой схеме АИН при условии, что одна пара силовых транзисторов, например, VT1 и VT4 переключаются с частотой сигнала модуляции, в моменты и т.д., а вторая пара транзисторов переключается с несущей частотой. Длительность управляющих импульсов формируется таким же образом, как и в предыдущем случае, в результате сравнения опорного напряжения и модулирующего сигнала. Формирование импульса на выходе инвертора, например, положительной полярности, обеспечивается при одновременном включении транзисторов VT1 и VT2. Поскольку транзистор VT2 переключается с высокой частотой, то при его выключении транзистор VT1 остается включенным, что приводит к замыканию тока нагрузки, запасенного в индуктивности, через транзистор VT1 и диод VD3. При этом на выходе инвертора напряжение равно сумме падений напряжения на транзисторе и диоде, т.е. близко к нулю. Аналогично создается нулевая полочка и при формировании отрицательной полуволны гладкой составляющей: при выключении транзистора VT3 ток нагрузки замыкается через транзистор VT4 и диод VD2. Таким образом, полярность гладкой составляющей выходного напряжения определяется включением транзисторов VT1 или VT4, а высокочастотное заполнение и, соответственно, форма гладкой составляющей - переключением транзисторов VT2 или VT3.

Основным преимуществом однополярной модуляции, по сравнению с двуполярной, является уменьшение амплитуд высокочастотных гармоник.

Следует отметить, что однополярная модуляция в некоторых схемах, например, в однофазной полумостовой, невозможна. В этом случае для реализации однополярной модуляции приходится использовать более сложные схемы, например, схему, показанную на рисунке 4.7.

По способу формирования длительности высокочастотных импульсов различают несколько родов широтно-импулсной модуляции, наиболее распространенными из которых является ШИМ первого и второго рода. При широтно-импульсной модуляции первого рода (ШИМ-1) длительность формируемого импульса пропорциональна значениям модулирующего сигнала, выбираемым в определенные, наперед заданные моменты времени. Принцип формирования длительности импульсов при ШИМ-1 проиллюстрирован на рис. 4.11(а).

Принцип формирования длительности импульсов при ШИМ-2 показан на рис. 4.11(б). В этом случае длительность импульса определяется значением модулирующего сигнала в момент окончания импульса.

По способу изменения длительности различают одностороннюю и двустороннюю модуляцию. Например, на рис. 4.9 показана одно-

сторонняя модуляция, так как при изменении модулирующего сигнала изменяется момент выработки только заднего фронта импульса. Соответственно, на рис. 4.10 показан пример двусторонней модуляции.

Отношение величины несущей частоты к частоте модулирующего сигнала называется кратностью несущей частоты. Кратность может быть как целым числом, так и дробным, причем в общем случае кратность может быть и иррациональной дробью. Кратность существенно влияет на спектральный состав выходного напряжения, причем при дробно-рациональных кратностях в спектре выходного напряжения появляются гармоники с частотой ниже частоты модулирующего сигнала . Такие гармоники называются субгармониками, и их амплитуды растут при уменьшении кратности несущей частоты, что может приводить к нарушению нормальной работы инвертора. Для подавления субгармоник следует увеличивать кратность несущей частоты, однако при этом неизбежно увеличиваются коммутационные потери в силовых приборах инвертора.

Полезная составляющая выходного напряжения определяется формой гладкой составляющей, которая в свою очередь зависит от формы модулирующего сигнала или, как это принято называть, от закона модуляции. В настоящее время чаще всего используется модуляция по синусоидальному, трапецеидальному или прямоугольному закону. В частности, рассмотренный выше способ широтно-импульсного регулирования на несущей частоте является ничем иным, как применением ШИМ по прямоугольному закону.

• Назад
• Вперёд

Случайные новости

3.2. Алгебраические критерии стойкости

Один из первых критериев стойкости был выявленный профессором Й. А. Вишнеградским и приведенный им в роботах " О регуляторах прямой действия" и " О регуляторах косвенного действия". Критерий сформулирован для процессов, описываемых дифференциальными уравнениями третьего порядка, характеристическое уравнение которых приведено к виду: .

Рисунок 3.4 - Диаграмма, которая определяет область стойкости систем, описываемых уравнениями 3-го порядка. (Диаграмма Вишнеградского)

Если ввести обозначение и, то за Вишнеградским, для того чтобы система была стойкой необходимо, чтобы, или. На рисунке 3.4 в координатах X и Υ нанесенная гипербола ΧΥ =1, что дает границу стойкости системы. Линия между области стойкости обычно штрихуется, так что по штриховке без дополнительных объяснений можно увидеть области стойкости.

На диаграмме рисунку 3.4 нанесенная и линия границы аппериодичности, обусловленная условием с лицом точкой при значениях Х=Υ=3.

Изложенный выше критерий стойкости Вишнеградского является отдельным случаем критерия стойкости Рауса-Гурвица. Этот критерий может быть сформулирован так, в форме, предложенной Гурвицем: если система описывается линейным дифференциальным уравнением, характеристическое уравнение которого:

то для того, чтобы она была стойка, то есть чтобы все действительные корни и действительные части комплексных корней характеристического уравнения были бы отрицательные, необходимо и довольно, чтобы все коэффициенты уравнения имели бы один и тот же знак, а диагональный детерминант порядка n-1, составленный из коэффициентов уравнения, и все его диагональные миноры были бы положительными:

Диагональный детерминант составляется так:

Таким образом, для того чтобы система была стойка, нужно чтобы все коэффициенты имели одинаковый знак и все детерминанты были больше 0.

Порядок составления диагональных миноров можно разобрать на примере уравнения пятой степени:

Тогда получаем:

Для уравнения третьего порядка:

А также и.

Отметим, что при и имеем условий стойкости Вышеградского

Как критерий Вишнеградского, так и критерий Рауса-Гурвица определяют стойкость системы за коэффициентами характеристического уравнения и носят название алгебраические критерии стойкости. Рассмотрим некоторые примеры исследования стойкости с помощью критерия Рауса-Гурвица.

Пример 1. Характеристическое уравнение системы

Для этого:

Как и все коэффициенты этого уравнения больше нуля, так и детерминант есть также больше нуля – система стойкая.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM) ) - процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Различаютаналоговую ШИМ и цифровую ШИМ , двоичную (двухуровневую) ШИМ и троичную (трёхуровневую) ШИМ .

График, иллюстрирующий применение трёхуровневой ШИМ для управления электродвигателем, которая используется в приводах асинхронных электродвигателей с переменной частотой. Напряжение от ШИ-модулятора, подаваемое на обмотку машины изображено синим (V). Магнитный поток в статоре машины показан красным (B). Здесь магнитный поток имеет приблизительно синусоидальную форму, благодаря соответствующему закону ШИМ.

Причины распространения ШИМ

Основной причиной применения ШИМ является стремление к повышению КПД при построении вторичных источников питанияэлектронной аппаратуры и в других узлах, например, ШИМ используется для регулировки яркости подсветки LCD-мониторов и дисплеев в телефонах, КПК и т.п.

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 состояних (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.

1.

Принцип работы ШИМ

Аналоговая 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 .

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 ».

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.

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 Т . 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 (pulse density modulation ), 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.

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подымпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подымпульсов. Цифровая ШИМ - приближение бинарногосигнала (с двумя уровнями - вкл /выкл ) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t 2 -t 1 были бы приблизительно равны.

Формально это можно записать так:

где x (t ) - входной сигнал в пределах от t 1 до t 2 , а ∆T i = - продолжительность i -го ШИМ подымпульса, каждого с амплитудой A . n выбирается таким образом, чтобы за период разность суммарных площадей (энергий) обеих величин была меньше допустимой:

.

Управляемыми «уровнями», как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x (t ) = U const стабилизации.

В цифровой ШИМ прямоугольные подымпульсы, заполняющие период, могут стоять в любом месте периода, на среднюю величину за период влияет только их количество. Например, при разбиении периода на 8 частей последовательности 11110000, 11101000, 11100100, 11100010, 11100001 и др. дают одинаковую среднюю за период величину, но отдельно стоящие «1» ухудшают режим работы ключа (транзистора).

В качестве ШИМ можно использовать даже COM-порт. Так как 0 передаётся как 0 0000 0000 1 (8 бит данных + старт/стоп), а 255 как 0 1111 1111 1, то диапазон выходных напряжений - 10-90 % с шагом в 10 %.

Лабораторная работа №4

Широтно-импульсная модуляция

Цели работы:

1. Познакомиться со способами получения сигналов с широтно-импульсной модуляцией

2. Познакомиться со способами восстановления постоянного напряжения из сигналов с широтно-импульсной модуляцией

3. Познакомиться с некоторыми примерами применения ШИМ-сигналов

4. Познакомиться с моделированием в среде B2 Spice Workshop поведения схем в частотной области

Импульсный периодический сигнал (рисунок 1) имеет ряд характеристик:

Амплитуда импульса ;

Период (и обратная ему величина – частота );

Длительность импульса ;

Фаза (сдвиг импульса относительно начала периода).

Варьирование всех этих характеристик может быть использовано при обработке измерительных сигналов, а также для передачи данных. Говорят о:

Амплитудной модуляции, если амплитуда импульсов пропорциональна величине входного сигнала;

Частотной модуляции, если частота следования импульсов пропорциональна величине входного сигнала;

Широтно-импульсной модуляции, если длительность импульсов пропорциональна величине входного сигнала;

Фазовой модуляции, если фаза импульсов пропорциональна величине входного сигнала.

Рисунок 1. Характеристики импульсных периодических сигналов

1. Формирование ШИМ-сигнала

В основе метода формирования сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала) используется та же идея, что и в АЦП развертывающего типа: на положительный вход устройства сравнения подается преобразуемый постоянный сигнал, на отрицательный вход – линейно изменяющийся во времени сигнал (рисунок 2). Сравнивающее устройство выдает сигнал логического нуля, если опорный линейно изменяющийся сигнал больше преобразуемого, и наоборот.

Очевидно, что время , прошедшее от момента перехода линейно изменяющегося сигнала через ноль и до срабатывания устройства сравнения будет прямо пропорционально величине преобразуемого сигнала и обратно пропорционально крутизне наклона опорного сигнала.

Рисунок 2. Преобразование постоянного сигнала во временной интервал

На практике в качестве устройства сравнения применяется компаратор напряжения, на входы которого подаются преобразуемое напряжение и сигнал с выхода генератора треугольных или пилообразных импульсов (рисунок 3).

Рисунок 3. Преобразование постоянного напряжения в сигнал с ШИМ

Широтно-импульсная модуляция (по своей сути – преобразование напряжение-время) может использоваться как промежуточный этап при переходе от аналоговых к цифровым величинам. Длительность временного промежутка легко измерить, подсчитав число импульсов напряжения стабильной опорной частоты, которое прошло за этот промежуток. Сделать это можно с помощью счетчика, на счетный вход которого поступают импульсы опорной частоты, а на вход разрешения счета – измеряемый импульс (рисунок 4). При этом на выходе счетчика сразу получается цифровой код N, пропорциональный измеряемому напряжению.

Рисунок 4. Преобразование временного интервала в код

В настоящее время для целей аналого-цифрового преобразования ШИМ используется редко. Это объясняется:

Низкой помехоустойчивостью описанного способа преобразования напряжение-время (кратковременная помеха, наведенная на преобразуемый или опорный сигнал, может существенно исказить длительность импульса);

Сравнительно невысоким быстродействием;

Сложностью построения высококачественного генератора опорного линейно изменяющегося сигнала;

Наличием на рынке большого выбора законченных недорогих микросхем АЦП, основанных на иных принципах.

Однако ШИМ вполне может быть использован там, где нет высоких требований к точности и, например, нужно выполнить гальваническую развязку источника и приемника сигнала. В этом случае на стороне источника сигнала ставится простой генератор треугольного или пилообразного напряжения и компаратор. Выход компаратора (ШИМ-сигнал) управляет светодиодом оптрона, а приемная часть оптрона включается на стороне приемника сигнала (рисунок 5). Такой подход часто используется для организации обратной связи в сетевых импульсных блоках питания.

Рисунок 5. Гальваническая развязка аналоговых сигналов с помощью ШИМ. Цепи, расположенные слева и справа от оптрона DA2 не связаны гальванически

На рисунке 6 приведена схема формирования ШИМ-сигнала (файл PWM001.ckt). Источник напряжения V1 представляет собой генератор пилообразного напряжения, источник V3 – источник преобразуемого постоянного напряжения, источник V2 питает компаратор DA1 MAX907 (полную техническую документацию на MAX907 см. в файле MAX907-MAX909.pdf).

Рисунок 6. Формирователь ШИМ-сигнала

Задания.

1. В каком диапазоне входных напряжений V3 может работать данная схема? Какие изменения следует внести в схему, чтобы с её помощью можно было преобразовывать напряжение в диапазоне от –1 до +1 В?

2. Покажите, что в качестве опорных могут с одинаковым успехом использоваться генераторы треугольного и пилообразного напряжения. Какие различия будут у сигналов, сформированных двумя способами?

3. Промоделировав работу схемы во временной области при нескольких разных значениях V3, постройте график зависимости длительности выходных импульсов (коэффициента заполнения) от величины входного постоянного напряжения.

4. Промоделируйте работу для случая, когда V3 представляет собой сумму постоянной составляющей 0,1В и синуса амплитудой 50 мВ с частотой 125кГц. Объясните полученные результаты.

2. Восстановление исходного сигнала из ШИМ-сигнала

Как уже говорилось, одно из применений широтно-импульсной модуляции – это переход от напряжения к длительности импульса с целью последующего измерения этой длительности цифровым способом. Но в том случае, если ШИМ используется только в целях передачи информации о величине напряжения, возникает необходимость восстановить напряжение из ШИМ-сигнала.

Простейший способ – подать напряжение с широтно-импульсной модуляцией на фильтр низкой частоты. При подаче на вход ФНЧ периодического сигнала с периодом на его выходе будет присутствовать постоянная составляющая такого сигнала:

(1)

Если – это ШИМ-сигнал с амплитудой и длительность импульсов , то:

(2)

Таким образом, прямо пропорционально коэффициенту заполнения (отношению длительности импульса к периоду). Однако, в силу того, что реальный ФНЧ частично пропускает и высокочастотные составляющие ШИМ-сигнала, на выходе фильтра будут присутствовать и пульсации (рисунок 7).

Простейшим ФНЧ является RC-цепочка (рисунок 8, файл PWM002.ckt). Она характеризуется постоянной времени и частотой среза . Казалось бы, для улучшения подавления ВЧ составляющих ШИМ-сигнала достаточно уменьшить частоту среза такого ФНЧ, т.е., увеличить постоянную времени . Однако, такое решение дает лишь незначительное уменьшение пульсаций, за которое приходится расплачиваться существенным увеличением переходный процессов при изменении скважности сигнала. (Для ФНЧ 1-го порядка, переходная характеристика достигает 95% конечного значения за время приблизительно равное , 99% – за , 99,9% – за , 99,99% – за ).

Рисунок 7. Фильтрация ШИМ-сигнала идеальным и реальным ФНЧ

Рисунок 8. Выделение постоянной составляющей ШИМ-сигнала с помощью

ФНЧ первого порядка

Более эффективным может быть использование фильтров с той же частотой среза, но более высоких порядков. По сравнению с ФНЧ 1-го порядка такие фильтры имеют более крутой спад частотной характеристики, а значит, обеспечивают и лучшее подавление ВЧ-составляющих. При этом время переходного процесса при изменении скважности ШИМ-сигнала увеличивается незначительно. На рисунке 9 приведена схема с использованием активного ФНЧ Баттерворта 3-го порядка, реализованного на базе операционных усилителей (файл PWM003.ckt). Источник напряжения V1 является источником ШИМ-сигнала, а источники V2 и V3 используются для питания операционных усилителей активного фильтра. (Полную техническую документацию на ОУ MCP604 см. в файле mcp604.pdf).

1.4. Тиристоры

1.4.1. Принцип действия тиристора

1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора

1.4.3. Динамические характеристики тиристора

1.4.4. Типы тиристоров

1.4.5. Запираемые тиристоры

2. Схемы управления электронными ключами

2.1. Общие сведения о схемах управления

2.2. Формирователи импульсов управления

2.3. Драйверы управления мощными транзисторами

3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов

3.1. Электромагнитные компоненты

3.1.1. Гистерезис

3.1.2. Потери в магнитопроводе

3.1.3. Сопротивление магнитному потоку

3.1.4. Современные магнитные материалы

3.1.5. Потери в обмотках

3.2. Конденсаторы для силовой электроники

3.2.1. Конденсаторы семейства мку

3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы

3.2.3. Танталовые конденсаторы

3.2.4. Пленочные конденсаторы

3.2.5. Керамические конденсаторы

3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах

3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей

3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей

4. Принципы управления силовыми электронными ключами

4.1. Общие сведения

4.2. Фазовое управление

4.3. Импульсная модуляция

4.4. Микропроцессорные системы управления

5. Преобразователи и регуляторы напряжения

5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.

5.2. Трехфазные выпрямители

5.3. Эквивалентные многофазные схемы

5.4. Управляемые выпрямители

5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя

5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях

6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения

6.1. Импульсный регулятор напряжения

6.1.1. Импульсный регулятор с шим

6.1.2. Импульсный ключевой регулятор

6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя

6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения

6.2.3. Инвертирующий преобразователь

6.3. Другие разновидности преобразователей

7. Инверторы преобразователей частоты

7.1. Общие сведения

7.2. Инверторы напряжения

7.2.1. Автономные однофазные инверторы

7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения

7.3. Трёхфазные автономные инверторы

8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях

8.1. Общие сведения

8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах

8.2.1. Инверторы напряжения

8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения

8.3. Инверторы тока

8.4. Модуляция пространственного вектора

8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока

8.5.1. Инвертирование

8.5.2. Выпрямление

9. Преобразователи с сетевой коммутацией

10. Преобразователи частоты

10.1. Преобразователь с непосредственной связью

10.2. Преобразователи с промежуточным звеном

10.3.1. Двухтрансформаторная схема

10.3.3. Схема каскадных преобразователей

11. Резонансные преобразователи

11.2. Преобразователи с резонансным контуром

11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки

11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки

11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром

11.4. Преобразователи класса е

11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения

12. Нормативы на показатели качества электрической энергии

12.1. Общие сведения

12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей

12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей

12.4. Корректор коэффициента мощности

13. Регуляторы переменного напряжения

13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах

13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах

Вопросы для самоконтроля

14. Новые методы управления люминесцентными лампами

Вопросы для самоконтроля

Заключение

Библиографический список

620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева,30

8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях

8.1. Общие сведения

Принципы импульсного управления и модуляции рассмотрены в гл. 4 на при­мере простейшей схемы регулятора постоянного тока. При этом даны определе­ния основных видов импульсной модуляции, используемых в теории линейных импульсных систем, которые соответствуют практике управления импульсными преобразователями постоянного тока.

Однако широтно-импульсная модуляция напряжений или токов в преобразова­телях переменного тока имеет в силовой электронике несколько иное определе­ние, учитывающее особенности ШИМ при решении задач преобразования элект­роэнергии на переменном токе. Согласно определению МЭК 551-16-30, широтно- импульсной модуляцией называется импульсное управление, при котором ширина или частота импульсов или и та и другая модулируются в пределах периода основ­ной частоты для того, чтобы создать определенную форму кривой выходного напряжения. В большинстве случаев ШИМ осуществляется в целях обеспечения синусоидальности напряжения или тока, т. е. снижения уровня высших гармоник относительно основной (первой) гармоники, и называется синусоидальной. Разли­чают следующие основные методы обеспечения синусоидальности: аналоговая ШИМ и ее модификации; избирательное (селективное) подавление высших гармоник; гистерезисная или дельта-модуляция;

модуляция пространственного вектора.

Классическим вариантом организации аналоговой синусоидальной ШИМ явля­ется изменение ширины импульсов, формирующих выходное напряжение (ток) посредством сравнения сигнала напряжения заданной формы, называемого опор­ным или эталонным, с сигналом напряжения треугольной формы, имеющим более высокую частоту и называемым несущим сигналом. Опорный сигнал является модулирующим и определяющим требуемую форму выходного напряжения (тока). Существует много модификаций этого метода, в которых модулирующие сигналы представлены специальными функциями, отличными от синусоиды. В конспекте лекций будет рассмотрено несколько основных схем поясняющих эти методы ШИМ.

Метод избирательного подавления высших гармоник в настоящее время успешно реализуется средствами микропроцессорных контроллеров на основе программного обеспечения. Гистерезисная модуляция основана на принципах релейного «слежения» за опорным сигналом, например, синусоидальной формы. В простейшем техниче­ском исполнении этот метод сочетает принципы ШИМ и ЧИМ (частотно-импульсной модуляции). Однако посредством специальных схемотехнических мер можно стабилизировать частоту модуляции или ограничить диапазон ее изменения.

Метод модуляции пространственного вектора основан на преобразовании трехфазной системы напряжения в двухфазную и получении обобщенного про­странственного вектора. Величина этого вектора рассчитывается в моменты, определяемые основной и модулирующей частотами. Он считается весьма пер­спективным для управления трехфазными инверторами, в частности, при исполь­зовании их в электроприводе. В то же время он во многом сходен с традиционной синусоидальной ШИМ.

Системы управления на основе ШИМ позволяют не только обеспечить синусо­идальную форму усредненных значений основной гармоники напряжения или тока, но и управлять значениями ее амплитуды, частоты и фазы. Так как в этих случаях в преобразователе используются полностью управляемые ключи, то становится возможным реализовать работу преобразователей переменного (постоянного) тока совместно с сетью переменного тока во всех четырех квадрантах в режимах как выпрямления, так и инвертирования с любым заданным значением коэффициента мощности основной гармоники cosφ в диапазоне от -1 до 1. Более того, с увеличе­нием несущей частоты расширяются возможности воспроизведения на выходе инверторов тока и напряжения заданной формы. Это позволяет создавать актив­ные фильтры для подавления высших гармоник.

Основные определения, используемые при дальнейшем изложении, рассмот­рим на примере применения первого метода в однофазной полу мостовой схеме инвертора напряжения (рис. 8.1, а ). В этой условной схеме ключи S 1 и S 2 пред­ставлены полностью управляемыми коммутационными элементами, дополнен­ными последовательно и параллельно соединенными с ними диодами. Последова­тельные диоды отражают однонаправленную проводимость ключей (например, транзисторов или тиристоров), а параллельные обеспечивают проводимость обратных токов при активно-индуктивной нагрузке.

Диаграммы опорного, модулирующего u M (θ) и несущего u H (θ) сигналов приве­дены на рис. 8.1, б . Формирование импульсов управления ключами S 1 и S 2 осу­ществляется по следующему принципу. При u M (θ) > u H (θ) ключ S 1 включен, a S 2 выключен. При u M (θ) < u H (θ) состояния ключей изменяются на противоположные: S 2 - включен, a S 1 - выключен. Таким образом, на выходе инвертора формиру­ется напряжение в виде двух полярных импульсов. В реальных схемах для исключе­ния одновременной проводимости ключей S 1 и S 2 следует предусматривать опреде­ленную задержку между моментами формирования сигналов на включение этих ключей. Очевидно, что ширина импульсов зависит от соотношения амплитуд сигна­лов u M (θ) и u H (θ). Параметр, характеризующий это соотношение, называется индексом амплитудной модуляции и определяется по формуле (8.1):

, (8.1.)

где U M m и U H m - максимальные значения модулирующего сигнала u M (θ) и несущего сигнала u H (θ) соответственно.

Рис. 8.1. Однофазный полу мостовой инвертор напряжения: а – схема; б – диаграммы напряжения при импульсной модуляции

Частота несущего сигнала u H (θ) равна частоте коммутации f H ключей S 1 и S 2 и обычно значительно превышает частоту модулирующего сигнала f M . Соотношение частот f H и f M является важным показателем эффективности процесса модуляции и называется индексом частотной модуляции, который определяется по формуле (8.2):

При малых значениях M f сигналы u M (θ) и u H (θ) должны быть синхронизированы, чтобы избежать появления нежелательных субгармоник. В в качестве максимального значения My , определяющего необходимость синхронизации, уста­навливается М f = 21. Очевидно, что при синхронизированных сигналах и коэффициент M f является постоянной величиной.

Из диаграммы на рис. 8.1 видно, что амплитуда первой гармоники выходного напряжения U am 1 может быть с учетом (8.1) представлена в следующем виде (8.3):

(8.3)

Согласно (8.3) при М a = 1 амплитуда первой гармоники выходного напряжения равна высоте прямоугольника полуволн U d /2. Характерная зависимость относи­тельного значения первой гармоники выходного напряжения от значения М a пред­ставлена на рис. 8.2, из которого видно, что изменение М a от 0 до 1 линейно и зависит от амплитуды U am 1 . Предельное значение величины М a определяется прин­ципом рассматриваемого вида модуляции, согласно которому максимальное зна­чение U am 1 ограничено высотой полуволны прямоугольной формы, равной U d /2. При дальнейшем увеличении коэффициента М a модуляция приводит к нелиней­ному возрастанию амплитуды U am 1 до максимального значения, определяемого формированием на выходе инвертора напряжения прямоугольной формы, которое в дальнейшем остается неизменным.

Разложение прямоугольной функции в ряд Фурье дает максимальное значение (8.4):

(8.4)

Эта величина ограничивается значением индекса М а, изменяющегося в диапа­зоне от 0 до примерно 3. Очевидно, что функция на интервале а-б значений от 1 до 3,2 является нелинейной (рис. 8.2). Режим работы на этом участке называется сверх модуляцией.

Значение M f определяется выбором частоты несущего сигнала u H (θ) и сущест­венно влияет на технические характеристики преобразователя. С ростом частоты увеличиваются коммутационные потери в силовых ключах преобразователей, но при этом улучшается спектральный состав выходного напряжения и упрощается реше­ние задачи фильтрации высших гармоник, обусловленных процессом модуляции. Важным фактором выбора значения f H во многих случаях является необходимость обеспечения его значения в звуковом диапазоне частоты более 20 кГц. При выборе f H следует также учитывать уровень рабочих напряжений преобразователя, его мощность и другие параметры.

Рис. 8.2. Зависимость относительного значе­ния амплитуды основной гармоники выход­ного напряжения от индекса амплитудной модуляции для однофазной полу мостовой схемы

Общей тенденцией здесь является рост значений M f преобразователей малой мощности и низких напряжений и наоборот. Поэтом выбор M f является многокритериальной оптимизационной задачей.

Импульсная модуляция со стохастическим процессом . Использование ШИМ в преобразователях связано с появлением высших гармоник в модулируе­мых напряжениях и токах. При этом в спектральном составе этих параметров наиболее значительные гармоники возникают на частотах, кратных индексу час­тотной модуляции M f и сгруппированных около них на боковых частотах гармо­ник с убывающими амплитудами. Высшие гармоники могут порождать следую­щие основные проблемы:

возникновение акустических шумов;

ухудшение электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими электротех­ническими устройствами или системами.

Основными источниками акустических шумов являются электромагнитные компоненты (дроссели и трансформаторы), на которые воздействуют ток и напря­жение, содержащие высшие гармоники с частотами звукового диапазона. Следует отметить, что шумы могут возникать на определенных частотах, где высшие гар­моники имеют максимальное значение. Факторы, вызывающие шумы, например явление магнитострикции, усложняют разрешение проблемы ЭМС. Проблемы с ЭМС могут возникать в широком частотном диапазоне в зависимости от критич­ности к уровню электромагнитных помех электротехнических устройств. Тради­ционно для снижения уровня шумов использовались конструктивные и технологи­ческие решения, а для обеспечения ЭМС применялись пассивные фильтры.

В качестве перспективного направления решения этих проблем рассматрива­ются методы, связанные с изменением характера спектрального состава модули­руемых напряжений и токов. Сущность этих методов состоит в выравнивании час­тотного спектра и снижении амплитуды явно выраженных гармоник за счет стохастического их распределения в широком частотном диапазоне. Такой прием иногда называется «размазыванием» частотного спектра. Концентрация энергии помех уменьшается на частотах, где гармоники могут иметь максимальные значе­ния. Реализация этих методов не связана с воздействием на компоненты силовой части преобразователей и в большинстве случаев ограничена программными средствами с незначительным изменением системы управления.

Рассмотрим кратко принципы реализации этих методов. В основе ШИМ лежит изменение коэффициента заполнения γ= t и / T n , где t и - длительность импульса; Т n - период его формирования. Обычно эти величины, а также положение импульса на интервале периода Т n являются постоянными в установившихся режимах. Результаты ШИМ определяются как интегральные усредненные значе­ния. В этом случае детерминированные значения t и и включая положение импульса, обусловливают неблагоприятный спектральный состав модулируемых параметров. Если этим величинам придать случайный характер при сохранении заданного значения γ, то процессы становятся стохастическими и спектральный состав модулируемых параметров изменяется. Например, такой случайный харак­тер можно придать положению импульса t и на интервале периода Т n или обеспе­чить стохастическое изменение последнего. Для этой цели может использоваться генератор случайных чисел, воздействующий на задающий генератор частоты модуляции f n =1/T n . Аналогичным образом можно изменять положение импульса на интервале Т n с математическим ожиданием, равным нулю. Усреднен­ное интегральное значение γ должно оставаться на заданном системой регулирова­ния уровне, в результате чего будет реализовано выравнивание спектрального состава высших гармоник в модулируемых напряжениях и токах.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные методы ШИМ для обеспечения синусоидальности тока или напряжения.

2. В чем отличие однополярной модуляции напряжения от двухполярной?

3. Перечислите основные параметры ШИМ.

4. С какой целью используется ШИМ со стохастическими процессами?