Широтно-импульсная модуляция
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM, pulse width modulation) использует цифровые сигналы для управления приложениями питания, а также достаточно проста для преобразования обратно в аналоговую форму с минимальным количеством аппаратного обеспечения.
Аналоговые системы, такие как линейные источники питания склонны генерировать большое количество тепла, поскольку они, по сути, представляют собой переменные резисторы, через которые проходит большой ток. Цифровые системы обычно не генерируют столько тепла. Почти всё генерирование тепла переключающим устройством происходит во время переходного процесса (который происходит быстро), когда устройство не открыто (включено) и не закрыто (выключено), а находится между ними. Это потому, что мощность равна:
\(P=VI \text{, или Мощность = Напряжение x Ток}\)
Если напряжение или ток близки к нулю, то и мощность будет близка к нулю. ШИМ в полной мере использует этот факт.
ШИМ может обладать многими характеристиками аналоговой системы управления, так как цифровой сигнал может иметь свободный ход. ШИМ не должен собирать данные, хотя есть и исключения, более высокоуровневые контроллеры.
Коэффициент заполнения
Одним из параметров любого прямоугольного сигнала является коэффициент заполнения. У большинства прямоугольных сигналов он составляет 50%, это нормально, но сигналы не обязательно должны быть симметричными. Время состояния «открыт» (включен) может варьироваться от полностью выключенного сигнала до полного включения, от 0% до 100%, и принимать любые значения во всем диапазоне.
Ниже показаны примеры коэффициента заполнения 10%, 50% и 90%. Хотя частоты у сигналов одинаковы, это не является обязательным требованием.
Причина популярности ШИМ проста. У многих нагрузок, таких как резисторы, отклик (реакция) пропорционален потребляемой мощности. То есть преобразование между ними простое. Но, например, у светодиодов отклик (реакция) на ток очень не линейна, подав на светодиод половину его номинального тока, вы всё равно получите больше половины светового потока, который может излучать светодиод. С ШИМ уровень света, производимый светодиодом, очень линеен. Двигатели, о которых будет рассказано позже, также хорошо реагируют на ШИМ.
Одним из нескольких способов получения ШИМ сигнала является использование пилообразного сигнала и компаратора. Как показано ниже, пилообразный (или треугольный) сигнал не обязательно должен быть симметричным, но при этом важна линейность формы сигнала. Частота пилообразного сигнала соответствует частоте дискретизации сигнала.
Если не требуется никаких вычислений, то ШИМ может быть быстрым. Ограничивающим фактором является частотная характеристика компаратора. Это может не быть проблемой, так как в основных применениях используется довольно низкая скорость. Некоторые микроконтроллеры имеют встроенный ШИМ и могут записывать или создавать необходимые сигналы.
Область использования ШИМ довольно широка. ШИМ является сердцем усилителей класса D, где, увеличивая напряжение, вы увеличиваете максимальную выходную мощность, а частоту ШИМ выбираете за пределами человеческого слуха (обычно 44 кГц). Динамики не реагируют на высокие частоты, но повторяют низкие частоты, которые являются аудиосигналами. Для еще большей точности могут быть использованы более высокие частоты дискретизации, 100 кГц или более так же не слышны.
Еще одно популярное применение ШИМ – управление скоростью двигателя. Двигатели, как класс нагрузок, для работы требуют очень больших токов. Возможность изменять их скорость с помощью ШИМ значительно повышает эффективность всей системы. ШИМ более эффективны при управлении частотой вращения двигателя при низких оборотах, чем линейные методы.
H-мосты
ШИМ часто используется в сочетании с H-мостом. Эта схема названа так, потому что она напоминает букву H и позволяет удвоить эффективное напряжение на нагрузке, поскольку источник питания можно переключать в обе стороны от нагрузки. В случае индуктивных нагрузок, таких как двигатели, для подавления индуктивных пиков, способных повредить транзисторы, используются диоды. Индуктивность в двигателе также имеет тенденцию устранять высокочастотную составляющую сигнала. Данная схема также может использоваться с динамиками для аудиоусилителей класса D.
Несмотря на простоту, схема H-моста имеет один серьезный недостаток, при переходе между полевыми транзисторами возможен одновременный запуск обоих транзисторов сверху и снизу моста, что позволит полностью нагрузить блок питания. Это условие называется прострел (shoot through) и может возникнуть с любым типом транзисторов, используемых в H-мосте. Если источник питания достаточно мощный, транзисторы выйдут из строя. Поэтому перед транзисторами используются драйверы, которые запирают один транзистор перед тем, как открыть другой.
Импульсные источники питания
Импульсные источники питания (ИИП) также могут использовать ШИМ, хотя существуют и другие методы. Добавление схем, которые используют накопленную энергию в катушках индуктивности и конденсаторах, после основных переключающих компонентов может значительно повысить эффективность этих устройств, в некоторых случаях превышая 90%. Ниже приведен пример такой схемы.
Эффективность в этом случае измеряется как мощность. Если у вас есть импульсный источник питания с КПД 90%, и он преобразует 12 В постоянного напряжения в 5 В постоянного напряжения с током 10 ампер, то на стороне 12 В он будет потреблять ток примерно 4,6 А. 10% (5 Вт) будут выделяться в виде тепла. Будучи немного шумнее, этот тип стабилизаторов будет работать намного холоднее, чем его линейный аналог.