Что такое ШИМ; широтно-импульсная модуляция

Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция?

Микропроцессоры работают исключительно с цифровыми сигналами: с логическим нулем (0В) или с логической единицей (5В или 3.3В). По этой причине на выходе микропроцессор не может сформировать промежуточное напряжение. Применение для решения таких задач внешних ЦАП нецелесообразно из-за сложности. Специально для этого разработана широтно-импульсная модуляция — определенный процесс управления мощностью, идущей к нагрузке, методом изменения скважности импульсов постоянной частотности.

Действующие процессы

Используются чаще всего данные контроллеры для работы с альтернативными источниками энергии, к которым относятся:

  • ветровые установки;
  • модули с солнечными батареями;
  • блоки с гидротурбинами;
  • дизельные источники питания.

Это делает их востребованными в современных домах и предприятиях.

В мировой научной среде ШИМ расшифровывается как pulse-width modulation (PWM), что в переводе означает широтно-импульсную модуляцию. На деле это – операция управления мощностью, подходящей к потребителю, с помощью коррекции скважности импульсов с неизменной частотой.

Четырехканальный PWM -контроллер

ШИМ регулятор мощности встречается нескольких типов:

  • цифровой;
  • аналоговый;
  • с двумя уровнями;
  • с тремя уровнями.

ВИДЕО: Принцип работы ШИМ контроллера UC3843 в импульсном блоке питания

Признаки неисправности, их устранение

Перейдем к рассмотрению конкретных признаков неисправностей ШИМ контроллера.

Остановка сразу после запуска

Импульсный модулятор запускается, но сразу останавливается. Возможные причины: разрыв цепи обратной связи; блок питания перегружен по току; неисправны фильтровые конденсаторы на выходе.

Поиск проблемы: осмотр платы, поиск видимых внешних повреждений; измерение мультиметром напряжения питания микросхемы, напряжения на ключах (на затворах и на выходе), на выходных емкостях. В режиме омметра мультиметром надо измерить нагрузку стабилизатора, сравнить с типовым значением для аналогичных схем.

Импульсный модулятор не стартует

Возможные причины: наличие запрещающего сигнала на соответствующем входе. Информацию следует искать в даташите соответствующей микросхемы. Неисправность может быть в цепи питания ШИМ контроллера, возможно внутренне повреждение в самой микросхеме.

Шаги по определению неисправности: наружный осмотр платы, визуальный поиск механических и электрических повреждений. Для проверки мультиметром делают замер напряжений на ножках микросхемы и проверку их соответствия с данными в даташит, в случае необходимости, надо заменить ШИМ контроллер.

Проблемы с напряжением

Выходное напряжение существенно отличается от номинальной величины. Это может происходить по следующим причинам: разрыв или изменение сопротивления в цепи обратной связи; неисправность внутри контроллера.

Поиск неисправности: визуальное обследование схемы; проверка уровней управляющих и выходных напряжений и сверка их значений с даташит. Если входные параметры в норме, а выход не соответствует номинальному значению – замена ШИМ контроллера.

Отключение блока питания защитой

При запуске широтно-импульсного модулятора, блок питания отключается защитой. При проверке ключевых транзисторов короткое замыкание не обнаруживается. Такие симптомы могут свидетельствовать о неисправности ШИМ контроллера или драйвера ключей.

В этом случае нужно произвести замер сопротивлений между затвором и истоком ключей в каждой фазе. Заниженное значение сопротивления может указывать на неисправность драйвера. При необходимости делается замена драйверов.

Популярные модели

На рынке товаров, используемых для производства электрической энергии посредством использования альтернативных источников, представлено достаточно большое количество моделей контроллеров данного типа, различающихся по техническим характеристикам, стоимости и бренду производителя.

В настоящее время, среди пользователей, популярностью пользуются модели отечественных и зарубежных производителей, это:

  • Модель КЭС 100/20 MPPT (Россия) – рассчитана на максимальный ток заряда до 20 А, напряжение на выходе до 100 В.
  • Модель КЭС DOMINATOR MPPT 250/60 (Россия) – максимальный ток заряда до 60 А, напряжение на выходе до 250 В.
  • Модель Epsolar MPPT TRACER-2215BN 20А 12/24В (Китай) – максимальный ток заряда 20А, напряжение на выходе до 150 В.
  • Модель IT6415ND 60A 12V/24V/36 В (Китай) – максимальный ток заряда 60 А, напряжение на выходе до 150 В.
  • Модель Victron BlueSolar 100/15 12/24В 15А (Голландия) – максимальный ток заряда 15А, напряжение на выходе 100 В.
  • Модель Victron BlueSolar 150/70 12/24/48В 70А (Голландия) – максимальный ток заряда 70 А, напряжение на выходе 150 В.

Кроме выше приведенных моделей, к реализации предлагается еще большое количество устройств данного типа, поэтому есть возможность выбрать модель, отвечающую предъявляемым к ней требованиям и личным предпочтениям пользователя.

Способы подключения контроллеров

Перед подключением необходимо убедиться, что напряжение солнечных панелей не превышает номинал контроллера. Если оно больше, надо сменить прибор на более мощный, способный работать с высокими показателями тока и напряжения.

Перед началом работ надо выделить для установки контроллера место с соответствующими условиями — сухое, чистое, отапливаемое. Не должно быть контакта с солнечными лучами, не допускается наличие поблизости механизмов, создающих вибрацию.

Порядок подключения контроллеров PWM состоит из следующих этапов:

  • присоединение аккумуляторов к соответствующим клеммам прибора. Важно проследить за соблюдением полярности
  • в точке подключения плюсового провода необходимо установить предохранитель
  • к соответствующим контактам подключить провода от солнечных панелей, соблюдая полярность
  • на выход нагрузки включить сигнальную лампу

Важно! Нарушать эту последовательность нельзя. Если сначала подключить солнечные модули, можно вывести контроллер солнечного заряда из строя, поскольку ему будет некуда отдавать полученное напряжение.

Кроме этого, не допускается присоединение на контакты, предназначенные для соединения с нагрузкой, инвертора. Его можно присоединять только к блоку АКБ.

Принцип подключения этих контроллеров не отличается от вышеизложенного, но могут потребоваться некоторые дополнения. Например, на мощных системах необходимо использовать кабель, выдерживающий плотность проходящего тока не менее 4 ампер на квадратный миллиметр сечения.

Перед присоединением рекомендуется еще раз выполнить несложный расчет (разделить максимальное значение силы тока на 4 и прибавить около 10-15 % на запас прочности). Это позволит обеспечить штатную работу коммутации, исключить нагрев и опасность возникновения пожара.

Перед началом подключения надо вынуть предохранители из солнечных панелей и блока АКБ. После соединения контроллера с аккумуляторами и солнечными модулями производится подключение заземляющего контура и датчика температуры. Проверяют правильность всех соединений, после чего обратно устанавливают предохранители и включают систему.

Простейшие контроллеры типа Откл/Вкл (или On/Off)

Контроллеры такого типа работают только на запуск или остановку зарядки АКБ при падении или повышении заряда. Они не учитывают дополнительные условия работы, не определяют оптимальный режим, выполняя только функции триггера, настроенного на переключение при достижении минимального и максимального значений.

Такие контроллеры в настоящее время сняты с производства и давно не используются, хотя в некоторых системах их еще можно встретить. Единственным достоинством можно назвать простоту схемы, делающую работу прибора надежной и устойчивой. Подключение выполняется путем присоединения входных и выходных проводов к аккумуляторам и солнечным панелям, никакой дополнительной коммутации не имеется.

Lenovo Z575 Wistron Z575 LZ575 переделка в режим UMA

Обыскал все форумы, литературу нашёл оригинальную и схему как это сделать, но вот незадача производитель не промаркировал , на плате резисторыR1722 -R1723? искал их долго и нудно, боардвьюшек нет, картинок местоположения нет, помог только один товарищ из Одессы, прислал искомое фото, оно было в низком разрешении (разобрать можно)так что переделал фото подписал, выкладываю сюда. Делитесь и пользуйтесь! Надеюсь кому-то поможет!

Читайте также  Как из футболки сделать топик

С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому [ источник не указан 268 дней ] , это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ».

Первый патент на однокристальную микроЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году [1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов [2] [3] [4] [5] . В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, микроархитектура которой получила название «Электроника НЦ».

На 2013 год существовало более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные, 16-битные и 32-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology, микроконтроллеры AVR фирмы Atmel (с 2016 года производятся также фирмой Microchip [6] ), 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров, упомянутых выше, на 2009 год мировой рейтинг по объёму продаж, по данным Gartner Group, выглядел иначе: первое место с большим отрывом занимала Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем шли Microchip и TI, далее все остальные [7] .

Принцип работы ШИМ[ | ]

Реализуемый в контроллерах широтно-импульсный модулятор состоит из двух блоков: линейного интегратора (И-звена) и трехпозиционного релейного элемента. Установленными при изготовлении изделия параметрами схемы являются: постоянная времени И-звена Ти и уровень сигнала на выходе релейного элемента ±А.

Широтно-импульсный модулятор генерирует последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной уровню сигнала на его входе. Параметр его настройки, т.е. минимальная длительность импульса, устанавливается с помощью зоны нечувствительности релейного элемента широтно-импульсного модулятора. [2]

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[3].

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-овой 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.

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подымпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подымпульсов. Цифровая ШИМ — приближение бинарного сигнала (с двумя уровнями — вкл

/
выкл
) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t 2 − t 1 -t_<1>> были бы приблизительно равны.

Формально это можно записать так:

где x ( t ) — входной сигнал в пределах от t1

Принцип работы ШИМ[ | ]

Реализуемый в контроллерах широтно-импульсный модулятор состоит из двух блоков: линейного интегратора (И-звена) и трехпозиционного релейного элемента. Установленными при изготовлении изделия параметрами схемы являются: постоянная времени И-звена Ти и уровень сигнала на выходе релейного элемента ±А.

Широтно-импульсный модулятор генерирует последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной уровню сигнала на его входе. Параметр его настройки, т.е. минимальная длительность импульса, устанавливается с помощью зоны нечувствительности релейного элемента широтно-импульсного модулятора. [2]

Читайте также  Как вязать сети

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[3].

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-овой 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.

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подымпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подымпульсов. Цифровая ШИМ — приближение бинарного сигнала (с двумя уровнями — вкл

/
выкл
) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t 2 − t 1 -t_<1>> были бы приблизительно равны.

Формально это можно записать так:

где x ( t ) — входной сигнал в пределах от t1