Непонимание работы ШИМ или PWM ( Pulse-width modulation ) часто приводит не только к их неправильному использованию, но даже к ошибкам в проектировании устройств использующих ШИМ для управления. Здесь, ограничившись конкретным применением, я попытаюсь рассказать что такое ШИМ, для чего она требуется и как работает.
Сначала, что такое ШИМ.
| Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. |
Когда нужна ШИМ
Главной причиной применения ШИМ является необходимость обеспечить пониженным постоянным напряжением силовых устройств электроники при сохранении высокого КПД, особенно в управляемых электроприводах.
Во внутренних сетях аппаратуры для питания устройств используется постоянное напряжение ограниченного набора напряжений, которые часто требуется изменить под требования конкретного устройства, стабилизировать или регулировать его. Это могут быть электроприводы постоянного тока, чипы, узлы радиоаппаратуры.
Контроллер скорости, ШИМ на лодочный электромотор
Регулировку можно осуществлять с помощью гасящих напряжение устройств: резисторов, транзисторов (если требуется регулировка). Главный недостаток такого решения потери мощности и повышенное тепловыделение на регулирующих устройствах.
Поскольку известно что выделяемая мощность равна :
P = I x U или P = I 2 x R Вт.
то чем больше ток I в цепи и падение напряжения U , тем больше потери мощности. Здесь R — величина сопротивления регулирующего элемента.
Представьте что требуется погасить хотя бы 3 V при токе нагрузки 10 A , это уже 30 Вт истраченных в пустую. А каждый ватт теряемой мощности не только снижает продолжительность работы источников питания, но и требует дополнительного оборудования для вывода выделяемого, этой мощностью, тепла.
Это относится к гасящим резисторам и полупроводниковым приборам тоже.
Но хорошо известно, что полупроводниковые приборы очень хорошо (с малыми потерями и тепловыделением) работают как ключи, когда имеют только два состояния открыт/закрыт.
Этот режим позволяет снизить потери на коммутирующем полупроводниковом приборе до уровня:
U нас для современных полупроводниковых коммутаторов приближается к 0,3 v и при потребляемых токах 10 А потери мощности будут приближаться к 3 Вт. Это в режиме ключа, а при работе в устройствах ШИМ и меньше.
| В ШИМ в качестве ключевых элементов использует полупроводниковые приборы 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. |
Что лучше использовать для регулировки скорости вращения двигателя, ШИМ или регулятор напряжения
Реализовать преимущества ключевого режима в схемах понижающих и регулирующих напряжение постоянного тока, позволило использование ШИМ.
Повторюсь, широтно-импульсная модуляция — управление средним значением напряжения на интегрирующей нагрузке путём изменения скважности импульсов, с помощью управляющего ключа.
Работа ШИМ на интегрирующую нагрузку показана на рис. 1.
Главным условиям такого применения ШИМ является наличие интегрирующей нагрузки.
Потому что амплитудное значение напряжения равно E .
Это могут быть интегрирующая RC, LC, RLC или RL цепи и механические интеграторы (например электромотор).
При работе ШИМ на интегрирующей нагрузке напряжение — эквивалентное постоянное напряжение изменяется в зависимости от скважности ( Q ) импульсов.
здесь: Q — скважность, t и — длительность импульса, T — период следования импульсов.
С учетом скважности эквивалентное постоянное напряжение будет равно:
E экв = Q x E Вольт
здесь: E экв — эквивалентное постоянное напряжение ( Вольт ), Q — скважность, E — напряжение источника от которого запитан ШИМ преобразователь ( Вольт ).
Реально на зажимы нагрузки ШИМ подается напряжение равное E , а работа совершаемая электрическим током (или число оборотов электродвигателя) определяется именно E экв . При восстановлении на интегрирующем конденсаторе получаем именно напряжение E экв.
Мощность выделяемая на управляющем ключе, управляемом ШИМ равна:
Схема подключения нагрузки к ШИМ.
Никаких отличных от схемы включения электродвигателя на постоянном токе (частный случай нагрузки) схемных решений ШИМ не требует. Просто электродвичатель подключается к источнику питания работающего в режиме ШИМ. Разве что, в определенных ситуациях требуется ввести дополнительную фильтрацию помех возникающих на фронтах импульсов. Этот фильтр на рис. 2 в виде конденсаторов и демпфирующего диода.
На рис. 2 показано такое подключение.
ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока
Схема качественного и надёжного 12 В регулятора скорости электродвигателей и по совместительству диммера.
Эта самодельная схема может быть использована в качестве регулятора скорости для двигателя постоянного тока 12 В с номинальным током до 5 А или как диммер для 12 В галогенных и светодиодных ламп мощностью до 50 Вт. Управление идёт с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при частоте следования импульсов около 200 Гц. Естественно частоту можно при необходимости изменить, подобрав по максимальной стабильности и КПД.
Большинство подобных конструкций собирается по гораздо более простой схеме. Здесь же представляем более усовершенствованный вариант, который использует таймер 7555, драйвер на биполярных транзисторах и мощный полевой MOSFET. Такая схематика обеспечивает улучшенное регулирование скорости и работает в широком диапазоне нагрузки. Это действительно очень эффективная схема и стоимость её деталей при покупке для самостоятельной сборки довольно низкая.
Схема ШИМ регулятора для мотора 12 В
В схеме используется Таймер 7555 для создания переменной ширины импульсов около 200 Гц. Он управляет транзистором Q3 (через транзисторы Q1 — Q2), который контролирует скорость электро двигателя или ламп освещения.
Есть много применений для этой схемы, которые будут питаться от 12 В: электродвигатели, вентиляторы или лампы. Использовать её можно в автомобилях, лодках и электротранспортных средствах, в моделях железных дорог и так далее.
Светодиодные лампы на 12 В, например LED ленты, тоже можно смело сюда подключать. Все знают, что светодиодные лампы гораздо более эффективны, чем галогенные или накаливания, они прослужит намного дольше. А если надо — питайте ШИМ-контроллер от 24 и более вольт, так как сама микросхема с буферным каскадом имеют стабилизатор питания.
Источник: tehnoobzor.com
ШИМ-контроллер для лодочного электромотора. Доработка по итогам испытаний. #fishing #рыбалка 32:18
Здравствуйте уважаемые братья по увлечению! В этом выпуске «РЫБОЛОВНАЯ МАСТЕРСКАЯ», я продолжаю обзор на мое недавнее приобретение — ШИМ-контроллер, который используется для управления лодочным электромотором Watersnake. Прошлый сезон эксплуатации выявил ряд существенных проблем, которые необходимо было срочно устранить.
Какие это недостатки и метод их устранения, смотрите в этом ролике. 00:00 — 01:36 вступление. 01:36 — 03:15 обзор корпуса контроллера. 03:15 — 07:26 обзор комплектующих элементов управления и контроля. 07:26 — 09:58 описание проблемы.
09:58 — 13:37 преимущества ШИМ-контроллера, варианты подключения. 13:37 — 16:23 схема подключения «Байпас» 16:23 — 17:30 демонстрация расхода энергии с ШИМ контроллером. 17:30 — 18:22 как переключаются контуры с помощью «Байпас» 18:22 — 19:01 установка защиты электрической цепи от короткого замыкания. 19:01 — 21:23 устройство отвода тепла с платы контроллера. 21:23 — 23:50 рекомендации по выбору проводов.
23:50 — 25:33 варианты установки блока управления на ПВХ-лодку. 25:33 — 29:55 демонстрация размещения элементов в корпусе. 29:55 — 32:18 заключение. Ссылки на используемые элементы: 20 шт.
L4Y 6 мм, медный круглый соединительный клеммный наконечник, для провода 2,6-6 мм.кв. — _ga=2.3568883.251085218.1617617290-182585609.1617296102sku_id=65976082695 Подвесной держатель крепление (лик-паз) — scm_id=1007.33958.210224.0pvid=6487ae06-5452-4063-846f-0d55885aefda_ga=2.237852995.251085218.1617617290-182585609.1617296102 4 шт., радиаторы алюминиевые для LV8729 TMC2100 DRV8825, — _ga=2.201727314.251085218.1617617290-182585609.1617296102scm=1007.33958.210224.0scm-url=1007.33958.210224.0_t=gps-id:aerPdpSubstituteRcmd,scm-url:1007.33958.210224.0,pvid:445cbc86-75d4-4ed9-b612-320e0655781a,tpp_buckets:21387%230%23218179%230sku_id=65221132474 Комплект из 164 шт., термоусадочная трубка из полиолефина, — _ga=2.239425856.251085218.1617617290-182585609.1617296102 12 В автоматический выключатель — _ga=2.24540409.251085218.1617617290-182585609.1617296102 GT Power LCD RC 130A ватт-метр, анализатор мощности, балансировка батареи, амперметр — _ga=2.225988825.251085218.1617617290-182585609.1617296102 Водонепроницаемый и пыленепроницаемый распределительный ящик, корпус из АБС — _ga=2.3544307.251085218.1617617290-182585609.1617296102sku_id=10000001887680598
Категории: Хобби и стиль
Теги: _ga, шт, _gasku_id, управления, по, на, обзор, мм, из, шимконтроллер, шим
Источник: cavmag.ru