Схеми шим. ШИМ-регулятор

ШИМ регулятор призначений для регулювання швидкості обертання полярного двигуна, яскравості освітлення лампочки або потужністю нагрівального елемента.

Переваги:
1 Простота виготовлення
2 Доступність компонентів (вартість не перевищує 2 $)
3 Широке застосування
4 Для новачків зайвий раз потренуватися і порадувати себе =)

Якось знадобився мені "девайс" для регулювання швидкості обертання кулера. Навіщо саме вже не пам'ятаю. Спочатку пробував через звичайний змінний резистор, він сильно грівся і це було неприйнятно для мене. У результаті покопавшись в інтернеті, знайшов схему на мені вже знайомій мікросхемі NE555. Це була схема звичайного ШІМ регулятора зі шпаруватістю (тривалістю) імпульсів рівною або менше 50% (пізніше наведу графіки як це працює). Схема виявилася дуже простою і не вимагала налаштування, головне було не накосити з підключенням діодів та транзистора. Перший раз його зібрав на макетній платі і випробував, все запрацювало з півоберту. Пізніше вже розвів невелику друковану плату і акуратніше все виглядало. Ну тепер поглянемо на саму схему!

Схема ШІМ регулятора

З неї ми бачимо, що це звичайний генератор з регулятором шпаруватості імпульсів зібраний за схемою з даташиту. Резистором R1 ми і змінюємо цю шпаруватість, резистор R2 служить нам захистом від КЗ, так як 4 виведення мікросхеми через внутрішній ключ таймера підключений на землю і при крайньому положенні R1 він просто замкне. R3 - це підтягуючий резистор. С2 це конденсатор, що задає частоту. Транзистор IRFZ44N – це N канальний мосфет. D3 - це захисний діод, який запобігає виходу з ладу полівика при обриві навантаження. Тепер трохи про шпаруватість імпульсів. Скважність імпульсу - це відношення його періоду проходження (повторення) до тривалості імпульсу, тобто через певний проміжок часу відбуватиметься перехід від (грубо кажучи) плюсу до мінусу, а точніше від логічної одиниці до логічного нуля. Так от цей проміжок часу між імпульсами і є та сама шпаруватість.

Добре при середньому положенні R1

Добре при крайньому лівому положенні R1

Добре при крайньому правому положенні R

Нижче наведу друковані плати з розташуванням деталей та без них

Тепер трохи про деталі та їхній вигляд. Сама мікросхема виконана в DIP-8 корпусі, керамічні конденсатори малогабаритні, резистори на 0,125-0,25 ват. Діоди звичайні випрямляючі на 1А (найдоступніше це 1N4007 їх скрізь навалом). Також мікросхему можна встановлювати на панельку, якщо в майбутньому ви хочете її використовувати в інших проектах і зайвий раз не випоювати її. Нижче наведу фотографії деталей.

Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) – це спосіб перетворення сигналу, у якому змінюється тривалість імпульсу (шпаруватість), а частота залишається константою. В англійській термінології позначається як PWM (pulse-width modulation). У цій статті докладно розберемося, що таке ШІМ, де вона застосовується та як працює.

Галузь застосування

З розвитком мікроконтролерної техніки перед ШІМ відкрилися нові можливості. Цей принцип став основою для електронних пристроїв, що вимагають як регулювання вихідних параметрів, так і підтримки їх на заданому рівні. Метод широтно-імпульсної модуляції застосовується зміни яскравості світла, швидкості обертання двигунів, соціальній та управлінні силовим транзистором блоків живлення (БП) імпульсного типу.

Широтно-імпульсна (ШІ) модуляція активно використовується у побудові систем керування яскравістю світлодіодів. Завдяки низькій інерційності, світлодіод встигає перемикатися (спалахувати і гаснути) на частоті кілька десятків кГц. Його робота у імпульсному режимі сприймається людським оком як постійне світіння. У свою чергу, яскравість залежить від тривалості імпульсу (відкритого стану світлодіода) протягом одного періоду. Якщо час імпульсу дорівнює часу паузи, тобто коефіцієнт заповнення – 50%, то яскравість світлодіода становитиме половину номінальної величини. З популяризацією світлодіодних ламп на 220В постало питання про підвищення надійності їх роботи при нестабільній вхідній напрузі. Рішення було знайдено у вигляді універсальної мікросхеми - драйвера живлення, що працює за принципом широтно-імпульсної або частотно-імпульсної модуляції. Схему на базі одного з таких драйверів детально описано.

Подане на вхід мікросхеми драйвера мережна напруга постійно порівнюється з внутрішньосхемною опорною напругою, формуючи на виході сигнал ШІМ (ЧІМ), параметри якого задаються зовнішніми резисторами. Деякі мікросхеми мають висновок для подання аналогового чи цифрового сигналу керування. Таким чином, роботою імпульсного драйвера можна керувати за допомогою іншого ШІ-перетворювача. Цікаво, що на світлодіод надходять не високочастотні імпульси, а згладжений дроселем струм, який є обов'язковим елементом таких схем.

Масштабне застосування ШІМ відображено у всіх LCD панелях зі світлодіодним підсвічуванням. На жаль, у LED моніторах більшість ШІ-перетворювачів працює на частоті в сотні Герц, що негативно відбивається на зорі користувачів ПК.

Мікроконтролер Ардуїно також може функціонувати в режимі ШІМ контролера. Для цього слід викликати функцію AnalogWrite() із зазначенням у дужках значення від 0 до 255. Нуль відповідає 0В, а 255 – 5В. Проміжні значення розраховуються пропорційно.

Повсюдне поширення пристроїв, що працюють за принципом ШІМ, дозволило людству уникнути трансформаторних блоків живлення лінійного типу. Як результат – підвищення ККД та зниження у кілька разів маси та розмірів джерел живлення.

ШИМ-контролер є невід'ємною частиною сучасного імпульсного блоку живлення. Він керує роботою силового транзистора, розташованого в первинному ланцюзі імпульсного трансформатора. За рахунок наявності ланцюга зворотний зв'язок напруга на виході БП завжди залишається стабільним. Найменше відхилення вихідної напруги через зворотний зв'язок фіксується мікросхемою, яка миттєво коригує шпару керуючих імпульсів. Крім цього сучасний ШІМ-контролер вирішує низку додаткових завдань, що сприяють підвищенню надійності джерела живлення:

забезпечує режим плавного запуску перетворювача;
обмежує амплітуду та шпаруватість керуючих імпульсів;
контролює рівень вхідної напруги;
захищає від короткого замикання та перевищення температури силового ключа;
при необхідності переводить пристрій на черговий режим.

Принцип роботи ШІМ контролера

Завдання ШИМ контролера полягає у керуванні силовим ключем рахунок зміни управляючих імпульсів. Працюючи у ключовому режимі, транзистор знаходиться в одному з двох станів (повністю відкритий, повністю закритий). У закритому стані струм через p-n-перехід вбирається у кілька мкА, отже, потужність розсіювання прагне нулю. У відкритому стані, незважаючи на великий струм, опір p-n-переходу надмірно мало, що також призводить до незначних теплових втрат. Найбільша кількість тепла виділяється у момент переходу з одного стану до іншого. Але рахунок малого часу перехідного процесу проти частотою модуляції, потужність втрат при перемиканні незначна.

Широтно-імпульсна модуляція поділяється на два види: аналогова та цифрова. Кожен із видів має свої переваги і схемотехнічно може реалізовуватися у різний спосіб.

Аналогова ШІМ

Принцип дії аналогового ШІ-модулятора ґрунтується на порівнянні двох сигналів, частота яких відрізняється на кілька порядків. Елементом порівняння є операційний підсилювач (компаратор). На один з його входів подають пилкоподібну напругу високої постійної частоти, а на інший - низькочастотна модулююча напруга зі змінною амплітудою. Компаратор порівнює обидва значення і на виході формує прямокутні імпульси, тривалість яких визначається поточним значенням сигналу, що модулює. При цьому частота ШІМ дорівнює частоті сигналу пилкоподібної форми.

Цифрова ШІМ

Широтно-імпульсна модуляція у цифровій інтерпретації є однією з численних функцій мікроконтролера (МК). Оперуючи виключно цифровими даними, МК може формувати на виходах або високий (100%), або низький (0%) рівень напруги. Однак у більшості випадків для ефективного управління навантаженням напругу на виході МК необхідно змінювати. Наприклад, регулювання швидкості обертання двигуна, зміна яскравості світлодіода. Що робити, щоб отримати на виході мікроконтролера будь-яке значення напруги від 0 до 100%?

Питання вирішується застосуванням методу широтно-імпульсної модуляції та, використовуючи явище передискретизації, коли задана частота перемикання у кілька разів перевищує реакцію керованого пристрою. Змінюючи шпаруватість імпульсів, змінюється середнє значення вихідної напруги. Як правило, весь процес відбувається на частоті в десятки-сотні кГц, що дозволяє досягти плавного регулювання. Технічно це реалізується за допомогою ШІМ-контролера – спеціалізованої мікросхеми, яка є серцем будь-якої цифрової системи управління. Активне використання контролерів на основі ШІМ обумовлене їх незаперечними перевагами:

високої ефективності перетворення сигналу;
стабільність роботи;
економії енергії, що споживається навантаженням;
низька вартість;
високій надійності всього пристрою.

Отримати на висновках мікроконтролера ШІМ сигнал можна двома способами: апаратно та програмно. У кожному МК є вбудований таймер, здатний генерувати ШИМ імпульси на певних висновках. Так досягається апаратна реалізація. Отримання ШІМ сигналу за допомогою програмних команд має більше можливостей у плані роздільної здатності і дозволяє використовувати більшу кількість висновків. Однак, програмний спосіб веде до високого завантаження МК і займає багато пам'яті.

Примітно, що цифровий ШІМ кількість імпульсів у період може бути різним, а самі імпульси можуть бути розташовані в будь-якій частині періоду. Рівень вихідного сигналу визначається сумарною тривалістю всіх імпульсів у період. При цьому слід розуміти, що кожен додатковий імпульс – це перехід силового транзистора з відкритого стану до закритого, що веде до зростання втрат під час перемикань.

Приклад використання ШІМ регулятора

Один з варіантів реалізації ШІМ простого регулятора вже описувався раніше. Він побудований на базі мікросхеми та має невелику обв'язку. Але, незважаючи на простату схеми, регулятор має досить широку сферу застосування: схеми управління яскравості світлодіодів, світлодіодних стрічок, регулювання швидкості обертання двигунів постійного струму.

Читайте також

Відмінне рішення для цифрового керування потужністю!

BTA100

Є в наявності

Купити оптом

Пристрій призначений для регулювання потужності навантаження до 10000 Вт в ланцюгах змінного струму з напругою 220 В. Пристрій побудований на базі потужного симістора BTA100та призначено для регулювання потужності електронагрівальних, освітлювальних приладів, колекторних та асинхронних електродвигунів змінного струму тощо. Застосування даного симістора дозволяє зменшити розмір радіатора охолодження. Завдяки широкому діапазону регулювання та великої потужності регулятор знайде широке застосування у побуті.

Технічні характеристики

Особливості

Плавне регулювання у всьому діапазоні потужності.
Велика потужність регулювання
Широкий діапазон робочої напруги
Детектор переходу через нуль
Кнопкове керування
Можливість рознесення плати керування від силової частини
Встановлено радіатор

Принцип роботи

Регулятор потужності використовує принцип ШІМ управління з детектором контролю фази переходу через нуль

Конструкція пристрою

Регулятор потужності виконаний у вигляді панелі управління, що вбудовується, з окремим силовим модулем.

Статті

Схеми

Комплект поставки

Модуль керування – 1 шт.
Силовий модуль – 1 шт.
Інструкція – 1 шт.

Що потрібно для збирання

Для підключення знадобиться: провід, викрутка, бокорізи.

Підготовка до експлуатації

Підключіть до клем «OUTPUT» лампу розжарювання.
Підключіть шнур живлення до контактів IN 220V.
Увімкніть вилку в мережу 220В.
Натисканням кнопок на панелі керування перевірте зміну яскравості лампи.
Перевірка завершена. Приємної експлуатації.

Умови експлуатації

Температура –30С до +50С. Відносна вологість 20-80% без утворення конденсату.

Запобіжні заходи

Модуль та клеми знаходяться під небезпечною напругою 220В.
Дотримуйтесь заходів безпеки, не торкайтеся контактів друкованої плати, доки модуль увімкнено в мережу 220В.

Питання та відповіді

Доброго дня. Збираюся придбати у Вас цифровий ШИМ регулятор потужності 220В / 10кВт (45А) і використовувати його як пристрій плавного пуску снігоприбирача з колекторним двигуном 3 kW. У зв'язку з цим у мене кілька питань про цей регулятор: 1. Чи буде коректно працювати регулятор, у тому сенсі, що регулювання буде плавним і без ривків? 2. Скільки контактів замикають кнопки керування регулятора? Питання продиктоване ідеєю помістити пристрій керування в прозорий герметичний корпус, а продублювати вологозахищеним джойстиком перемикачем. 3. Чи достатньо площі радіатора для зазначеної в характеристиках потужності чи потрібен вентилятор охолодження? 4. Чи не перебуває радіатор під напругою? Чи можна його залишити поза вологозахищеним корпусом? З повагою, Сергію.
- 1. Ривков не повинно бути, крок перебудови становить 1%. Тим не менш, для кожного випадку необхідно тестувати індивідуально. 2. Кожна кнопка замикає два контакти. 3. У характеристиках вказано пікову потужність пристрою. Номінальна потужність складає 7-8 квт.
1. Чи панель управління входить в комплект? 2. Чи можна її налаштувати на певний відсоток та вимкнути, щоб при цьому заданий відсоток зберігався і після відключення живлення?
- 1. Панель керування входить до комплекту. 2. Не можна вимкнути панель керування. 3. при відключенні живлення установки не збиваються.
Доброго дня, а можна точніше дізнатися куди підключається фаза, а куди нуль, і по виходу теж. Просто нагрівач, де треба регулювати потужність, знаходиться у складі нагрівачів і у них загальний нуль
- Шину нуль необхідно підключати до двох середніх контактів.
Доброго дня! Скажіть, будь ласка, корпус керуючого симістор має гальванічну розв'язку від електричної мережі? Якщо цей регулятор вбудовувати в металевий корпус пристрою, його радіатор потрібно ізолювати від корпусу?
- Правильно, радіатор пристрою обов'язково потрібно ізолювати від корпусу.
Доброго дня. Яким регулятором можна регулювати первинну обмотку трансформатора? Спасибі.
- За відгуками регулюють за допомогою MK071M. Самі не куштували.

Ще один огляд на тему будь-яких речей для саморобок. Цього разу я розповім про цифровий регулятор обертів. Речка по своєму цікава, але хотілося більшого.
Кому цікаво читайте далі:)

Маючи у господарстві деякі низьковольтні пристрої типу невеликої шліфувальної машинки тощо. я захотів трохи збільшити їх функціональний та естетичний вигляд. Правда це не вийшло, хоча я сподіваюся все-таки домогтися свого, можливо в інший раз, на саму річ розповім сьогодні.
Виробник даного регулятора фірма Maitech, вірніше саме ця назва часто зустрічається на всяких хустках і блочках для саморобок, хоча сайт цієї фірми чомусь мені не попався.

Через те, що я не зробив у результаті те, що хотів, огляд буде коротшим за звичайне, але почну як завжди з того, як це продається і надсилається.
У конверті лежав звичайний пакетик із клямкою.

У комплекті тільки регулятор зі змінним резистором і кнопкою, жорсткої упаковки та інструкції немає, але все доїхало цілим і без пошкоджень.

Ззаду є наклейка, яка замінює інструкцію. В принципі, більшого для такого пристрою і не потрібно.
Вказаний робочий діапазон напруги 6-30 Вольт та максимальний струм у 8 Ампер.

Зовнішній вигляд дуже непоганий, темне скло, темно-сірий пластик корпусу, у вимкненому стані здається взагалі чорним. На вигляд залік, причепитися ні до чого. Спереду була приклеєна транспортувальна плівка.
Установчі розміри пристрою:
Довжина 72мм (мінімальний отвір у корпусі 75мм), ширина 40мм, глибина без урахування передньої панелі 23мм (з передньою панеллю 24мм).
Розміри передньої панелі:
Довжина 42.5 мм ширина 80мм

Змінний резистор йде в комплекті з ручкою, ручка звичайно груба, але для застосування цілком зійде.
Опір резистора 100КОм, залежність регулювання – лінійна.
Як потім з'ясувалося, опір дає глюк. При живленні від імпульсного БП неможливо виставити стабільні показання, позначається наведення на дроти до змінного резистора, через що показання скачуть +2 знака, але добре б скакали, разом з цим скачуть обороти двигуна.
Опір резистора високий, струм маленький і дроти збирають усі перешкоди навколо.
При харчуванні лінійного БП така проблема відсутня повністю.
Довжина дротів до резистора та кнопки близько 180мм.

Кнопка, ну, тут нічого особливого. Контакти нормально відкриті, настановний діаметр 16мм, довжина 24мм, підсвічування немає.
Кнопка вимикає двигун.
Тобто. при подачі живлення індикатор вмикається, двигун запускається, натискання на кнопку його вимикає, друге натискання вмикає знову.
Коли двигун вимкнено, то індикатор так само не світиться.

Під кришкою знаходиться плата пристрою.
На клеми виведені контакти живлення та підключення двигуна.
Плюсові контакти роз'єму з'єднані разом, силовий ключ комутує мінусовий провід двигуна.
Підключення змінного резистора та кнопки роз'ємне.
На вигляд усе акуратно. Висновки конденсатора трохи кривуваті, але я думаю що це можна пробачити:)

Подальше розбирання я сховаю під спойлер.

Детальніше

Індикатор великий, висота цифри 14мм.
Розміри плати 69х37мм.

Плата зібрана акуратно, біля контактів індикатора є сліди флюсу, але в цілому плата чиста.
На платі є: діод для захисту від переполюсовки, стабілізатор 5 Вольт, мікроконтролер, конденсатор 470мкФ 35 Вольт, силові елементи під невеликим радіатором.
Також видно місця під установку додаткових роз'ємів, призначення їх незрозуміло.

Накидав невелику блок-схему, просто для зразкового розуміння, що і як комутується і як підключається. Змінний резистор так і включений однією ногою до 5 Вольт, другою на землю. тому його можна спокійно замінити на нижчий номінал. На схемі немає підключень до нерозпаяного роз'єму.

У пристрої використаний мікроконтролер виробництва STMicroelectronics.
Наскільки мені відомо, цей мікроконтролер використовується у досить великій кількості різних пристроїв, наприклад, ампервольтметрах.

Стабілізатор живлення при роботі на максимальній вхідній напрузі нагрівається, але не дуже сильно.

Частина тепла від силових елементів відводиться на мідні полігони плати, зліва видно велику кількість переходів з одного боку плати в інший, що допомагає відводити тепло.
Також тепло відводиться за допомогою невеликого радіатора, який притиснутий до силових елементів зверху. Таке розміщення радіатора здається мені дещо сумнівним, тому що тепло відводиться через пластмасу корпусу і такий радіатор допомагає несильно.
Паста між силовими елементами і радіатором відсутня, рекомендую зняти радіатор і промазати пастою, хоч трохи стане краще.

У силовій частині застосований транзистор, опір каналу 3.3мОм, максимальний струм 161 Ампер, але максимальна напруга всього 30 Вольт, тому я рекомендував би обмежувати вхідний на рівні 25-27 Вольт. При роботі на близькомаксимальних струмах є невеликий нагрівання.
Також поруч розташований діод, який гасить викиди струму від самоіндукції двигуна.
Тут застосовано 10 Ампер, 45 Вольт. До діоду питань немає.

Перше включення. Так вийшло, що випробування я проводив ще до зняття захисної плівки, тому на цих фото вона ще є.
Індикатор контрастний, в міру яскравий, добре читається.

Спочатку я вирішив спробувати на дрібних навантаженнях та отримав перше розчарування.
Ні, претензій до виробника і магазину у мене немає, просто я сподівався, що в такому відносно недешевому пристрої буде стабілізація оборотів двигуна.
На жаль, це просто регульований ШІМ, індикатор відображає % заповнення від 0 до 100%.
Дрібного двигуна регулятор навіть не помітив, дня це зовсім смішний струм навантаження:)

Уважні читачі, напевно, звернули увагу на переріз проводів, якими я підключив живлення до регулятора.
Так, далі я вирішив підійти до питання глобальніше і підключив потужніший двигун.
Він звичайно помітно потужніший за регулятор, але на холостому ходу його струм близько 5 Ампер, що дозволило перевірити регулятор на режимах більш наближених до максимальних.
Регулятор поводився відмінно, до речі я забув вказати що при включенні регулятор плавно збільшує заповнення ШІМ від нуля до встановленого значення, забезпечуючи плавний розгін, на індикаторі при цьому відразу показується встановлене значення, а не як на частотних приводах, де відображається реальне поточне.
Регулятор не вийшов з ладу, трохи нагрівся, але не критично.

Так як регулятор імпульсний, то я вирішив просто заради інтересу потикатися осцилографом і подивитися, що відбувається на затворі силового транзистора в різних режимах.
Частота роботи ШІМу близько 15 КГц і не змінюється у процесі роботи. Двигун заводиться приблизно за 10% заповнення.

Спочатку я планував поставити регулятор у свій старий (скоріше вже стародавній) блок живлення для дрібного електроінструменту (про нього якось інакше). за ідеєю він повинен був стати замість передньої панелі, а на задній повинен був розташуватися регулятор обертів, кнопку ставити не планував (благо при включенні пристрій відразу переходить в режим - увімкнено).
Повинно було вийти гарно та акуратно.

Але далі на мене чекало деяке розчарування.
1. Індикатор хоч і був трохи меншим за габаритами ніж вставка передньої панелі, але гірше було те, що він не влазив по глибині упираючись у стійки для з'єднання половинок корпусу.
і якщо пластмасу корпусу індикатора можна було зрізати, то не став би все одно, оскільки далі заважала плата регулятора.
2. Але навіть якби перше питання я вирішив би, то була друга проблема, я зовсім забув як у мене зроблений блок живлення. Справа в тому, що регулятор рве мінус живлення, а у мене далі за схемою стоїть реле реверсу, включення та примусової зупинки двигуна, схема управління всім цим. І з їх переробкою виявилося все набагато складніше: (

Якби регулятор був зі стабілізацією оборотів, то я все ж таки заморочився і переробив схему управління і реверсу, або переробив регулятор під комутацію + живлення. А так можна і перероблю, але вже без ентузіазму і тепер не знаю, коли.
Може комусь цікаво, фото нутрощів мого БП, збирався він років так близько 13-15 тому, майже весь час працював без проблем, один раз довелося замінити реле.

Резюме
Плюси
Пристрій повністю працездатний.
Акуратний вигляд.
Якісне складання
У комплект входить все потрібне.

Мінуси.
Некоректна робота від імпульсних блоків живлення.
Силовий транзистор без запасу напруги
За такого скромного функціоналу завищено ціну (але тут все відносно).

Моя думка. Якщо закрити очі на ціну пристрою, то саме собою воно цілком непогане, і виглядає акуратно і працює нормально. Так, присутня проблема не дуже хорошої перешкоди, думаю що вирішити її нескладно, але трохи засмучує. Крім того, рекомендую не перевищувати вхідну напругу вище 25-27 Вольт.
Більше засмучує те, що я багато дивився варіанти будь-яких готових регуляторів, але ніде не пропонують рішення зі стабілізацією оборотів. Можливо хтось запитає, навіщо мені це. Поясню, як потрапила в руки шліфувальна машинка зі стабілізацією, працювати набагато приємніше ніж звичайної.

На цьому все, сподіваюся, що було цікаво:)

Товар наданий для написання огляду магазином. Огляд опубліковано відповідно до п.18 Правил сайту.

Планую купити +23 Додати в обране Огляд сподобався +38 +64

У деяких випадках, наприклад, у ліхтариках або домашніх освітлювальних приладах виникає необхідність регулювати яскравість свічення. Здавалося б, чого простіше: достатньо змінити струм через світлодіод, збільшивши або зменшивши . Але в цьому випадку на обмежувальному резисторі витрачатиметься значна частина енергії, що зовсім неприпустимо при автономному живленні від батарей або акумуляторів.

Крім того, колір світіння світлодіодів буде змінюватися: наприклад, білий колір при зниженні струму менше номінального (для більшості світлодіодів 20мА) матиме кілька зелений відтінок. Така зміна кольору часом зовсім ні до чого. Уявіть, що ці світлодіоди підсвічують екран телевізора або комп'ютерного монітора.

У цих випадках застосовується ШИМ – регулювання (широтно – імпульсне). Сенс його в тому, що періодично запалюється та гасне. У цьому струм протягом усього часу спалаху залишається номінальним, тому спектр світіння не спотворюється. Якщо світлодіод білий, то зелені відтінки не з'являтимуться.

До того ж при такому способі регулювання потужності втрати енергії мінімальні, ККД схем із ШИМ регулюванням дуже високий, досягає 90 з лишком відсотків.

Принцип ШІМ - регулювання досить простий, і показаний на малюнку 1. Різне співвідношення часу запаленого і погашеного стану на око сприймається як: як у кіно - кадри, що показуються по черзі, сприймаються як рухоме зображення. Тут все залежить від частоти проекції, про що розмова трохи пізніше.

Рисунок 1. Принцип ШІМ – регулювання

На малюнку зображені діаграми сигналів на виході пристрою керування ШІМ (або генератор, що задає). Нулем та одиницею позначені: логічна одиниця (високий рівень) викликає свічення світлодіода, логічний нуль (низький рівень), відповідно, згасання.

Хоча все може бути і навпаки, оскільки все залежить від схемотехніки вихідного ключа, - включення світлодіода може здійснюватися низьким рівнем, а вимкнення, якраз високим. І тут фізично логічна одиниця матиме низький рівень напруги, а логічний нуль високий.

Інакше кажучи, логічна одиниця викликає включення якогось події чи процесу (у разі засвічування світлодіода), а логічний нуль повинен цей процес відключити. Тобто не завжди високий рівень на виході цифрової мікросхеми є ЛОГІЧНОЇ одиницею, все залежить від того, як побудовано конкретну схему. Це так, до відома. Але поки вважатимемо, що ключ управляється високим рівнем, і інакше просто бути не може.

Частота та ширина керуючих імпульсів

Слід звернути увагу, що період проходження імпульсів (або частота) залишається незмінним. Але, загалом, частота імпульсів яскравість світіння впливу не надає, тому, до стабільності частоти спеціальних вимог не пред'являється. Змінюється лише тривалість (ШИРИНА), у разі, позитивного імпульсу, з допомогою чого працює весь механізм широтно-импульсной модуляції.

Тривалість управляючих імпульсів малюнку 1 виражена в %%. Це так званий "коефіцієнт заповнення" або, за англомовною термінологією, DUTY CYCLE. Виражається ставленням тривалості керуючого імпульсу до періоду прямування імпульсів.

У російськомовній термінології зазвичай використовується «Свердловість» - відношення періоду проходження до часу імпульса. Таким чином якщо коефіцієнт заповнення 50%, то шпаруватість дорівнюватиме 2. Принципової різниці тут немає, тому, користуватися можна будь-який з цих величин, кому як зручніше і зрозуміліше.

Тут, звичайно, можна було б навести формули для розрахунку шпаруватості та DUTY CYCLE, але, щоб не ускладнювати виклад, обійдемося без формул. У крайньому випадку закон Ома. Тут нічого не поробиш: «Не знаєш закон Ома, сиди вдома!». Якщо вже когось ці формули зацікавлять, то їх завжди можна знайти на просторах Інтернету.

Частота ШИМ для світлорегулятора

Як було сказано трохи вище, особливих вимог до стабільності частоти імпульсів ШІМ не пред'являється: ну, трохи «плаває», та й добре. Подібною нестабільністю частоти, до речі, досить великий, мають ШІМ - регулятори, що не заважає їх застосуванню в багатьох конструкціях. В даному випадку важливо лише, щоб ця частота не стала нижчою за деяке значення.

А яка має бути частота, і наскільки вона може бути нестабільною? Не забувайте, що йдеться про світлорегулятори. У кінотехніці існує термін критична частота миготінь. Це частота, при якій окремі картинки, що показуються один за одним, сприймаються як зображення, що рухається. Для ока ця частота становить 48Гц.

Саме тому частота зйомки на кіноплівці становила 24кадр/сек (телевізійний стандарт 25кадр/сек). Для підвищення цієї частоти до критичної в кінопроекторах застосовується дволопатевий обтюратор (заслінка), що двічі перекриває кожен показуваний кадр.

У аматорських вузькоплівкових 8мм проекторах частота проекції становила 16кадр/сек, тому обтюратор мав аж три лопаті. Тим же цілям у телебаченні є той факт, що зображення показується напівкадрами: спочатку парні, а потім непарні рядки зображення. В результаті виходить частота миготіння 50Гц.

Робота світлодіода в режимі ШІМ є окремими спалахами регульованої тривалості. Щоб ці спалахи сприймалися на око як безперервне світіння, їх частота повинна бути не меншою за критичну. Вище скільки завгодно, але нижче не можна. Цей фактор слід враховувати під час створення ШИМ - регуляторів для світильників.

До речі, просто як цікавий факт: вчені якимось чином визначили, що критична частота для ока бджоли становить 800Гц. Тому фільм на екрані бджола побачить як послідовність окремих зображень. Для того, щоб вона побачила зображення, що рухається, частоту проекції потрібно збільшити до восьмисот півкадрів в секунду!

Для управління власне світлодіодом використовується. Останнім часом найбільш широко для цієї мети використовуються , що дозволяють комутувати значну потужність (застосування цих цілей звичайних біполярних транзисторів вважається просто непристойним).

Така потреба (потужний MOSFET - транзистор) виникає при великій кількості світлодіодів, наприклад, при , про які буде розказано трохи пізніше. Якщо ж потужність невелика – при використанні одного – двох світлодіодів, можна використовувати ключі на малопотужних, а при можливості підключати світлодіоди безпосередньо до виходів мікросхем.

На малюнку 2 показано функціональну схему ШІМ - регулятора. Як елемент управління на схемі умовно показаний резистор R2. Поверненням його ручки можна в необхідних межах змінювати шпаруватість імпульсів, що управляють, а, отже, яскравість світлодіодів.

Рисунок 2. Функціональна схема ШІМ – регулятора

На малюнку показано три ланцюжки послідовно з'єднаних світлодіодів з резисторами, що обмежують. Приблизно таке саме з'єднання застосовується у світлодіодних стрічках. Чим довша стрічка, тим більше світлодіодів, тим більше струм, що споживається.

Саме в цих випадках будуть потрібні потужні струми, допустимий струм стоку яких повинен бути трохи більше струму, споживаного стрічкою. Остання вимога виконується досить легко: наприклад, у транзистора IRL2505 струм стоку близько 100А, напруга стоку 55В, при цьому його розміри і ціна досить привабливі для використання в різних конструкціях.

генератори, що задають, ШИМ

Як задає ШИМ - генератора може використовуватися мікроконтролер (в промислових умовах найчастіше), або схема, виконана на мікросхем малого ступеня інтеграції. Якщо в домашніх умовах передбачається виготовити незначну кількість ШІМ-регуляторів, а досвіду створення мікроконтролерних пристроїв немає, то краще зробити регулятор на тому, що зараз виявилося під рукою.

Це можуть бути логічні мікросхеми серії К561, інтегральний таймер, а також спеціалізовані мікросхеми, призначені для . У цій ролі можна змусити навіть працювати, зібравши на ньому регульований генератор, але це вже, мабуть, «з любові до мистецтва». Тому далі будуть розглянуті тільки дві схеми: найпоширеніша на таймері 555, і на контролері ДБЖ UC3843.

Схема генератора, що задає, на таймері 555

Рисунок 3. Схема генератора, що задає

Ця схема є звичайним генератором прямокутних імпульсів, частота якого задається конденсатором C1. Заряд конденсатора відбувається по ланцюгу «Вихід – R2 – RP1 – C1 – загальний провід». При цьому на виході має бути напруга високого рівня, що рівнозначно, що вихід з'єднаний з плюсовим полюсом джерела живлення.

Розряджається конденсатор по ланцюгу «C1 - VD2 - R2 - Вихід - загальний дріт» у той час, коли на виході є напруга низького рівня, - вихід з'єднаний із загальним проводом. Ось ця різниця в шляхах заряду - розряду конденсатора, що час задає, і забезпечує отримання імпульсів з регульованою шириною.

Слід зазначити, що діоди навіть одного типу мають різні параметри. У разі грає роль їх електрична ємність, яка змінюється під впливом напруги на діодах. Тому разом із зміною шпаруватості вихідного сигналу змінюється його частота.

Головне, щоб вона не стала меншою за критичну частоту, про яку було згадано трохи вище. Інакше замість рівномірного світіння з різною яскравістю будуть видні окремі спалахи.

Приблизно (знову ж таки винні діоди) частоту генератора можна визначити за формулою, показаною нижче.

Частота генератора ШІМ на таймері 555

Якщо в формулу ємність конденсатора підставити у фарадах, опір в Омах, то результат повинен вийти в герцах Гц: від системи СІ нікуди не дінешся! При цьому мається на увазі, що двигун змінного резистора RP1 знаходиться в середньому положенні (у формулі RP1/2), що відповідає вихідному сигналу форми меандр. На малюнку 2 це якраз та частина, де зазначена тривалість імпульсу 50%, що рівнозначно сигналу зі шпаруватістю 2.

Задає генератор ШІМ на мікросхемі UC3843

Його схема показано малюнку 4.

Рисунок 4. Схема генератора ШІМ, що задає, на мікросхемі UC3843

Мікросхема UC3843 є керуючим ШІМ-контролером для імпульсних блоків живлення та застосовується, наприклад, у комп'ютерних джерелах формату ATX. В даному випадку типова схема її включення дещо змінена у бік спрощення. Для керування шириною вихідного імпульсу на вхід схеми подається регулююча напруга позитивної полярності, то на виході виходить імпульсний сигнал ШІМ.

У найпростішому випадку регулюючу напругу можна подати за допомогою змінного резистора опором 22...100Км. При необхідності можна керуючу напругу отримувати, наприклад, з аналогового датчика освітленості, виконаного на фоторезистори: чим темніше за вікном, тим світліше в кімнаті.

Регулююча напруга впливає на вихід ШІМ, таким чином, що при зниженні ширина вихідного імпульсу збільшується, що зовсім не дивно. Адже вихідне призначення мікросхеми UC3843 - стабілізація напруги блоку живлення: якщо вихідна напруга падає, а разом з ним і регулююча напруга, то треба вживати заходів (збільшувати ширину вихідного імпульсу) для підвищення вихідної напруги.

Регулююча напруга у блоках живлення виробляється, як правило, за допомогою стабілітронів. Найчастіше це чи їм подібні.

При зазначених на схемі номіналах деталей частота генератора близько 1КГц, і на відміну від генератора на таймері 555, вона за зміни шпаруватості вихідного сигналу не «плаває» - турбота про сталість частоти імпульсних блоків живлення.

Щоб регулювати значну потужність, наприклад, світлодіодна стрічка, слід підключити до виходу ключовий каскад на транзисторі MOSFET, як було показано на малюнку 2.

Можна було б і більше розповісти про ШІМ - регулятори, але поки що зупинимося на цьому, а в наступній статті розглянемо різні способи підключення світлодіодів. Адже не всі способи однаково хороші, є такі, яких слід уникати, та й просто помилок при підключенні світлодіодів буває достатньо.