ШИМ – широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция применяется в технике для преобразования переменного напряжения в постоянное, с изменением его среднего значения (Ud). Управление средним значением напряжения происходит путем изменения скважности импульсов.

Скважность – это отношение одного периода, к времени действия (длительности) импульса в нем. В англоязычной литературе часто встречается понятие коэффициент заполнения, который обратно пропорционален скважности. Формула скважности:

где T – длительность периода, с;
t – время действия импульса (длительность), с;
D – коэффициент заполнения.

То есть, не смотря на то, что скважность и коэффициент заполнения могут использоваться в одинаковом контексте, физический смысл их отличается. Эти величины безразмерны. Коэффициент заполнения обычно отображают в процентах (%).

Рисунок 1 – Скважность импульсов

На приведенном выше рисунке изображены импульсы, которые возникают с определенной периодичностью. Длительность импульса равна ¼ периода Т, это означает, что коэффициент заполнения равен 25%, а скважность – 4. Специфическое название имеется у набора импульсов c коэффициентом заполнения – 50%, такой сигнал называется меандр.

Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов:

Uоп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;
Uупр – входное постоянное напряжение.

Cигналы поступают на компаратор, где они сравниваются, а при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.

Выходное напряжение Uвых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, мы регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ:

Рисунок 2 – Скважность сигнала при однополярной ШИМ

Однополярная модуляция означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения. Осуществить такую модуляцию в некоторых схемах невозможно, преимущество однополярной модуляции: малое амплитудное значение высокочастотных гармоник.

В двухполярной модуляции вместо нулевого длительного напряжения формируется отрицательное напряжение, она проиллюстрирована на рисунке 4.

Преимущество использования ШИМ - это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях. Конечно же, можно, применять делитель напряжения, но его работа основана на применении резисторов, а на них происходит рассеивание энергии, что в свою очередь вызывает нагрев и неэкономичность (преобразование электрической энергии в тепловую).

Работа широтно-импульсного преобразователя реализуется с помощью полупроводниковых приборов – транзисторов. Максимальные потери на транзисторах бывают при их полуоткрытом состоянии. Поэтому используют два крайних положения: полностью открыты или закрыты, тогда потери минимальны. Частота срабатывания транзисторов очень большая, то есть переходные состояния имеют мало времени и потери, фактически, сводятся к нулю.

ШИМ нашел широкое применение как регулятор оборотов двигателей постоянного тока (ДПТ).

Рисунок 3 – Схема ШИМ регулятора для ДПТ

Схема ШИМ управления двигателя постоянного тока состоит из тиристорного преобразователя VS1÷VS6, сглаживающего конденсатора С. Транзисторы VT1÷VT4 реализуют подачу импульсного напряжения на двигатель постоянного тока М. С помощью обратных диодов VD1÷VD4, энергия будет отдаваться в сеть при торможении двигателя. Наличие в данной схеме четырех транзисторов дает возможность работы ДПТ во всех 4-х квадрантах механической характеристики.

Принцип работы схемы основан на двухполярной модуляции:

Рисунок 4 – Двухполярная широтно-импульсная модуляция

Комментарии  

 
# SPYvsSPY 31.01.2014 18:23
Спасибо, все подробно описано, очень помогло!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Лаура 11.02.2015 00:24
Спасибо, простое, вместе с тем понятное описание)))
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Студент 17.02.2015 15:37
В статье рассказан принцип Широтно-импульс ного регулирования, а не ШИ Модуляции. Вы управляете средним значением напряжения в нагрузке, меняя длительность импульса в ШИР. А в ШИМ вы используете модулирующий сигнал (синус, синус с 3-й гармоникой, трапецию и т.д.) для формирования квазиСИНУСоидал ьного напряжения, переменного целиком и полностью. А отношением амплитуд синуса и треугольника в цепи управления регулируете выход 1-й гармоники напряжения.

Если не сложно, то исправьте название на ШИР, не вводите в заблуждение людей. Либо же впишите ваше определение строгое. Либо воспользуйтесь учебником по силовой электронике. На ваше усмотрение, вот :)
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Ниан 28.06.2015 21:00
Ну кто нибудь объясните - при изменении скважности и постоянной амплитуде выпрямитель увидит пиковое напряжение - а оно- то не изменится в зависимости от изменения скважности так как же регулировать
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Engineer 28.06.2015 22:58
Прибору важно не амплитудное, а среднее (действующее) значение напряжения. Меняя скважность мы не меняем амплитуду, а вот среднее значение регулируется.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 

Добавить комментарий

Общайтесь культурно

Ваше имя:

Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика