ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема. ШИМ и PWM

В данной статье мы поговорим с вами о шим контроллерах : что это, для чего и где применяется.

ШИМ – широтно-импульсный модулятор.

Для преобразования напряжения в телевизионной аппаратуре и других электронных устройствах используются ШИМ контроллеры . С помощью прибора удалось внедрить в производство инновационные идеи и новые технологии. Основными преимуществами ШИМ-контроллеров являются скромные габариты, отличные показатели быстродействия и высокая надежность.

Наиболее востребованы ШИМ контроллеры при изготовлении модулей питания импульсного типа. Постоянное напряжение на входе устройства преобразуется в импульсы прямоугольной формы, формируемые с определенной частотой и скважностью. С помощью управляющих сигналов на выходе устройства удается осуществлять регулирование работы транзисторного модуля большой мощности. В результате разработчики получили блок управления напряжением регулируемого типа.

В телевизионной аппаратуре компактные ШИМ-контроллеры весьма востребованы. Кроме того, устройства используются в другой электронной аппаратуре, а также в качестве узлов системы управления скоростью электроприводов в бытовых приборах. В зависимости от параметров системы и управляющего сигнала, ШИМ-контроллеры меняют скорость движения силового агрегата. Обратная связь может быть выполнена как по значению силы тока, так и по уровню напряжения.

Типовая конструкция ШИМ-контроллера, используемого в телевизионной и другой электронной аппаратуре, характеризуется наличием нескольких выходов. Общий вывод соединен с аналогичным контактом схемы подачи питания модуля. Вывод контроля питания и вывод питания расположены рядом друг с другом. Первый из них отвечает за контроль напряжения на выходе схемы и отключает ее при снижении значения ниже пороговой величины. Второй вывод отвечает за энергоснабжение схемы .

Напряжение на выходе снимается с соответствующего вывода. Существуют двухплечевые и одноплечевые ШИМ-контроллеры. Первые из них применяются для управления стандартными транзисторами. При необходимости их закрытия, контроллер замыкает соответствующий контакт на общий кабель. При работе с транзистором биполярного типа применяется одноплечевой каскад, так как для регулировки требуется изменение силы тока. Для отключения транзистора необходимо запретить прохождение тока. Поэтому замыкание на общий контакт не используется.

ШИМ-контроллеры, используемые в телевизионной аппаратуре, характеризуются наличием следующих возможностей:

Устройства способны вырабатывать опорное напряжение с высокой степенью точности. Зачастую данный вывод коммутируется с общим проводом. При этом используется емкость значением 1 мФ и более, что позволяет повысить качество стабилизации выходного значения.
Ограничитель тока срабатывает при значительном превышении напряжения на соответствующем выводе над пороговым. В этом случае происходит автоматическое отключение силовых ключей.
Мягкий старт используется для постепенного увеличения величины импульсов на выходе до расчетных показателей. Наличие емкости между соответствующим выводом и общим проводом приводит к ее постепенной зарядке. В результате каждый импульс становится шире вплоть до достижения требуемой величины.

Современные источники питания для различной аппаратуры проектируются на основе ШИМ-контроллеров. От качества компонентов зависит срок жизни модуля. Основная цель, для которой ШИМ-контроллеры включаются в схемы источников напряжения, это обеспечение стабильной величины напряжения на выходе. Небольшие габариты контроллеров дают им преимущество перед стандартными схемами с использованием трансформаторов.

ШИМ-контроллеры, применяемые в источниках питания , кроме стабилизации выходного напряжения, реализуют еще несколько дополнительных возможностей. Использование широтно-импульсной модуляции позволяет осуществить контроль величины сигнала. При этом имеется возможность менять протяженность импульса и скважность.

ШИМ-контроллеры обладают высокими показателями КПД, что позволяет значительно расширить область их использования. Особенно это касается аппаратуры для воспроизведения звука. Кроме того, при использовании в источниках питания ШИМ-контроллеров, значительно расширяется диапазон доступных мощностей прибора.

Устройства на базе ШИМ-контроллеров являются универсальными и могут использоваться не только в телевизионной аппаратуре, но и во многих других приборах. Блоки питания различного электрооборудования реализуются на основе данных контроллеров. Использование устройств позволяет сократить затраты на эксплуатацию оборудования и повышает его качество работы. Высокий КПД делает разработку источников на ШИМ-контроллерах перспективным и востребованным направлением деятельности.

Представляем простую конструкцию регулятора мощности, схема которого построена на таймере 555, работающем в режиме ШИМ. Транзисторы IRF3205 являются управляемыми элементами, причем транзисторы соединены параллельно для уменьшения сопротивления и лучшего рассеивания тепла.

Схема ШИМ на 12 В для ламп

Напряжение от трансформатора выпрямляется мостом на 50 А, установленным на радиаторе. Подается оно далее на стабилизатор 8 В, а затем в схему управления. Устройство должно было работать с несколькими галогенками 12 В 50 Вт.

Кстати, вы можете хорошо уменьшить нагрев транзисторов снизив частоту коммутации — на это стоит обратить внимание.

При полной яркости будет ток в нагрузке около 25 А. Так что уделите особое внимание винтовым соединительным разъемам. Кабели сечением 1,5 мм2 тоже недостаточны для такого большого тока.

Конечно, затворы лучше переключать напряжением около 10 — 12 В (не более 15 В для безопасности МОП-транзисторов), чем 6 В, хотя бы для того чтобы быть уверенным в их насыщении во включенном состоянии. А более высокое напряжение также означает более быструю перезагрузку затворов, что приводит к более короткому переходному времени, а это снижает потери мощности на них. Если они не насыщаются, то тепло, генерируемое на них с высокой рабочей мощностью, заставит транзисторы сильно греться.

Чтобы поднять управляющее напряжение, достаточно подключить R3 напрямую к источнику питания, а не к стабилизатору. Чтобы ускорить переключение, предлагаем конденсатор 0.1 мкФ поставить параллельно с R2 и, если необходимо, дополнительно в ряд перед этим параллельным соединением резистор, чтобы минимизировать токи при разряде конденсатора.

Вместо резистора R3 ещё лучше ставить резисторы 5-10 Ом в затворах mosfet и использовать более мощные биполярные транзисторы, например семейства BD136 — BD140 соответствующих типов проводимости.

Упрощенный ШИМ 12V регулятор постоянного тока

Для регуляторов оборотов мотора постоянного тока можно использовать эту, показанную выше схему. Здесь нет необходимости использовать управляющие транзисторы. Mosfet могут быть подключены параллельно, добавив один 30-ти омный резистор к затвору каждого транзистора. Плату можете .

Простое решение для вашей задачи!

Есть в наличии

Купить оптом

Модуль построен на базе мощного силового ключа IRF2204 с рабочим током до 210А, и предназначен для регулировки яркости ламп накаливания, светодиодных лент и частоты вращения электродвигателей напряжением 6-30В.

Будет полезен для регулировки яркости дневных ходовых огней и будет незаменим для регулировки оборотов печки, а так же в качестве регулятора скорости надувной лодки с электромотором.

Регулировка частоты ШИМ управления позволит полностью убрать гул обмоток двигателя, а встроенная защита ограничит превышение рабочего тока.

Технические характеристики

Особенности

Компактный размер
Широкий диапазон плавной регулировки частоты ШИМ - 300-10000Гц.
Широкий диапазон рабочего напряжения 6-30В
Возможность ограничения рабочего тока.
Защита от неправильного подключения полярности.
Построен на базе мощного полевого ключа IRF2204
Предусмотрена возможность усиления силового ключа.

Дополнительная информация

При токе боле 5А необходима установка радиатора. При максимальном токе 80А площадь радиатора должна составлять не менее 600 см2.

Статьи

Комплект поставки

Модуль - 1 шт.
Инструкция - 1 шт.

Что потребуется для сборки

Для подключения понадобится: провод, отвертка, бокорезы.

Подготовка к эксплуатации

Подключите лампу накаливания, напряжением 12В, к клемме OUT.
Подайте питание 12В на клемму IN
Вращайте переменный резистор. При вращении должна меняться яркость свечения лампы.
Проверка завершена. Приятной эксплуатации.

Условия эксплуатации

Температура -30С до +50С. Относительная влажность 20-80% без образования конденсата.

Меры предосторожности

Не превышайте максимально допустимое напряжение питания модуля.
Не превышайте максимально допустимую мощность нагрузки.
Не соблюдение данных требований может привести к выходу устройства из строя.

Вопросы и ответы

Добрый день. Вопрос по MP4511 ШИМ регулятор мощности 6-35В 80А Задача собрать электросамокат и электромобиль ребенку. Для этого есть двигатель на 90 Вт 24 В 7 А для самоката и двигатель на 110 ВТ от печки Газ на 15А 12 В и аккумулятор. Прошу подтвердить правильно ли я понял. данного устройства будет достаточно для регулирования оборотов?! т.к. на сайтах самодельщиков все заказывают китайские контроллеры, а с применением данного устройства что то никто не собирает. Или нужно будет что то еще включить в цепь. Так же прошу сообщить стоимость доставки до Оренбурга, получение на почте?! или транспортная компания до по адресата?! Спасибо.
- Здравствуйте, Виктор! MP4511 - хороший выбор, этот модуль будет работать с Вашим мотором без каких-либо дополнительных устройств. По поводу доставки: мы работаем со службой СПСР, стоимость доставки до Вашего города рассчитывается после оформления заказа.
возможно ли заказать 12(24)-60В 80А???
- Владимир, к сожалению, модуля с такими параметрами у нас в продаже нет.
Здравствуйте. Для плавной регулировки скорости детского электромобиля хочу использовать данный прибор, скажите, можно ли использовать с ним электронную педаль от приоры (вместо подстроечного резистора). Есть ли альтернатива этой педали меньшего размера?
- Здравствуйте! Я не знаю, на каком принципе работает электронная педаль Приоры. Если там переменный резистор сопротивлением 100...500 кОм - то подойдёт.
Добрый день. купил модуль мр4511 80а. пролежал полгода без дела, а сегодня понадобился. Необходимо напряжение с аккумулятора шуроповерта понизить с 22 до 18 вольт. Подключаю аккумулятор и на входе регулятора вижу напряжение 6,7 вольт. нагрузка отключена. Подключаю для пробы нагрузку лампу 12 вольт 5 ватт напряжение на выходе не более 2,3 вольта. Схемы нет. Куда копать. Можете ли выслать схему. С уважением Алексей.
- Проверьте наличие установленных перемычек. И качество пайки всех компонентов.
Здравствуйте. Хочу использовать данный модуль в авто. Чтобы после замены лампочек на светодиоды использовать данный ШИМ регулятор (подключить к старому резисторному 6...12В). Нужно ли мне менять дополнительно базовую схему или оставить всё как есть?
- Модуль не подойдет для вашей задачи. Поптому-что регулировка производится по цепи -12В
Можно ли подключить электр. лодочный мотор ECO MOTOR PRO NISSAMARAN 36, если да, то как это сделать. Нужен ли шунт, где его достать и как устранить свист мотора если будет. Нужно ли ставить паралельно мотора силовой диод и какой лучше. Обороты регулируются с 0?
- Можно. В установки ШУНТА необходимости нет. Установите в место него перемычку. Частоту ШИМ генератора установите в положении Hi. Если остаточный свист обмоток будет мешать, попробуйте поднять частоту ШИМ генератора до 20 КГц. Для этого поменяйте номинал резистора R1 на 510 Ом, R5 на 10 кОм, R8 на 4,7 кОм. Для облегчения работы силового ключа рекомендуем установить параллельно дополнительный, на плате предусмотрено место и обозначено как VT2. Силовые ключи должны быт установлены на радиатор площадью не менее 1000 см2..jpg
Получил регулятор мощности, подскажите пожалуйста, как мастерить радиатор если элементов, через которые должно отводиться тепло на плате два, а не один, как на картинке, и между ними НАПРЯЖЕНИЕ! Т,е я не смогу подсоединить их к одному радиатору, потому что коротнет, а два радиатора на каждый не получится, потому что расстояние между ними 1 мм!!!
- Элементы необходимо устанавливать на радиатор через термопродящую пластину. В некоторых случаях элемент VD2, имеющий два вывода, не требует установку на радиатор. Проверьте если он не греется просто отогните его от радиатора.
Какой радиатор необходим? Максимальный ток 5А.
- Sl-01H будет оптимален https://сайт/shop/1920368
Есть ли для него коробочка?
- Специального корпуса для устройства нет. Универсальный корпус можно подобрать тут https://сайт/shop/cases
Здравствуйте! Хотел приобрести ШИМ 4511 цена 1030 доставка 850р. почему так дорого? Город Нальчик, Кабардино-Балкарская республика. Почтой нет возможности отправить?
- Добрый день. Для отправки Почтой России Заполните все поля в корзине, и выберете онлайн оплату.Почтой России доставляются только оплаченные заказы. Доставка наложенным платежом не осуществляется!
Доброе время суток. Скажите данный регулятор можно использовать для регулировки накала нихрома подключив его к выходам блока питания ПК. Случайно купил регулятор частоты, он не снижает напряжение)
- Можно
Здравствуйте, вопрос по мр4511. Использую для регулировки накалатнихромовой проволоки. Питание от БП компьютера. Подключаю на шим минус, +12в с выходного минуса к нихрому и второй конец проволоки к 5 в Блока питания. Все работает но пищат обмотки трансформатора БП. Как можно убрать это? Просто от 5 в шим не работает. Приходиться так. Может как то перемычки переставить
- Это не всегда возможно, так как напрямую зависит от особенностей катушек трансформатора и электродвигателя. Тем не менее шум обмоток можно убрать или уменьшить с помощью регулятора частоты ШИМ генератора на модуле.
Здравствуйте! Как сделать что бы вентилятор не свистел при снижении оборотов?
- Это не всегда возможно, так как напрямую зависит от особенностей обмоток трансформатора и электродвигателя. Тем не менее можно попробовать изменить номинал резистора R1 на 510 Ом, R5 на 10 кОм, R8 на 4,7 кОм.
Выдержит ли этот регулятор 500 вт и 37 вольт
- 500Вт выдержит, а вот напряжение 37В будет на возможном пределе микросхемы линейного стабилизатора. Какая попадется микросхема. Если параметр будет занижен может сгореть.
Добрый день! Скажите, можно ли этим устройством управлять через "Ардуино нано" по аналоговому выходу 0 - +5В, через транзистор, для смены полюсовки и подключив вместо потенциометра?
- В теории возможно, нужно пробовать.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, английская аббревиатураPWM - Pulse-Width Modulation) - это способ кодирования аналогового сигнала путем изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис.1 представлены типичные графики ШИМ-сигнала.

Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (Т) остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (рис.16) и наоборот, при расширении импульса пауза сужается (рис.1в).

Если ШИМ-сигнал пропустить через фильтр низших частот (ФНЧ), то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Скважность Q - это отношение периода импульсов Т к их длительности t, т.е. Формула:

Величина, обратная скважности, которая также встречается в литературе, называется “коэффициентом заполнения” (К3). Назначение ФНЧ - не пропускать на выход несущую частоту ШИМ.

Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC-цепочки или же отсутствовать вовсе, например, если нагрузка имеет достаточную инерцию.

Рис. 1. Графики работы ШИМ.

Таким образом, с помощью двух логических уровней “1 ” и “0” можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала. Широтно-импульсная модуляция широко используется в современной электронике, например, в импульсных источниках питания или в устройствах цифровой обработки звуковых сигналов. В описан широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.

Он выполнен на основе двух логических элементов (рис.2) микросхемы К176ЛП1 (рис.За), которая называется универсальным логическим элементом (зарубежный аналог - CD4007).

Универсальность ИМС заключается в том, что она может быть использована и как три самостоятельных элемента НЕ, и как элемент ЗИЛИ-НЕ (рис.Зб), и как элемент НЕ с большим коэффициентом разветвпения (рис.Зв).

Рис. 2. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.

Рис. 3. Структура микросхемы К176ЛП1.

Микросхема содержит шесть МОП-транзисторов, три из которых (VT1...VT3) - с п-каналом, три других (VT4... VT6)-с р-каналом. Напряжение питания подают на выводы 14 (+9 В) и 7 (общий), выводы 6, 3 и 10 - входы, остальные - выходы.

Разные по функциональному назначению логические элементы получают путем соответствующих соединений входных и выходных выводов. Модулятор (рис.2) изменяет коэффициент заполнения импульсов автогенератора в соответствии с управляющим напряжением.

Регулирование коэффициента заполнения обеспечивается шунтированием времязадающего резистора R2 сопротивлением каналов полевых транзисторов VТ1 и VТ2, входящих в состав микросхемы.

Коэффициент заполнения изменяется в пределах от 1 до 99% периода рабочей частоты. Недостатком этого генератора является ненадежный запуск при уменьшении емкости времязадающего конденсатора С1 (при увеличении частоты генерации).

Для устранения этого недостатка предлагаю выполнить широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах (рис.4). Трехэлементный генератор запускается в любом случае, а конденсатор просто снижает его частоту. Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD2 и инверторе DD1.

Полевые транзисторы VТ1 и VТ2 из состава микросхемы подключены через диоды VD1 и VD2 параллельно резистору R2.

Рис. 4. Широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах.

При высоком уровне на выходе генератора диод VD2 открывается, т.е. сопротивление п-канала VТ2 включается параллельно R2. Подобным образом сопротивление р-канала VТ1 включается через VD1 параллельно R2 при низком уровне на выходе генератора.

Широтно-импульсный модулятор измененяет коэффициент заполнения импульсов генератора в соответствии с управляющим напряжением. Само изменение частоты колебаний минимально зависит от коэффициента заполнения, т.к. сопротивление канала одного транзистора возрастает, а другого уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R2 сопротивления остается постоянным.

Увеличение управляющего напряжения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импульсов, уменьшение - наоборот. Частота колебаний остается неизменной. Данный генератор может генерировать сигнал частотой до 10 МГц.

В. Калашник, г. Воронеж. E-mail: kalaviv[a]mail.ru. РМ-07-12.

Литература:

Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме. - Электроника, 1977, №13, С.55.
Генераторы на элементах КМОП. - Схемотехника, 2007, №6, С.37.

Сам принцип широтно-импульсного моделирования (ШИМ) известен уже давно, но применяться в различных схемах он стал относительно недавно. Он является ключевым моментом для работы многих устройств, используемых в различных сферах: источники бесперебойного питания различной мощности, частотные преобразователи, системы регулирования напряжения, тока или оборотов, лабораторные преобразователи частоты и т.д. Он прекрасно показал себя в автомобилестроении и на производстве в качестве элемента для управления работой как сервисных, так и мощных электродвигателей. ШИМ-регулятор хорошо зарекомендовал себя при работе в различных цепях.

Давайте рассмотрим несколько практических примеров, показывающих, как можно регулировать скорость вращения электродвигателя с помощью электронных схем, в состав которых входит ШИМ-регулятор. Предположим, что вам необходимо изменить обороты электродвигателя в системе отопления салона вашего автомобиля. Достаточно полезное усовершенствование, не правда ли? Особенно в межсезонье, когда хочется регулировать температуру в салоне плавно. Двигатель постоянного тока, установленный в этой системе, позволяет изменять обороты, но необходимо повлиять на его ЭДС. С помощью современных электронных элементов эту задачу легко выполнить. Для этого в двигателя включается мощный полевой транзистор. Управляет им, как вы уже догадались, ШИМ- С его помощью можно менять обороты электродвигателя в широких пределах.

Каким образом работает ШИМ-регулятор в цепях В этом случае используется несколько иная схема регулирования, но принцип работы остается тем же. В качестве примера можно рассмотреть работу частотного преобразователя. Такие устройства широко применяются на производстве для регулирования скорости двигателей. Для начала трехфазное напряжение выпрямляется с помощью моста Ларионова и частично сглаживается. И только после этого подается на мощную двуполярную сборку или модуль на базе полевых транзисторов. Управляет же им собранный на базе микроконтроллера. Он и формирует контрольные импульсы, их ширину и частоту, необходимую для формирования определенной скорости электродвигателя.

К сожалению, помимо хороших эксплуатационных характеристик, в схемах, где используется ШИМ-регулятор обычно появляются сильные помехи в силовой цепи. Это связано с наличием индуктивности в обмотках электродвигателей и самой линии. Борются с этим самыми разнообразными схемными решениями: устанавливают мощные сетевые фильтры в цепях переменного тока или ставят обратный диод параллельно двигателю в цепях постоянного электропитания.

Такие схемы отличаются достаточно высокой надежностью в работе и являются инновационными в сфере управления электроприводами различной мощности. Они достаточно компактны и хорошо управляемы. Последние модификации таких устройств широко применяются на производстве.