Широтно-импульсная модуляция состоит в изменении ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) действительным бинарным (с двумя уровнями - вкл/выкл), так что в среднем, за отрезок времени, их значения равны. Основным регулирующим фактором выступает относительная длительность импульсов или коэффициент заполнения

где Т – период следования импульсов. При односторонней ШИМ, опорное напряжение представляет собой периодические пилообразные колебания. В этом случае модуляция осуществляется изменением положения только одного фронта импульса. Для двусторонней ШИМ, требуется треугольное (желательно равностороннее) опорное напряжение. Двусторонняя ШИМ, обладает более высоким быстродействием, чем односторонняя, поэтому ее применяют чаще. Если входной сигнал – биполярный, то должны меняться полярность и среднее значение выходного напряжения. При этом возможны два типа модуляции разнополярная ШИМ и однополярная ШИМ.

1. Формулировка задания

В данной курсовой работе разрабатывается широтно-импульсный модулятор со следующими параметрами:

Таблица 1. Содержание задания

2. Разработка функциональной схемы устройства

Рассмотрим функциональную схему и принцип работы устройства.

Рисунок 1 – Функциональная схема

Генератор прямоугольных импульсов необходим для образования импульсов на следующем блоке – ГЛИНе.

Исходя из задания, определяем, что в качестве опорного напряжения должны быть «треугольники». На выходе ГЛИНа имеем треугольные импульсы, которые являются тем самым опорным напряжением, подаваемым на компаратор.

Компаратор устройство, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде треугольников, а на положительный − модулируемый непрерывный аналоговый сигнал.

По заданию, модулируемым сигналом является синусоида с частотой 200Гц.

Так же согласно заданию, амплитуда выходных сигналов, должна быть 10В. Нужную амплитуду обеспечивает электронный ключ.

3. Функциональные блоки

3.1 Генератор прямоугольных импульсов

Кварцевый генератор - генератор колебаний, синтезируемых кварцевым резонатором, входящим в состав генератора. Обычно обладает небольшой выходной мощностью.

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Используем Генератор Пирса. В схеме используется минимум компонентов: один цифровой инвертор, один резистор, два конденсатора и кристалл кварца, который действует как высокоизбирательный элемент фильтра.

Генератор с RC частотно-задающей цепью, принцип его работы основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора С через резистор R. Через этот резистор осуществляется ООС по постоянному току, а через конденсатор-ПОС по переменному.

Второй инвертор в схеме генератора предназначен для уменьшения длительности фронтов формируемого прямоугольного колебания. Это необходимо для уменьшения влияния последующей схемы на стабильность колебаний задающего генератора, а также для более надёжной работы цифровых счётчиков делителя частоты.

Рисунок 2 – Блок 1. Генератор прямоугольных напряжений

Схема делителя частоты до значения нужной частоты. Для реализации делителя потребуется микросхема 561ИЕ16.

3.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения

Этот блок представляет собой генератор треугольного напряжения. В настоящее время генераторы с малым коэффициентом нелинейности (ε<0,0) и слабым влиянием нагрузки на форму выходного напряжения создаются с использованием операционных усилителей.

В частности, распространены генераторы на основе интегратора, управляемого входным импульсом напряжения прямоугольной формы. Элементами схемы являются источник питания, зарядный резистор R 6 , конденсатор С3 и разрядный транзистор VT1. Выходное напряжение генератора представляет собой, усиленное операционным усилителем, напряжение на конденсаторе. ОУ охвачен отрицательной (R 5 и R 9) и положительной (резистор R 10) обратными связями.

Рисунок 3 – ГЛИН

Генератор работает следующим образом. В момент, когда полевой транзистор VT1 закрыт, происходит заряд конденсатора С3 через резисторы R10 и R7. Как только мы подаем импульс на VT1, происходит разряд конденсатора этот полевой транзистор.

3.3 Компаратор

Данный блок представляет собой компаратор, суть работы которого заключается в сравнении двух входящих сигналов, и получении на выходе импульсов различной длительности. На отрицательный вход подаётся опорный сигнал, т.е. «треугольные импульсы», а на положительный - сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте треугольных импульсов. Ту часть периода, которую входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже - нуль.

Рисунок 4 - Компаратор

3.4 Электронный ключ

Для получения на выходе импульсов нужной амплитуды используем транзистор VT2 и элемент «И-НЕ» DD5. Резистор R13 ограничивает ток на вход базы транзистора. Резистор R15 является нагрузкой.

Рисунок 5 – Схема электронного ключа

4. Расчётная часть и выбор элементов схемы

4.1 Расчет генератора импульсов

На рисунке 6 показан генератор, со стоящий из активного элемента – инвертора – и пассивного элемента – кварцевого резонатора.

Рисунок 6 – Кварцевый генератор

Вместо одного инвертора можно поставить любое нечетное количество инверторов.

Рисунок 7 – Эквивалентная схема замещения

Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рисунке 7.

Генератор Пирса – одна из наиболее популярных схем. Она является основой практически всех генераторов на одном вентиле. Кварц ведет себя как большая индуктивность, так как он подключен параллельно. Роль нагрузки на выход резонатора играют конденсаторы C1 и C2. Конденсаторы C1 и C2 играют роль нагрузочной емкости кварцевого резонатора.

В качестве резонатора выбираем кварцевый резонатор: KX-49 номинальная частота которого - 2.4576 МГц. В таблице 2 приведены параметры кварцевого резонатора.

Таблица 2 Параметры KX-49

С L	R 1	C 0	F
30пФ	200 Ом	7пФ	2,4576 МГц

Резистор R1 предназначен для автоматического запуска генератора при включении питания. Этот же элемент определяет коэффициент усиления инвертора, и чем больше будет этот коэффициент усиления, тем более прямоугольные колебания будут формироваться на его выходе, а это, в свою очередь, приведёт к снижению тока, потребляемого кварцевым генератором. Выберем номинал резистора R1 равным 1Мом.

Резистор R2 увеличивает импеданс цепи, с тем чтобы вместе с конденсатором C2 увеличить фазовый сдвиг. Это нужно для того, чтобы генератор заработал на нужной, а не на большей частоте. Резистор также изолирует выход инвертора от цепи резонатора и этим сохраняет прямоугольную форму импульса. Номинал резистора должен быть примерно равен импедансу нагрузки Z L , который можно вычислить по приведенной формуле:

Импульсы с частотой f=2,4576 МГц поступают на счетчик ИЕ16, с Q7 выхода счетчика получаем импульсы с частотой f/ 256=9.6 кГц.

4.2 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения

В качестве генератора линейно изменяющегося напряжения выбирается схема на рисунке 5.

Рассматриваемый ГЛИН выполнен на базе интегратора напряжения (DD2, RC- цепь, источник питания U1), управляемого генератором прямоугольных импульсов и источника питания U1. Когда транзистор закрыт, через него протекает неуправляемый (начальный) ток стока. При открытом транзисторе ток через транзистор должен определяться величиной сопротивления нагрузки и напряжением питания.

Когда линейно изменяющееся напряжение Uc(t) на выходе интегратора достигнет значения напряжения срабатывания, происходит подача сигнала управления, под действием которого ключевой транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор. Далее процесс повторяется с периодом:

Задаемся частотой раной 9,6 кГц.

Напряжение Ucm целесообразно выбирать минимальным, чтобы исключить влияние разброса параметров используемых резисторов на коэффициент нелинейности формируемого напряжения.

Максимальное напряжение на конденсаторе связано с длительностью зависимостью

t

Выбираем U1 = 5В, U2=0В, тогда Ucm = 5В.

Выбираем R 6 = R 5 = 10 кОм,тогда С 3 = 96нФ.

Исходя из следующего, найдем R9.

Uвых = 10 В, тогда:R 9 = Ucmax*R 6 / Uвых = 5*10000/10≈ 2 кОм, берем ближайшее по номиналу

R 9 = R 10 =2 кОм

В качестве ОУ DD3 выбран 140УД7. Питание ±10В.

4.3 Выбор компаратора

В качестве компаратора DD4 используется 521СА3 для обеспечения стабильной работы ШИМ.

Технические характеристики аналогового компаратора 521СА3

Аналог LM111

Входной ток не более 100 нА

Коэффициент усиления не менее 200000

Ток нагрузки до 50 мА

Питание +5...+30 или ±3...±15 В

Области применения

Детекторы пересечения нуля

Детекторы перенапряжений

Широтно-импульсные модуляторы

Прецизионные выпрямители

Аналого-цифровые преобразователи

Резистор R12 в сочетании с диодами D1 и D2 ограничивает размах входного сигнала. Благодаря диодам в ограничиваем размах входного напряжения значениями -12,6 В до +12,6 В, условие состоит в том, что отрицательное входное напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя (например, для диода типа КД510А это значение составляет - 50 В).

Таблица 3 Параметры выбранного транзистора

Наимен.	U обр. ,В	I пр. max, A	I обр. max, мкА	F d max, кГц
КД510А	50	0.2	5	200000

4.4 Расчет электронного ключа

В качестве ключа выбирается следующая схема:

Рисунок 9 – Схема электронного ключа

Rн =0,5 к Ом, Uвых =10В.

Iк=Uвых/Rн=10/500=50mА

По справочнику ищем транзистор, который выдержит заданный ток коллектора (0,05А). Транзистор КТ315А держит постоянный ток до 0,1 А.

Из справочника - h21э, для КТ315А

Считаем базовый ток Iб=Ik/h21э=0.05/30≈ 1,67 mA, на базу надо подводить ток не ниже 167 мкА.

R14 – согласующее сопротивление между компаратором DD3 и транзистором VT2. Выберем R16 = 200 Ом.

R вых =R 15 =500 Ом по заданию, из ряда выбираем 510 Ом. на выходе необходимо получить 10 В, тогда рассчитаем величину резистора R 14

(U пит -U вых)/R 14 =U вых /R 15 ,

откуда R 14 =2R 15 /10=102 Ом, из стандартного ряда выбираем номинал 100 Ом. Рассеиваемая мощность 10В*1.25mA≈0,0125 Вт

Таблица 4. Параметры выбранного транзистора КТ315А

5. Моделирование схемы

Выходной сигнал с генератор треугольных импульсов:

Выходной сигнал с генератора прямоугольных импульсов:

Моделируемый сигнал:

Процесс модуляции:

Период выходного сигнала:

Наименьшая длительность импульса:

Длительность должна быть равна 5,12 мкс. По графику видно, что она составляет 5,56мкс.

Наибольшая длительность импульса:

Длительность импульса должна составлять 97,37мкс. По графику видно, что она равна 97,74 мкс.

Заключение

В данной курсовой работе разработали принципиальную схему и произвели расчет схемы Широтно-Импульсного модулятора. На вход устройства ШИМ подается синусоида с частотой согласно заданию – 200 Гц, на выходе имеем преобразованный ШИМ сигнал, амплитуда которого 10 В. Диапазон изменения относительной длительности выходных импульсов данного ШИМ составляет – 0.05 ÷ 0.95. Разработанный широтно-импульсный модулятор является достаточно простым. Моделирование схемы производили с помощью пакета CircuitMaker.

Список использованной литературы

1. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые резонаторы: справочное пособие. М.:Радио и связь, 1984.-232с., ил.

2. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. шестое. М.: Мир, 2001.

3. Лекционный курс по ЭЦиМС (преподаватель Андреев И.Б.).

4. Цифровые КМОП микросхемы, справочник, Партала О.Н. – СПб: Наука и техника, 2001. - 400 стр. с ил.

5. Л. Лабутин, Кварцевые резонаторы. - Радио, 1975, №3.

6. Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП. В. Стрижов,Схемотехника, 2000, № 2, стр. 28

7. Забродин Ю.С., Промышленная электроника: учебник для вузов. - М.: Высш. Школа, 1982. – 496с., ил.

Хорошее определение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) заключается в самом его названии. Это означает модуляция (изменение) ширины импульса (не частоты). Чтобы лучше понять что такое ШИМ , давайте сначала посмотрим некоторые основные моменты.

Микроконтроллеры представляют собой интеллектуальные цифровые компоненты которые работают на основе бинарных сигналов. Лучшее представление бинарного сигнала – меандр (сигнал имеющий прямоугольную форму). Следующая схема объясняет основные термины, связанные с прямоугольным сигналом.

В ШИМ-сигнале время (период), и следовательно частота является всегда постоянной величиной. Изменяется только время включения и время выключения импульса (скважность). Используя данный метод модуляции, мы можем получить необходимое нам напряжение.

Единственное различие между меандром и ШИМ-сигналом заключается в том, что у меандра время включения и отключения равны и постоянны (50% скважность), в то время как ШИМ-сигнал имеет переменную скважность.

Меандр может рассматриваться как частный случай ШИМ сигнала, который имеет 50% рабочий цикл (период включения = период отключения).

Рассмотрим на примере использование ШИМ

Допустим, мы имеим напряжение питания 50 вольт и нам необходимо запитать какую-либо нагрузку, работающую от 40 вольт. В этом случае хороший способ получения 40В из 50В — это использовать так называемый понижающий чоппер (прерыватель).

ШИМ сигнал, генерируемый чеппером, поступает на силовой узел схемы (тиристор, полевой транзистор), который в свою очередь управляет нагрузкой. Этот ШИМ-сигнал может легко генерироваться микроконтроллером, имеющим таймер.

Требования к ШИМ-сигналу для получения с помощью тиристора 40В из 50В: подача питания, на время = 400мс и выключение на время = 100мс (с учетом периода ШИМ сигнала равного 500 мс).

В общих словах это можно легко объяснить следующим образом: в основном, тиристор работает как переключатель. Нагрузка получает напряжение питания от источника через тиристор. Когда тиристор находится в выключенном состоянии, нагрузка не подключена к источнику, а когда тиристор находится в открытом состоянии, нагрузка подключается к источнику.

Этот процесс включения и выключения тиристора осуществляется посредством ШИМ сигнала.

Соотношение периода ШИМ-сигнала к его длительности называется скважность сигнала, а обратная к скважности величина именуется коэффициентом заполнения.

Если коэффициент заполнения равен 100, то в этом случае у нас сигнал постоянный.

Таким образом, скважность импульсов (рабочий цикл) может быть вычислен с использованием следующей формулы:

Используя выше приведенные формулы, мы можем рассчитать время включения тиристора для получения необходимого нам напряжения.

Умножая скважность импульсов на 100, мы можем представить это в процентном соотношении. Таким образом, процент скважность импульсов прямо пропорционален величине напряжения от исходного. В приведенном выше примере, если мы хотим получить 40 вольт от 50 вольт источника питания, то это может быть достигнуто путем генерации сигнала со скважность 80%. Поскольку 80% из 50 вместо 40.

Для закрепления материала, решим следующую задачу:

• рассчитаем длительность включения и выключения сигнала, имеющего частоту 50 Гц и скважность 60%.

Полученный ШИМ волны будет иметь следующий вид:

Один из лучших примеров применения широтно-импульсной модуляции является использование ШИМ для регулировки скорости двигателя или яркости свечения светодиода.

Этот прием изменения ширины импульса, чтобы получить необходимый рабочий цикл называется “широтно-импульсная модуляция”.

Лабораторная работа №4

Широтно-импульсная модуляция

Цели работы:

1. Познакомиться со способами получения сигналов с широтно-импульсной модуляцией

2. Познакомиться со способами восстановления постоянного напряжения из сигналов с широтно-импульсной модуляцией

3. Познакомиться с некоторыми примерами применения ШИМ-сигналов

4. Познакомиться с моделированием в среде B2 Spice Workshop поведения схем в частотной области

Импульсный периодический сигнал (рисунок 1) имеет ряд характеристик:

Амплитуда импульса ;

Период (и обратная ему величина – частота );

Длительность импульса ;

Фаза (сдвиг импульса относительно начала периода).

Варьирование всех этих характеристик может быть использовано при обработке измерительных сигналов, а также для передачи данных. Говорят о:

Амплитудной модуляции, если амплитуда импульсов пропорциональна величине входного сигнала;

Частотной модуляции, если частота следования импульсов пропорциональна величине входного сигнала;

Широтно-импульсной модуляции, если длительность импульсов пропорциональна величине входного сигнала;

Фазовой модуляции, если фаза импульсов пропорциональна величине входного сигнала.

Рисунок 1. Характеристики импульсных периодических сигналов

1. Формирование ШИМ-сигнала

В основе метода формирования сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала) используется та же идея, что и в АЦП развертывающего типа: на положительный вход устройства сравнения подается преобразуемый постоянный сигнал, на отрицательный вход – линейно изменяющийся во времени сигнал (рисунок 2). Сравнивающее устройство выдает сигнал логического нуля, если опорный линейно изменяющийся сигнал больше преобразуемого, и наоборот.

Очевидно, что время , прошедшее от момента перехода линейно изменяющегося сигнала через ноль и до срабатывания устройства сравнения будет прямо пропорционально величине преобразуемого сигнала и обратно пропорционально крутизне наклона опорного сигнала.

Рисунок 2. Преобразование постоянного сигнала во временной интервал

На практике в качестве устройства сравнения применяется компаратор напряжения, на входы которого подаются преобразуемое напряжение и сигнал с выхода генератора треугольных или пилообразных импульсов (рисунок 3).

Рисунок 3. Преобразование постоянного напряжения в сигнал с ШИМ

Широтно-импульсная модуляция (по своей сути – преобразование напряжение-время) может использоваться как промежуточный этап при переходе от аналоговых к цифровым величинам. Длительность временного промежутка легко измерить, подсчитав число импульсов напряжения стабильной опорной частоты, которое прошло за этот промежуток. Сделать это можно с помощью счетчика, на счетный вход которого поступают импульсы опорной частоты, а на вход разрешения счета – измеряемый импульс (рисунок 4). При этом на выходе счетчика сразу получается цифровой код N, пропорциональный измеряемому напряжению.

Рисунок 4. Преобразование временного интервала в код

В настоящее время для целей аналого-цифрового преобразования ШИМ используется редко. Это объясняется:

Низкой помехоустойчивостью описанного способа преобразования напряжение-время (кратковременная помеха, наведенная на преобразуемый или опорный сигнал, может существенно исказить длительность импульса);

Сравнительно невысоким быстродействием;

Сложностью построения высококачественного генератора опорного линейно изменяющегося сигнала;

Наличием на рынке большого выбора законченных недорогих микросхем АЦП, основанных на иных принципах.

Однако ШИМ вполне может быть использован там, где нет высоких требований к точности и, например, нужно выполнить гальваническую развязку источника и приемника сигнала. В этом случае на стороне источника сигнала ставится простой генератор треугольного или пилообразного напряжения и компаратор. Выход компаратора (ШИМ-сигнал) управляет светодиодом оптрона, а приемная часть оптрона включается на стороне приемника сигнала (рисунок 5). Такой подход часто используется для организации обратной связи в сетевых импульсных блоках питания.

Рисунок 5. Гальваническая развязка аналоговых сигналов с помощью ШИМ. Цепи, расположенные слева и справа от оптрона DA2 не связаны гальванически

На рисунке 6 приведена схема формирования ШИМ-сигнала (файл PWM001.ckt). Источник напряжения V1 представляет собой генератор пилообразного напряжения, источник V3 – источник преобразуемого постоянного напряжения, источник V2 питает компаратор DA1 MAX907 (полную техническую документацию на MAX907 см. в файле MAX907-MAX909.pdf).

Рисунок 6. Формирователь ШИМ-сигнала

Задания.

1. В каком диапазоне входных напряжений V3 может работать данная схема? Какие изменения следует внести в схему, чтобы с её помощью можно было преобразовывать напряжение в диапазоне от –1 до +1 В?

2. Покажите, что в качестве опорных могут с одинаковым успехом использоваться генераторы треугольного и пилообразного напряжения. Какие различия будут у сигналов, сформированных двумя способами?

3. Промоделировав работу схемы во временной области при нескольких разных значениях V3, постройте график зависимости длительности выходных импульсов (коэффициента заполнения) от величины входного постоянного напряжения.

4. Промоделируйте работу для случая, когда V3 представляет собой сумму постоянной составляющей 0,1В и синуса амплитудой 50 мВ с частотой 125кГц. Объясните полученные результаты.

2. Восстановление исходного сигнала из ШИМ-сигнала

Как уже говорилось, одно из применений широтно-импульсной модуляции – это переход от напряжения к длительности импульса с целью последующего измерения этой длительности цифровым способом. Но в том случае, если ШИМ используется только в целях передачи информации о величине напряжения, возникает необходимость восстановить напряжение из ШИМ-сигнала.

Простейший способ – подать напряжение с широтно-импульсной модуляцией на фильтр низкой частоты. При подаче на вход ФНЧ периодического сигнала с периодом на его выходе будет присутствовать постоянная составляющая такого сигнала:

(1)

Если – это ШИМ-сигнал с амплитудой и длительность импульсов , то:

(2)

Таким образом, прямо пропорционально коэффициенту заполнения (отношению длительности импульса к периоду). Однако, в силу того, что реальный ФНЧ частично пропускает и высокочастотные составляющие ШИМ-сигнала, на выходе фильтра будут присутствовать и пульсации (рисунок 7).

Простейшим ФНЧ является RC-цепочка (рисунок 8, файл PWM002.ckt). Она характеризуется постоянной времени и частотой среза . Казалось бы, для улучшения подавления ВЧ составляющих ШИМ-сигнала достаточно уменьшить частоту среза такого ФНЧ, т.е., увеличить постоянную времени . Однако, такое решение дает лишь незначительное уменьшение пульсаций, за которое приходится расплачиваться существенным увеличением переходный процессов при изменении скважности сигнала. (Для ФНЧ 1-го порядка, переходная характеристика достигает 95% конечного значения за время приблизительно равное , 99% – за , 99,9% – за , 99,99% – за ).

Рисунок 7. Фильтрация ШИМ-сигнала идеальным и реальным ФНЧ

Рисунок 8. Выделение постоянной составляющей ШИМ-сигнала с помощью

ФНЧ первого порядка

Более эффективным может быть использование фильтров с той же частотой среза, но более высоких порядков. По сравнению с ФНЧ 1-го порядка такие фильтры имеют более крутой спад частотной характеристики, а значит, обеспечивают и лучшее подавление ВЧ-составляющих. При этом время переходного процесса при изменении скважности ШИМ-сигнала увеличивается незначительно. На рисунке 9 приведена схема с использованием активного ФНЧ Баттерворта 3-го порядка, реализованного на базе операционных усилителей (файл PWM003.ckt). Источник напряжения V1 является источником ШИМ-сигнала, а источники V2 и V3 используются для питания операционных усилителей активного фильтра. (Полную техническую документацию на ОУ MCP604 см. в файле mcp604.pdf).

Дорогой Бобот, не мог бы ты немного побольше рассказать об импульсах?

Хорошо, что ты попросил, дружище Бибот. Так как именно импульсы являются главными носителями информации в цифровой электронике, поэтому очень важно знать разные характеристики импульсов. Начнём, пожалуй, с одиночного импульса.

Электрический импульс - это всплеск напряжения или тока в определённом и конечном промежутке времени.

Импульс всегда имеет начало (передний фронт) и конец (спад).
Ты уже наверняка знаешь, что в цифровой электронике все сигналы могут быть представлены всего двумя уровнями напряжения: "логической единицей" и "логическим нулём". Это всего лишь условные величины напряжения. "Логической единице" приписывается высокий уровень напряжения, обычно около 2-3 вольт, "логическим нулём" считается близкое к нулю напряжение. Цифровые импульсы графически изображаются прямоугольными или трапециевидными по форме:

Главной величиной одиночного импульса является его длина. Длина импульса - это отрезок времени, в течение которого рассматриваемый логический уровень имеет одно устойчивое состояние. На рисунке латинской буквой t отмечена длина импульса высокого уровня, то есть логической "1". Длина импульса измеряется в секундах, но чаще в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и даже наносекундах (нс). Одна наносекунда - это очень короткий отрезок времени!
Запомни: 1 мс = 0,001 сек.
1 мкс = 0,000001 сек
1 нс = 0,000000001 сек
Применяются также англоязычные сокращения: ms - миллисекунда, μs - микросекунда, ns - наносекунда.

За одну наносекунду я даже пикнуть не успею!
Скажи, Бобот, а что произойдёт, если импульсов будет много?

Хороший вопрос, Бибот! Чем больше импульсов, тем больше информации можно ими передать. У множества импульсов появляется много характеристик. Самая простая - частота следования импульсов.
Частота следования импульсов - это количество полных импульсов в единицу времени. За единицу времени принято брать одну секунду. Единицей измерения частоты является герц, по имени немецкого физика Генриха Герца . Один герц - это регистрация одного полного импульса за одну секунду. Если произойдёт тысяча колебаний в секунду будет 1000 герц, или сокращённо 1000 Гц, что равно 1 килогерцу, 1 кГц. Можно встретить и англоязычное сокращение: Hz - Гц. Частота обозначается буквой F .

Существуют ещё несколько характеристик, которые проявляются только при участии двух и более импульсов. Одним из таких важных параметров импульсной последовательности является период.
Период импульсов - это промежуток времени, между двумя характерными точками двух соседних импульсов. Обычно период измеряют между двух фронтов или двух спадов соседних импульсов и обозначают заглавной латинской буквой T .

Период следования импульсов напрямую связан с частотой импульсной последовательности, и его можно вычислить по формуле: T=1/F
Если длина импульса t точно равна половине периода T , то такой сигнал часто называют "меандр ".

Скважностью импульсов называется отношение периода следования импульсов к их длительности и обозначается буквой S: S=T/t Скважность - безразмерная величина и не имеет единиц измерения, но может быть выражена в процентах. Часто в англоязычных текстах встречается термин Duty cycle, это так называемый коэффициент заполнения.
Коэффициент заполнения D является величиной, обратной скважности. Коэффициент заполнения обычно выражается в процентах и вычисляется по формуле: D=1/S

Дорогой Бобот, так много разного и интересного у простых импульсов! Но потихоньку я уже начинаю путаться.

Дружище, Бибот, это ты верно заметил, импульсы - не так уж и просты! Но осталось совсем чуть-чуть.

Если ты меня внимательно слушал, то ты мог заметить, что если увеличивать или уменьшать длину импульса и при этом на столько же уменьшать или увеличивать паузу между импульсами, то период следования импульсов и частота останется неизменной! Это очень важный факт, который нам ещё не раз понадобится в будущем.

Но сейчас ещё хочется добавить другие способы передачи информации с помощью импульсов.
Например, можно несколько импульсов объединить в группы. Такие группы с паузами определённой длины между ними называют пачками или пакетами. Генерируя разное число импульсов в группе и варьируя его, можно также передавать какую-либо информацию.

Для передачи информации в цифровой электронике (ещё её называют дискретной электроникой) можно использовать два и более проводников или каналов с разными импульсными сигналами. При этом информация передаётся с учётом определённых правил. Такой метод позволяет заметно увеличить скорость передачи информации или добавляет возможность управлением потоком информации между различными схемами.

Перечисленные возможности передачи информации с помощью импульсов могут быть использованы как сами по себе раздельно, так и в комбинации между собой.
Существуют также множество стандартов передачи информации с помощью импульсов, например I2C, SPI, CAN, USB, LPT.

1.4. Тиристоры

1.4.1. Принцип действия тиристора

1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора

1.4.3. Динамические характеристики тиристора

1.4.4. Типы тиристоров

1.4.5. Запираемые тиристоры

2. Схемы управления электронными ключами

2.1. Общие сведения о схемах управления

2.2. Формирователи импульсов управления

2.3. Драйверы управления мощными транзисторами

3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов

3.1. Электромагнитные компоненты

3.1.1. Гистерезис

3.1.2. Потери в магнитопроводе

3.1.3. Сопротивление магнитному потоку

3.1.4. Современные магнитные материалы

3.1.5. Потери в обмотках

3.2. Конденсаторы для силовой электроники

3.2.1. Конденсаторы семейства мку

3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы

3.2.3. Танталовые конденсаторы

3.2.4. Пленочные конденсаторы

3.2.5. Керамические конденсаторы

3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах

3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей

3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей

4. Принципы управления силовыми электронными ключами

4.1. Общие сведения

4.2. Фазовое управление

4.3. Импульсная модуляция

4.4. Микропроцессорные системы управления

5. Преобразователи и регуляторы напряжения

5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.

5.2. Трехфазные выпрямители

5.3. Эквивалентные многофазные схемы

5.4. Управляемые выпрямители

5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя

5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях

6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения

6.1. Импульсный регулятор напряжения

6.1.1. Импульсный регулятор с шим

6.1.2. Импульсный ключевой регулятор

6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя

6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения

6.2.3. Инвертирующий преобразователь

6.3. Другие разновидности преобразователей

7. Инверторы преобразователей частоты

7.1. Общие сведения

7.2. Инверторы напряжения

7.2.1. Автономные однофазные инверторы

7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения

7.3. Трёхфазные автономные инверторы

8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях

8.1. Общие сведения

8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах

8.2.1. Инверторы напряжения

8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения

8.3. Инверторы тока

8.4. Модуляция пространственного вектора

8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока

8.5.1. Инвертирование

8.5.2. Выпрямление

9. Преобразователи с сетевой коммутацией

10. Преобразователи частоты

10.1. Преобразователь с непосредственной связью

10.2. Преобразователи с промежуточным звеном

10.3.1. Двухтрансформаторная схема

10.3.3. Схема каскадных преобразователей

11. Резонансные преобразователи

11.2. Преобразователи с резонансным контуром

11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки

11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки

11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром

11.4. Преобразователи класса е

11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения

12. Нормативы на показатели качества электрической энергии

12.1. Общие сведения

12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей

12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей

12.4. Корректор коэффициента мощности

13. Регуляторы переменного напряжения

13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах

13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах

Вопросы для самоконтроля

14. Новые методы управления люминесцентными лампами

Вопросы для самоконтроля

Заключение

Библиографический список

620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева,30

8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях

8.1. Общие сведения

Принципы импульсного управления и модуляции рассмотрены в гл. 4 на при­мере простейшей схемы регулятора постоянного тока. При этом даны определе­ния основных видов импульсной модуляции, используемых в теории линейных импульсных систем, которые соответствуют практике управления импульсными преобразователями постоянного тока.

Однако широтно-импульсная модуляция напряжений или токов в преобразова­телях переменного тока имеет в силовой электронике несколько иное определе­ние, учитывающее особенности ШИМ при решении задач преобразования элект­роэнергии на переменном токе. Согласно определению МЭК 551-16-30, широтно- импульсной модуляцией называется импульсное управление, при котором ширина или частота импульсов или и та и другая модулируются в пределах периода основ­ной частоты для того, чтобы создать определенную форму кривой выходного напряжения. В большинстве случаев ШИМ осуществляется в целях обеспечения синусоидальности напряжения или тока, т. е. снижения уровня высших гармоник относительно основной (первой) гармоники, и называется синусоидальной. Разли­чают следующие основные методы обеспечения синусоидальности: аналоговая ШИМ и ее модификации; избирательное (селективное) подавление высших гармоник; гистерезисная или дельта-модуляция;

модуляция пространственного вектора.

Классическим вариантом организации аналоговой синусоидальной ШИМ явля­ется изменение ширины импульсов, формирующих выходное напряжение (ток) посредством сравнения сигнала напряжения заданной формы, называемого опор­ным или эталонным, с сигналом напряжения треугольной формы, имеющим более высокую частоту и называемым несущим сигналом. Опорный сигнал является модулирующим и определяющим требуемую форму выходного напряжения (тока). Существует много модификаций этого метода, в которых модулирующие сигналы представлены специальными функциями, отличными от синусоиды. В конспекте лекций будет рассмотрено несколько основных схем поясняющих эти методы ШИМ.

Метод избирательного подавления высших гармоник в настоящее время успешно реализуется средствами микропроцессорных контроллеров на основе программного обеспечения. Гистерезисная модуляция основана на принципах релейного «слежения» за опорным сигналом, например, синусоидальной формы. В простейшем техниче­ском исполнении этот метод сочетает принципы ШИМ и ЧИМ (частотно-импульсной модуляции). Однако посредством специальных схемотехнических мер можно стабилизировать частоту модуляции или ограничить диапазон ее изменения.

Метод модуляции пространственного вектора основан на преобразовании трехфазной системы напряжения в двухфазную и получении обобщенного про­странственного вектора. Величина этого вектора рассчитывается в моменты, определяемые основной и модулирующей частотами. Он считается весьма пер­спективным для управления трехфазными инверторами, в частности, при исполь­зовании их в электроприводе. В то же время он во многом сходен с традиционной синусоидальной ШИМ.

Системы управления на основе ШИМ позволяют не только обеспечить синусо­идальную форму усредненных значений основной гармоники напряжения или тока, но и управлять значениями ее амплитуды, частоты и фазы. Так как в этих случаях в преобразователе используются полностью управляемые ключи, то становится возможным реализовать работу преобразователей переменного (постоянного) тока совместно с сетью переменного тока во всех четырех квадрантах в режимах как выпрямления, так и инвертирования с любым заданным значением коэффициента мощности основной гармоники cosφ в диапазоне от -1 до 1. Более того, с увеличе­нием несущей частоты расширяются возможности воспроизведения на выходе инверторов тока и напряжения заданной формы. Это позволяет создавать актив­ные фильтры для подавления высших гармоник.

Основные определения, используемые при дальнейшем изложении, рассмот­рим на примере применения первого метода в однофазной полу мостовой схеме инвертора напряжения (рис. 8.1, а ). В этой условной схеме ключи S 1 и S 2 пред­ставлены полностью управляемыми коммутационными элементами, дополнен­ными последовательно и параллельно соединенными с ними диодами. Последова­тельные диоды отражают однонаправленную проводимость ключей (например, транзисторов или тиристоров), а параллельные обеспечивают проводимость обратных токов при активно-индуктивной нагрузке.

Диаграммы опорного, модулирующего u M (θ) и несущего u H (θ) сигналов приве­дены на рис. 8.1, б . Формирование импульсов управления ключами S 1 и S 2 осу­ществляется по следующему принципу. При u M (θ) > u H (θ) ключ S 1 включен, a S 2 выключен. При u M (θ) < u H (θ) состояния ключей изменяются на противоположные: S 2 - включен, a S 1 - выключен. Таким образом, на выходе инвертора формиру­ется напряжение в виде двух полярных импульсов. В реальных схемах для исключе­ния одновременной проводимости ключей S 1 и S 2 следует предусматривать опреде­ленную задержку между моментами формирования сигналов на включение этих ключей. Очевидно, что ширина импульсов зависит от соотношения амплитуд сигна­лов u M (θ) и u H (θ). Параметр, характеризующий это соотношение, называется индексом амплитудной модуляции и определяется по формуле (8.1):

, (8.1.)

где U M m и U H m - максимальные значения модулирующего сигнала u M (θ) и несущего сигнала u H (θ) соответственно.

Рис. 8.1. Однофазный полу мостовой инвертор напряжения: а – схема; б – диаграммы напряжения при импульсной модуляции

Частота несущего сигнала u H (θ) равна частоте коммутации f H ключей S 1 и S 2 и обычно значительно превышает частоту модулирующего сигнала f M . Соотношение частот f H и f M является важным показателем эффективности процесса модуляции и называется индексом частотной модуляции, который определяется по формуле (8.2):

При малых значениях M f сигналы u M (θ) и u H (θ) должны быть синхронизированы, чтобы избежать появления нежелательных субгармоник. В в качестве максимального значения My , определяющего необходимость синхронизации, уста­навливается М f = 21. Очевидно, что при синхронизированных сигналах и коэффициент M f является постоянной величиной.

Из диаграммы на рис. 8.1 видно, что амплитуда первой гармоники выходного напряжения U am 1 может быть с учетом (8.1) представлена в следующем виде (8.3):

(8.3)

Согласно (8.3) при М a = 1 амплитуда первой гармоники выходного напряжения равна высоте прямоугольника полуволн U d /2. Характерная зависимость относи­тельного значения первой гармоники выходного напряжения от значения М a пред­ставлена на рис. 8.2, из которого видно, что изменение М a от 0 до 1 линейно и зависит от амплитуды U am 1 . Предельное значение величины М a определяется прин­ципом рассматриваемого вида модуляции, согласно которому максимальное зна­чение U am 1 ограничено высотой полуволны прямоугольной формы, равной U d /2. При дальнейшем увеличении коэффициента М a модуляция приводит к нелиней­ному возрастанию амплитуды U am 1 до максимального значения, определяемого формированием на выходе инвертора напряжения прямоугольной формы, которое в дальнейшем остается неизменным.

Разложение прямоугольной функции в ряд Фурье дает максимальное значение (8.4):

(8.4)

Эта величина ограничивается значением индекса М а, изменяющегося в диапа­зоне от 0 до примерно 3. Очевидно, что функция на интервале а-б значений от 1 до 3,2 является нелинейной (рис. 8.2). Режим работы на этом участке называется сверх модуляцией.

Значение M f определяется выбором частоты несущего сигнала u H (θ) и сущест­венно влияет на технические характеристики преобразователя. С ростом частоты увеличиваются коммутационные потери в силовых ключах преобразователей, но при этом улучшается спектральный состав выходного напряжения и упрощается реше­ние задачи фильтрации высших гармоник, обусловленных процессом модуляции. Важным фактором выбора значения f H во многих случаях является необходимость обеспечения его значения в звуковом диапазоне частоты более 20 кГц. При выборе f H следует также учитывать уровень рабочих напряжений преобразователя, его мощность и другие параметры.

Рис. 8.2. Зависимость относительного значе­ния амплитуды основной гармоники выход­ного напряжения от индекса амплитудной модуляции для однофазной полу мостовой схемы

Общей тенденцией здесь является рост значений M f преобразователей малой мощности и низких напряжений и наоборот. Поэтом выбор M f является многокритериальной оптимизационной задачей.

Импульсная модуляция со стохастическим процессом . Использование ШИМ в преобразователях связано с появлением высших гармоник в модулируе­мых напряжениях и токах. При этом в спектральном составе этих параметров наиболее значительные гармоники возникают на частотах, кратных индексу час­тотной модуляции M f и сгруппированных около них на боковых частотах гармо­ник с убывающими амплитудами. Высшие гармоники могут порождать следую­щие основные проблемы:

возникновение акустических шумов;

ухудшение электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими электротех­ническими устройствами или системами.

Основными источниками акустических шумов являются электромагнитные компоненты (дроссели и трансформаторы), на которые воздействуют ток и напря­жение, содержащие высшие гармоники с частотами звукового диапазона. Следует отметить, что шумы могут возникать на определенных частотах, где высшие гар­моники имеют максимальное значение. Факторы, вызывающие шумы, например явление магнитострикции, усложняют разрешение проблемы ЭМС. Проблемы с ЭМС могут возникать в широком частотном диапазоне в зависимости от критич­ности к уровню электромагнитных помех электротехнических устройств. Тради­ционно для снижения уровня шумов использовались конструктивные и технологи­ческие решения, а для обеспечения ЭМС применялись пассивные фильтры.

В качестве перспективного направления решения этих проблем рассматрива­ются методы, связанные с изменением характера спектрального состава модули­руемых напряжений и токов. Сущность этих методов состоит в выравнивании час­тотного спектра и снижении амплитуды явно выраженных гармоник за счет стохастического их распределения в широком частотном диапазоне. Такой прием иногда называется «размазыванием» частотного спектра. Концентрация энергии помех уменьшается на частотах, где гармоники могут иметь максимальные значе­ния. Реализация этих методов не связана с воздействием на компоненты силовой части преобразователей и в большинстве случаев ограничена программными средствами с незначительным изменением системы управления.

Рассмотрим кратко принципы реализации этих методов. В основе ШИМ лежит изменение коэффициента заполнения γ= t и / T n , где t и - длительность импульса; Т n - период его формирования. Обычно эти величины, а также положение импульса на интервале периода Т n являются постоянными в установившихся режимах. Результаты ШИМ определяются как интегральные усредненные значе­ния. В этом случае детерминированные значения t и и включая положение импульса, обусловливают неблагоприятный спектральный состав модулируемых параметров. Если этим величинам придать случайный характер при сохранении заданного значения γ, то процессы становятся стохастическими и спектральный состав модулируемых параметров изменяется. Например, такой случайный харак­тер можно придать положению импульса t и на интервале периода Т n или обеспе­чить стохастическое изменение последнего. Для этой цели может использоваться генератор случайных чисел, воздействующий на задающий генератор частоты модуляции f n =1/T n . Аналогичным образом можно изменять положение импульса на интервале Т n с математическим ожиданием, равным нулю. Усреднен­ное интегральное значение γ должно оставаться на заданном системой регулирова­ния уровне, в результате чего будет реализовано выравнивание спектрального состава высших гармоник в модулируемых напряжениях и токах.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные методы ШИМ для обеспечения синусоидальности тока или напряжения.

2. В чем отличие однополярной модуляции напряжения от двухполярной?

3. Перечислите основные параметры ШИМ.

4. С какой целью используется ШИМ со стохастическими процессами?