ШИМ контроллер: принцип работы

ШИМ сигналом управляет ШИМ контроллер. Он управляет силовым ключом благодаря изменениям управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открытым или полностью открытым. В закрытом состоянии через p-n-переход идет ток не больше нескольких мкА, то есть мощность рассеивания близка к нулю. В открытом состоянии идет большой ток, но так как сопротивление p-n-перехода мало, происходят небольшиетеплопотери. Больше тепла выделяется впри переходе из одного состояния в другое. Однако благодаря быстроте переходного процесса в сравнении с частотой модуляции, мощность этих потерь незначительна.

Все это позволило разработать высокоэффективный компактный широтно импульсный преобразователь, то есть с малыми теплопотерями. Резонансные преобразователи с переключением в 0 тока ZCS позволяют свести теплопотери к минимуму.

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется при помощи аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий — непрерывный модулирующий.

Выходные импульсы идут прямоугольной формы. Частота их следования соответствует частоте пилы, а длительность плюсовой части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, идущего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, подающегося на инвертирующий вход. В период когда напряжение пилообразного сигнала будет превышать модулирующий сигнал — на выходе будет фиксироваться отрицательная часть импульса.

Во время когда пилообразный сигнал подается на неинвертирующий вход, а модулирующий — на инвертирующий, выходные прямоугольные импульсы будут положительными, когда напряжение пилы будет выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, а отрицательное — когда напряжение пилы станет ниже сигнала модулирующего.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может формировать на выходах или 100% высокий или 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой такое напряжение на выходе нужно изменять. Например, когда осуществляется регулировка скорости вращения вала мотора или при изменении яркости светодиода.

Вопрос решают ШИМ контроллеры. То есть, 2-хуровневая импульсно-кодированная модуляция — это серия импульсов, характеризующаяся частотой 1/T и либо шириной Т, либо шириной 0. Для их усреднения применяется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольныеподимпульсы, которыми и заполнен период, могут занимать любое место в периоде. Тогда на среднем значении сигнала за период сказывается лишь их количество. Так как процесс осуществляется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной регулировки. ШИМ контроллеры решают эту задачу.

Можно провести следующую аналогию с механикой. Когда маховик вращается при помощи двигателя, при включенном двигателе маховик будет раскручиваться или продолжать вращение, если двигатель выключен, маховик будет тормозить из-за сил трения. Однако, если движок включать/выключать на несколько секунд, вращение маховика будет держаться на определенной скорости благодаря инерции. Чем дольше период включения двигателя, тем быстрее раскрутится маховик. Аналогично работает и ШИМ модулятор. Так работают ШИМ контроллеры, в которых переключения происходят в секунду тысячи раз, и частоты могут достигнуть единиц мегагерц.

Использование ШИМ-контроллеров обусловлено их следующими преимуществами:

• стабильностью работы;
• высокой эффективностью преобразования сигнала;
• экономией энергии;
• низкой стоимостью.

Получить на выводах микроконтроллера (МК) ШИМ сигнал можно:

• аппаратным способом;
• программным способом.

В каждом МК есть встроенный таймер, генерирующий ШИМ импульсы на определённых выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ сигнала при помощи команд программирования более эффективно за счет разрешающей способности и дает возможность задействовать больше выводов. Но программный способ вызывает высокую загрузку МК, занимая много памяти.

Принцип шим-регулятора

Работа ШИМ регулятора сложностью не отличается. ШИМ-регулятор — устройство, выполняющее такую же функцию, что и традиционный линейный регулятор мощности (то есть, меняет напряжение или ток за счёт силового транзистора, рассеивающего значительную мощность на себе). Но ШИМ-регулятор отличается намного большим КПД. Достигается это благодаря тому, что управляющий силовой транзистор функционирует в ключевом режиме (либо включен, тогда пропускает большой ток, но мало падение напряжения, либо выключен — ток не проходит). В результате на таких силовых транзисторах мощность практически не рассеивается и энергия впустую не тратится.

После силового транзистора напряжение выходит как прямоугольные импульсы с изменяющейся скважностью в зависимости от необходимой мощности. Но сигнал нужно демодулировать (то есть, выделить среднее напряжение). Этот процесс происходит или в самой нагрузке (когда она индуктивного характера) или если между нагрузкой и силовым каскадом располагают фильтр нижних частот.

Самих режимов ШИМ в микроконтроллере ATmega8 существует несколько, рассмотрим их подробнее.

Режимы Работы таймера

Режим работы, т.е поведение Таймера/Счетчика и Модуля Сравнения, определяется комбинацией битов WGM2:0 и COMx1:0. Биты COMx1:0 никак не влияют на вычисление Инкремента или Декремента Таймера/Счетчика, в отличии от битов WGM2:0. Биты COMx1:0 влияют на Генерирование импульсов ШИМ, и определяют - будут ли они Инверсными или - нет (Инверсный ШИМ или НЕИнверсный ШИМ). Для Режима non- ШИМ биты COMx1:0 определяют, будет ли в Режиме Сравнения бит на Выходе: 1-Установлен; 2-Очищен; 3- Переключен (обращайтесь к разделу "Модуль Сравнения" на странице 64). За подробной информацией от Таймингах (Временных Задержках), обратитесь к Рисункам: 33, 34, 35 и 36 в разделе "Временные Диаграммы Таймера/Счетчика" на странице 70.

 

Режим Normal

Нормальный Режим ("Normal") работы является наиболее простым из всех (биты устанавливаются

так:WGM02:0 = 0). В Этом Режиме направление счета всегда является Инкрементирующим, а Очищение счетчика не выполняется. Счетчик просто переполняется, когда достигает максимального 8-битного значения (TOP=0xFF), а затем перезапускается заново со значения (0х00. В Normal Режиме Флаг Переполнения Т/С0 -TOV0- будет устанавливаться на том же цикле, на котором будет происходить обнуление Регистра TCNT0. В этом случае Флаг TOV0 ведет себя так, как будто он является девятым битом Регистра TCNT0 (хотя, это и не так), за исключением того, что этот Флаг устанавливается, а не сбрасывается. Однако, в комбинации с Прерыванием по Переполнению, которое автоматически очищает Флаг TOV0, Разрешение (диапазон) счетчика Т/С0 может быть Увеличено программно. Новое значение в Режиме Normal может быть записано в TCNT0 в любое время.

Модуль Сравнения может быть использован для вызова прерывания в нужное время. Не рекомендуется использовать Режим Сравнения для того, чтобы Генерировать какую-то частоту, так как это займет значительное время у ЦПУ.