ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

                ШИМ (широтно-импульсная модуляция) - это способ кодирования аналогового сигнала путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис. 1 представлены типичные графики ШИМ-сигнала (А, Б, В). Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период T, остаются неизменными. При уменьшении длительности (ширины импульса) t увеличивается пауза между импульсами (см. вариант "Б" на рис. 1) и, наоборот, при расширении импульса пауза сужается (вариант "В" на рис. 1). 


Рис. 1. Зависимость напряжения от скважности ШИМ-сигнала.

Режим ШИМ. Широтно-импульсная модуляция (рис. 2) заключается в генерировании сигнала с программируемыми частотой и коэффициентом заполнения. Для этого, например, необходимо загрузить в регистры сравнения R-1 и R-2 значения, равные количеству машинных циклов, в течение которых сигнал на выходе таймера равен "0" и "1" соответственно. Таким образом, содержимое регистра R-1 определяет длительность сигнала низкого уровня, а содержимое регистра R-2 - длительность сигнала высокого уровня на выходе таймера (рис. 2).


Рис. 2. Пример формирования ШИМ-сигнала

Сначала счетчик инициализируется значением 0000h. Затем содержимое счетчика инкрементируется до тех пор, пока не станет равным содержимому регистра R-1. В этот момент генерируется прерывание (если оно разрешено), изменяется уровень на выходе таймера, а в счетчик вновь записывается значение 0000h. Во втором цикле содержимое счетчика инкрементируется до тех пор, пока не станет равным содержимому регистра R-2. В этот момент генерируется прерывание (если оно разрешено), изменяется уровень на выходе таймера, а в счетчик вновь записывается значение 0000h. Описанный процесс постоянно повторяется с поочередным использованием регистров R-1 и R-2. Значения, записанные в регистрах R-1 и R-2, определяют коэффициент заполнения и период, а, следовательно, и частоту выходного сигнала. Если в регистрах R-1 и R-2 записано одно и то же число, на выходном контакте таймера будет присутствовать сигнал меандра, имеющий коэффициент заполнения, равный 50%. Если в момент записи в регистр R-1 значение таймера больше, чем записываемое, а на выходе таймера низкий уровень (т.е. таймер считает до совпадения с R-1), то таймер досчитает до FFFFh и затем до нового значения R-1, сохраняя на выходе низкий уровень. Аналогичная ситуация будет и при обновлении R-2, только на выходе таймера сохранится высокий уровень.
Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низших частот (RC цепочку), то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Назначение фильтра - не пропускать несущую частоту ШИМ. Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC цепи, или же может отсутствовать вовсе, например, если оконечная нагрузка имеет достаточную инерцию. Таким образом, имея в расположении лишь два логических уровня, "единицу" и "ноль", можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала.
В состав ШИМ-контроллера (рис. 3, 4) входят следующие схемы:
- задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя);
- схемы защиты;
- схемы контроля,
- логическая схема, которая управляет длительностью импульса.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ-контроллера контролировать величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. 
В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения:
- непосредственный;
- косвенный.
1. Непосредственный принцип реализации цепей слежения (напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя). Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 (рис. 3) приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а, следовательно, уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на контакте 1 ШИМ-контроллера (см. рис. 3). Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ-контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м контакте не будет соответствовать заданным параметрам. 



Рис. 3. Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением 
(Uпит, Rзащ , Cф)


При уменьшении напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 - процесс обратный - до тех пор, пока напряжение на 1-м контакте не будет соответствовать заданным параметрам. 
2. Косвенный принцип слежения (напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора, см. рис. 4). 


Рис. 4.

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.
                Схемы защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке ИБП. В случае КЗ вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ-контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток, а это, в конце концов, приведет к выходу из строя этого транзистора. 
                В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк, протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на контакт 2 ШИМ-контроллера, также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3, и блок питания перейдет в режим защиты (иначе говоря, отключится).