→ → Широтно импульсная модуляция в звуке. Основы конструирования усилителей класса D. Сравнение КПД усилителей различных классов

Широтно импульсная модуляция в звуке. Основы конструирования усилителей класса D. Сравнение КПД усилителей различных классов

Технология усиления звуковых сигналов развивается уже в течение 15-20 лет. Она имеет вполне определенные преимущества перед той, что реализована в широко распространенных аудиоусилителях классов A или AB. Мы имеем в виду усилитель D-класса. Его преимущество обусловлено прежде всего высоким КПД.

Классы автомобильных усилителей

Усилитель звука для авто, работающий в классе А, состоит из транзисторных каскадов, которые включены (проводят ток) как в течение всего времени действия входного аудиосигнала, так и при его отсутствии. У него низкий уровень искажений усиленного выходного звукового сигнала, поскольку его транзисторы работают на линейных участках своих характеристик и полностью транслируют входные сигналы на выход схемы, но он при этом имеет весьма низкий КПД. Эти устройства обычно предназначены для высококачественных аудиоприложений, для которых вопросы потерь мощности не являются определяющими. Транзисторы усилителей класса B проводят только либо отрицательные, либо положительные полуволны входного сигнала. Причем наличие зон нечувствительности вблизи нулевой отметки приводит к высокому уровню искажений. Однако этот эффект обеспечивает гораздо лучшие характеристики, чем в устройствах типа A. Усилитель класса AB комбинирует особенности обеих предыдущих с целью получения лучшего КПД, чем в классе A, но меньших искажений, чем в типе B. Хотя эти устройства хорошо подходят для маломощных приборов, или в лучшем случае средней мощности, тенденцией последних лет становится выпуск все более мощных усилителей. Когда-то 30 Вт считалось вполне достаточно, чтобы удовлетворить большинство потребителей. Теперь же этого вряд ли хватит, чтобы создать качественный стереоусилитель звука для авто. В результате были созданы новые их классы, включая и класс D, чтобы справиться с этой высокой мощностью потребления.

В чем преимущества устройств D-класса

Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.

Сравнение КПД усилителей различных классов

На рисунке ниже показана типовая зависимость КПД от выходной мощности для устройств классов D и AB.

Теоретическая максимальный КПД в D-классе достигает 100 %, и свыше 90 % достижимо на практике. Обратите внимание, что он достигает значений в 90 % уже при умеренной выходной мощности, тогда как максимум КПД в классе AB в 78 % получается только при полной мощности. В практическом же усилении музыкальных сигналов реализуется КПД менее чем 50 %. Усилитель звука класса D при высоком КПД потребляет меньше энергии для заданной выходной мощности, но еще более важно, что резко уменьшаются требования к теплоотводу. Тот, кто построил или видел мощный аудиоусилитель, наверняка знает, что для поддержания относительно невысокой температуры электроники необходимы большие алюминиевые радиаторы.

Нагрузка на силовой трансформатор уменьшается также на значительную величину, позволяя использовать меньший его габарит для той же выходной мощности. Можно ли собрать усилитель класса D своими руками?

На рисунке ниже показано такое устройство на 400 Вт.

Квалифицированный радиолюбитель не увидит в этой конструкции ничего такого, что заставило бы его отказаться от ее собственноручной реализации.

Область преимущественного использования

Если углубиться в детали этой технологии, можно заметить, что хороший (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель мощности D-класса должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, при использовании высокоскоростных сигнальных устройств и соответствующих источников питания. Поначалу это обусловило использование этого класса там, где не требуется полная пропускная способность и допустим более высокий уровень искажений, то есть в сабвуферах и в устройствах для промышленного использования.

Однако со временем все изменилось, и благодаря сегодняшнему быстродействию транзисторных ключей, использованию передовой техники обратной связи можно разработать устройства класса D для всевозможных применений, включая и звуковой усилитель в машину. Они характеризуются высоким уровнем мощности, небольшими размерами и низким уровнем искажений, сопоставимым с хорошей конструкцией класса AB.

Усилитель класса D: схема структурная

Он может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. Аналоговый вариант обычно состоит из компаратора, генератора треугольного сигнала и нескольких блоков для преобразования входного сигнала перед подачей его на выходные МОП-транзисторы. Схема такого аудиоусилителя показана на рисунке ниже.

Звуковой сигнал сначала преобразуется в импульсный широтно-модулированный (сокращенно ШИМ). Подобно сигналам в схемах цифровых устройств, принимающих всего два уровня - логических 1 и 0, он также имеет всего два уровня - высокий и низкий. Однако переменный уровень входного аудиосигнала содержится в таком его параметре, как длительность импульса. Чем больше входной сигнал, тем меньше длится импульс. Конечно, такая замена аналогового сигнала, способного принимать бесконечное число значений на любом интервале длительности импульса ШИМ-сигнала, всего одной величиной этой длительности приводит к потере информации. Но чем бльше частота следования импульсов, тем точнее воспроизводится впоследствии звук. Как же именно преобразует его усилитель класса D? Схема его содержит выходной каскад на полевых транзисторах, показанный отдельно на рисунке ниже.

Они усиливают входные импульсы, не внося в их форму практически никаких искажений. Усиленный ШИМ-сигнал, проходя далее через выходной фильтр нижних частот, вновь преобразуется в аналоговую форму, представляющую усиленный входной сигнал.

Еще раз о мощности, рассеиваемой выходными транзисторами

Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее - в классе A.

Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).

Что такое ШИМ-сигнал?

Выходные транзисторы усилителя D-класса могут создавать на выходе усилительного каскада всего два уровня напряжения, соответствующие двум вышеупомянутым состояниям. В таком случае синусоида не может быть представлена этими двумя возможными уровнями. На самом деле аудиосигнал модулирует длительность выходных прямоугольных импульсов, которые длятся от одного состояния транзистора до другого, так что информация о нем все же сохраняется. Теперь нам нужно понять, как делается подобная модуляция и как восстановить усиленный звуковой сигнал из импульсного. Наиболее распространенным способом, используемым в устройствах класса D, является ШИМ прямоугольных импульсов. Хотя частота следования последних фиксирована, длительность их меняется в зависимости от входного звукового сигнала. Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, длительность импульсов нарастает, а паузы между ними сокращаются, и наоборот.

Схема, генерирующая ШИМ-сигнал

Он обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с последовательностью импульсов треугольной формы. Оба сигнала подаются на вход компаратора, как это показано на рисунке ниже.

Треугольные импульсы определяют амплитуду входного аудиосигнала для полной модуляции и частоту переключения выходных транзисторов. «Цифровой» выход компаратора использует стандартные логические уровни, где 0 В соответствует логическому нулю, а 5 В - логической единице. Из-за этой квазиоцифровки ШИМ-сигнала усилители, использующие его, иногда ошибочно называют цифровыми усилителями. На самом деле весь процесс является больше аналоговым, чем цифровым. Скорее всего, ШИМ-сигнал можно отнести к дискретным сигналам, а частота следования его импульсов является частотой дискретизации исходного аналогового сигнала.

Как генерируется ШИМ-сигнал

Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты.

На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий - в обратном случае, как показано на рисунке ниже.

В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.

Как восстановить аудиосигнал из ШИМ-сигнала

Чтобы получить из дискретного ШИМ-сигнала точную копию входного аналогового напряжения, частота его дискретизации должны быть намного выше, чем максимальная частота в его спектре. Согласно теореме Найквиста (в отечественной теории электросвязи используется ее аналог - теорема Котельникова), это превышение должно быть, по крайней мере, двойным, однако в высококачественных усилителях с низким уровнем искажений используют большую кратность (обычно от 5 до 50).

ШИМ-сигнал, усиленный выходным транзисторным каскадом, содержит низкочастотные компоненты, которые полностью воспроизводят спектр входного аудиосигнала. Но он также содержит компоненты с частотой дискретизации (и ее гармоники), которые должны быть удалены для того, чтобы восстановить оригинальный модулирующий звуковой сигнал. Мощный фильтр нижних частот необходим для достижения этой цели. Обычно в его качестве используется пассивный LC-фильтр, потому что в нем почти нет потерь, и он имеет малое или почти отсутствующее рассеивание. Хотя всегда должны быть некоторые потери, на практике они являются минимальными.

Цифровая реализация

Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.

Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:

Частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;

Высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;

Наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;

Быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;

Интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.

Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.

SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.

Рассказать в:
Времена нынче такие, что впору открывать подзабытую рубрику «Сделай сам» эпохи соцдефицита. Девальвация рубля привела к удорожанию импортной электроники, покупать новый усилитель мощности стало накладно. Да еще классические Hi-Fi-устройства, работающие в классах А и А-В, обладают прискорбно малым КПД - это при недешевой электроэнергии. Поэтому «цифровое» усиление в классе D - это в чем-то антикризисное решение. При управлении громкостью в микшере аудиокарты собрать цифровой усилитель можно, даже если паяльник держишь в руках первый раз. Главное - раздобыть «правильную» микросхему…

Фирма NXP, не так давно выпустившая на рынок рекордно мощную TDA8950E класса D, была основана многоуважаемой Philips с ориентацией на производство полупроводников. Так что сомневаться не приходится - очередной продукт будет неординарным.Амплитудно-частотная характеристика «акустических» выходов микросхемы, как и следовало ожидать, зависит от сопротивления нагрузки. Проседать на высоких частотах микросхема начинает с нагрузкой 8 Ом. Тогда как 4 и 6 Ом данной микросхеме просто в радость. Завал на низких частотах несущественный, причем величина нагрузки не сказывается. Подключение по мостовой схеме в монорежиме равномерно поднимает АЧХ аккурат на 6 дБ. По мере подъема уровня мощности гармонические искажения на разных частотах ведут себя по-разному. На средних частотах искажения типично повышены почти во всем диапазоне мощностей. На 10 Вт для 1 кГц искажения в 0,1% все-таки маленькими не назовешь. Минимальные искажения на 100 Гц при 10 Вт: 0,007%. С нагрузкой 4 Ом глобальный скачок искажений происходит на рубеже 100 Вт. Проникновение каналов невелико, минимальное - на частоте 100 Гц (-68 дБ). Показательна АЧХ, снятая в режиме «заглушки» (Mute): зависимость от нагрузки неактуальна, а вот экспоненциальный рост уровня фона в ультразвуковой области частот настораживает.

В рознице найти микросхемы серии TDA не составляет труда. Продаются и готовые платы, к которым остается лишь докупить блок питания. К нам на тест поступила новейшая микросхема TDA8950E, размещенная на миниатюрной «демонстрационной» плате с соответствующей обвязкой. На микросхему нацеплен (поджат накидной скобой) небольшой металлический радиатор с развитым оре брением для естественного теплоотвода. Чтобы протестировать сие устройство, ничего не оставалось, как быстренько сделать усилитель своими руками.

Чем меньше напряжение подводимого питания микросхемы, тем меньше выдаваемая на выходе мощность. Электрически 150 Вт на канал достигается при ±37 В полярного питания. В этом случае трансформатор понадобится крепенький, чтобы ток 2 А держал, не прогибаясь. В идеале - тороидальный, причем с двумя выходными обмотками, чтобы получить полярное питание без заморочек. Диодный мост лучше взять готовый, у которого все в одном корпусе, торчат только четыре ножки - к двум внутренним подводим переменное напряжение, с двух внешних снимаем постоянное. Затем берем пару полярных конденсаторов емкостью от 2000 мкФ на напряжение 50–60 В (с запасом) (10 000 мкФ - то, что доктор прописал) и, строго соблюдая полярность (иначе «кондерам» хана), включаем параллельно с общей точкой, образованной средней жилой выходных обмоток трансформатора. Один «кондер» емкостью 10 000 мкФ обойдется рублей в 150. Никто не запрещает набрать желаемую суммарную емкость, запараллелив недорогие по 2000 мкФ.

Чтобы сгладить высокочастотные импульсы, в том числе проникающие из розетки, впаиваем (также параллельно) по керамическому конденсатору емкостью около 0,1 мкФ (полярность не важна). Для обеспечения безопасности обязателен тумблер, отключающий как «фазу», так и «землю». Предохранитель желателен (на ток 1–2 А, соответственно потреблению). Еще не помешает сразу за предохранителем (который впаивается последовательно, т.е. в разрыв одной из жил) воткнуть параллельно вилке один конденсатор эдак на 630 В емкостью 0,047 мкФ. Поясним: конденсатор, впаянный параллельно нагрузке, представляет собой фильтр первого порядка, подавляющий все составляющие выше определенной частоты, обусловленной емкостью этого конденсатора. Чем больше емкость, тем ниже частота «отсечки». Отрицательный провод полярного питания подводим к клемме платы усилителя, помеченной как Vss, а положительный - к клемме Vdd. Провод, отходящий от общей точки, забрасываем на клемму «земли» (Gnd). Все! Усилитель готов.


Перед подачей 220 В разумно пройтись по пайке, «прозвонив» тестером на предмет слу- чайного короткого замыкания. Первый раз 220 В подать на несколько секунд, в идеале подключив не колонки, а мощные резисторы не менее 4,7 Ом на 10–15 Вт. Хилые (до ~5 Вт) быстро или вообще сразу сдохнут. Поначалу стоит подавать слабый сигнал, убрав уровень громкости в аудиокарте чуть ли не до нуля. Если ни один из элементов не будет слишком быстро греться, трансформатор не будет зловеще гудеть и т.п., усилитель можно эксплуатировать. Саму микросхему спалить практически невозможно благодаря электрической защите от короткого замыкания, термической защите от перегрева, защите от заряда статического электричества и прочим блокировкам «от дурака». Пассивные акустические системы подключаются с соблюдением фазы: одна колонка на Out1 с клеммами «+» и «–», другая на Out2 с соблюдением тех же «+» и «–». Если перепутать местами на одной из колонок «+» и «–» (полярность), то ничего не сгорит, но честных стереоэффектов не получить.


Провести измерения параметров усилителя класса D посредством популярной программы RMAA и доступной звуковой карты, не имея качественного (более 40 дБ) аналогового фильтра, отсекающего весь ультразвуковой мусор, - пустая затея. Пресловутая несущая частота ШИМ (для TDA8950E это 345 кГц) - это только верхушка айсберга. Конечно, подавление данной частоты, пролезающей на выходы микросхемы, требует мощных фильтров. Не испортить при этом полезный сигнал не так просто, как кажется. Задача усугубляется активностью импульсов, коротких во времени, но неслабых по амплитуде. Посему в данном случае париться с измерениями в домашних условиях явно не стоит.


Экспертное прослушивание происходило в сравнении с интегральным Hi-Fi-стереоуси-лителем Harman-Kardon HK970 мощностью 120 Вт на 4 Ом (0,3% THD), имеющим классическую схему на неслабых полевых транзисторах и потребляющим под 410 Вт. В качестве пассивных акустических систем выступала Hi-Fi-стереопара (тщательно подобранная изготовителем по технологическому разбросу параметров) DALI Suite, сделанная в Дании. Это удачная связка, что могут подтвердить многие аудиофилы. Акустика функционирует подобно беспристрастному студийному монитору, не прощая малейших огрехов записи. Искажения какого-либо блока усиления, если таковые будут критичными, также легко заметны на слух.


Мощность, выдаваемая примененной TDA8950E, откровенно удивила. В помещении площадью12 кв. м задрожали стекла уже на «малых оборотах». Выкручивать уровень громкости в микшере аудиокарты не понадобилось. Левый и правый каналы получились, правда, не совсем идентичными, воссоздаваемая стереокартина может размазываться. Однако при воспроизведении сжатых форматов вроде МР3 это некритично. По сравнению с истинно Hi-Fi-ным усилителем в связке с чувствительной акустикой привносимые нашим «цифровиком» искажения не пройдут не замеченными для опытного аудиофила.

Итак, «цифровой» стереоусилитель, сделанный на основе TDA8950E, получился мощным и экономичным. Если не злоупотреблять экстремальной громкостью, то качество звука обеспечивается в целом приемлемое (по меркам мультимедийной акустики). Особое внимание следует обратить на выходные фильтры - на «китовой» плате они реализованы не лучшим образом. Наиболее оптимальный вариант применения микросхемы TDA8950E - монорежим с подключением по мостовой схеме, то есть в активных сабвуферах. Похвально, что усилитель не пасует перед низкоомной нагрузкой и не зажимает низкие частоты на малой громкости.

Принцип работы усилителей класса D

Технология широтно-импульсного (ШИМ) усиления звука, породившая так называемый класс D, стала внедряться более десяти лет назад, хотя сама идея зародилась раньше. В последнее время усилители класса D проникли не только в портативные цифровые аудиоустройства. В телевизорах, музыкальных центрах, коробочных домашних театрах, автомобильных аудиоустройствах и во многих мультимедийных акустических системах обосновались довольно миниатюрные микросхемы, выделяющие на удивление мало тепла. Эффективность современных схем быстро растет с мощностью, достигая 90% уже на половине от ее максимума. При этом эффективность транзисторных усилителей еще недавно самого распространенного класса A-B не дотягивает до 40%. На полной мощности сравнивать бессмысленно, поскольку любой усилитель уже на подходе к заветному максимуму срывается в клиппирование, плодя высокочастотные гармоники. Класс А в состоянии похвастаться только 25% эффективности, а чистый класс В - 78% (теоретически, при мощности условно близкой к максимальной).


Топология класса А, обеспечивающая наиболее качественный звук, подразумевает использование каждого транзистора как источника постоянного тока, способного снабдить динамик необходимым током как при положительной полуволне, так и при отрицательной (звуковой сигнал от природы полярен). Такому усилителю, грубо говоря, приходится высаживать половину мощности на поддержание постоянной составляющей тока «нейтрального уровня», то есть даже тогда, когда входной сигнал отсутствует. В топологии класса В поддержание постоянной составляющей тока игнорируется за счет того, что транзисторы заставляют работать на манер тянитолкая для положительной и отрицательной полуволн соответственно. Расплата неминуема: минимизация искажений выливается в серьезную техническую задачу. Гибридная топология класса А-В допускает постоянную составляющую тока на выходе транзисторов, но гораздо меньшей величины, чем в классе А, дабы не дергать транзисторы хотя бы на малой мощности (в отличие от ласса В). То есть усилители класса А-В на малой мощности работают в классе А, а на средней и максимальной - в классе В. Естественно, на малой мощности эффективность усиления в классе А-В получается низкой, зато с искажениями нет проблем.

Фишка же топологии класса D в том, что благодаря предварительному широтно-им-пульсному преобразованию звукового сигнала транзисторы функционируют в импульсном режиме на высокой частоте, находясь все время в открытом состоянии. Образно говоря, не успевают «завязнуть» на постоянном токе, а необходимость в каком-либо управлении отпадает - тактирование автоматически задается частотой модуляции.

Усилители класса D часто называют цифровыми. Дело в том, что ядру микросхемы в общем-то «по барабану» с каким сигналом работать: с аналоговым ШИМ (внешне сильно напоминает DSD-кодирование для SACD) или с сугубо цифровым однобитным (с передискретизацией). По сути, и там и там - кодовая модуляция, а кодированный сигнал имеет постоянные во времени пиковые амплитуды (либо нолик, либо единичка). Усиливать такой сигнал проще пареной репы. Правда, результат подобного усиления придется подвергать специфической «зачистке», но это уже отдельная история.


Раздел: [Усилители мощности низкой частоты (ламповые)]
Сохрани статью в:

ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.

Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.

Принцип действия ШИМ

Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:

Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:

где:

  • Ton — время высокого уровня
  • Toff — время низкого уровня
  • T — период сигнала

Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.

На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.

Расчет коэффициента заполнения ШИМ

Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:

Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:

Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.

Важной характеристикой широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:

Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.

Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.

Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:

В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.

ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для , или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.

Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.

Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован .



Пример управления светодиодом при помощи ШИМ.

Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:


Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут .

Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.

Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод будет гореть меньшее время.

Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для . В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.

Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.

Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.

Не следует, однако, слишком завышать частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.

Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.

Управляя , следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.



Схема системы управления скоростью вращения двигателя постоянного тока с защитным диодом.

Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.

Область применения

С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.

Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .

Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.

Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.

Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.

Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.

ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:

  • обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
  • ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
  • контролирует уровень входного напряжения;
  • защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
  • при необходимости переводит устройство в дежурный режим.

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

  • высокой эффективности преобразования сигнала;
  • стабильность работы;
  • экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
  • низкой стоимости;
  • высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Пример использования ШИМ регулятора

Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в . Он построен на базе микросхемы и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.

Читайте так же

 

 
Это интересно: