ШІМ-регулятор. Широтно-імпульсна модуляція. Схема

При роботі з безліччю різних технологій часто стоїть питання: як управляти потужністю, яка доступна? Що робити, якщо її необхідно знизити або підвищити? Відповіддю на ці питання служить ШІМ-регулятор. Що він собою являє? Де застосовується? І як самому зібрати такий прилад?

Що таке широтно-імпульсна модуляція?

Без з'ясування значення цього терміна продовжувати не має сенсу. Отже, широтно-імпульсна модуляція — це процес керування потужністю, яка підводиться до навантаження, що здійснюється шляхом видозміни шпаруватості імпульсів, яка робиться при постійній частоті. Існує кілька типів широтно-імпульсної модуляції:

1. Аналоговий. 2. Цифровий. 3. Двійковий (дворівневий). 4. Трійчастий (трирівневий).

Що таке ШІМ-регулятор?

Тепер, коли ми знаємо, що таке широтно-імпульсна модуляція, можна поговорити і про головної теми статті. Використовується ШІМ-регулятор для того, щоб регулювати напругу живлення і для недопущення потужних інерційних навантажень в авто - і мототехніки. Це може звучати занадто складно і найкраще пояснити на прикладі. Припустимо, необхідно зробити, щоб лампи освітлення салону змінювали свою яскравість не відразу, а поступово. Це ж відноситься до габаритних вогнів, автомобільним фарам або вентиляторів. Втілити таке бажання можна шляхом установки транзисторного регулятора напруги (параметричний або компенсаційний). Але при великому струмі на ньому буде виділятися надзвичайно велика потужність і потрібно установка додаткових великих радіаторів або доповнення у вигляді системи примусового охолодження з використанням маленького вентилятора, знятого з комп'ютерного пристрою. Як бачите, цей шлях тягне за собою багато наслідків, які необхідно буде подолати.

Справжнім порятунком із цієї ситуації став ШІМ-регулятор, який працює на потужних польових силових транзисторах. Вони можуть комутувати великі струми (які досягають 160 Ампер) при напрузі всього в 12-15В на затворі. Слід зазначити, що опір у відкритого транзистора задоволене мало, і завдяки цьому можна помітно знизити рівень потужності, що розсіюється. Щоб створити свій власний ШІМ-регулятор, знадобиться схема управління, яка зможе забезпечити різниця напруги між витоком та затвором в межах 12-15В. Якщо цього не вдасться досягти, то опір каналу буде сильно збільшуватися і значно зросте потужність, що розсіюється. А це, в свою чергу, може призвести до того, що транзистор перегріється і вийде з ладу. Випускається цілий ряд мікросхем для ШІМ-регуляторів, які зможуть витримати підвищення вхідного напруги до рівня 25-30В, при тому, що харчування буде лише 7-14В. Це дозволить включати вихідний транзистор в схемі разом із загальним стоком. Це, в свою чергу, необхідно для підключення навантаження з загальним мінусом. В якості прикладів можна навести такі зразки: L9610 L9611 U6080B U6084B. Більшість навантажень не споживає струм більше 10 ампер, тому вони не можуть викликати просідання напруги. І як результат – використовувати можна і прості схеми без доробки у вигляді додаткового вузла, який буде підвищувати напругу. І саме такі зразки ШІМ-регуляторів і будуть розглянуті в статті. Вони можуть бути побудовані на основі або несиметричного режиму мультивібратора. Варто поговорити про ШІМ-регулятор оборотів двигуна. Про це далі.

Схема №1

Ця схема ШІМ-регулятора збиралася на інверторах КМОП мікросхеми. Вона є генератором прямокутних імпульсів, який діє на 2-х логічних елементах. Завдяки діодам тут окремо змінюється постійна часу розряду і заряду частотозадаючого конденсатора. Це дозволяє змінювати шпаруватість, яку мають вихідні імпульси, і як результат – значення ефективного напруги, яке є на навантаженні. В даній схемі можливе використання будь-яких інвертуючих КМОН-елементів, а також АБО-НЕ і В. В якості прикладів підійдуть К176ПУ2 К561ЛН1 К561ЛА7 К561ЛЕ5. Можна використовувати і інші види, але перед цим доведеться добре подумати про те, як правильно згрупувати їх входи, щоб вони могли виконувати покладений функціонал. Переваги схеми – доступність і простота елементів. Недоліки – складність (практично неможливість) доопрацювання та недосконалість щодо діапазону зміни вихідної напруги.

Схема №2

Володіє кращими характеристиками, ніж перший зразок, але складніше у виконанні. Може регулювати ефективна напруга на навантаженні в діапазоні 0-12В, до якого змінюється від початкового значення 8-12В. Максимальний струм залежить від типу польового транзистора і може досягати значних значень. Враховуючи, що вихідна напруга є пропорційним вхідному керуючому, дану схему можна використовувати як частина системи регулювання (для підтримки рівня температури).

Причини поширення

Чим приваблює автолюбителів ШІМ-регулятор? Слід відзначити прагнення до збільшення ККД, коли проводиться побудова вторинних джерел живлення для електронної апаратури. Завдяки даній властивості дану технологію можна знайти також при виготовленні комп'ютерних моніторів, дисплеїв у телефонах, ноутбуках, планшетах та подібної техніки, а не тільки в автомобілях. Також слід зазначити дешевизну, якою відрізняється дана технологія при своєму використанні. Також, якщо вирішите не купувати, а збирати ШІМ-регулятор власноручно, то можна заощадити гроші при удосконаленні свого власного автомобіля.

Висновок

Що ж, тепер ви знаєте, що являє собою ШІМ-регулятор потужності, як він працює, і навіть можете самі зібрати подібні пристрої. Тому, якщо є бажання поекспериментувати з можливостями свого автомобіля, можна сказати з цього приводу тільки одне – робіть. Причому не можете просто скористатися представленими тут схемами, але і суттєво доопрацювати їх при наявності відповідних знань і досвіду. Але навіть якщо не вийде з першого разу, то ви зможете отримати дуже цінну річ – досвід. Хто знає, де він може в наступний раз стати в нагоді і наскільки важливим буде його наявність.