1. Общие сведения о широтно-импульсной модуляции (шим)
Существуют различные формы импульсной модуляции.
По модулируемому параметру различают три вида модуляции: частотно-импульсная; фазоимпульсная; широтно-импульсная.
В первых двух перечисленных видах импульсной модуляции длительность импульсов неизменна, а изменяется либо частота их повторения, либо сдвиг фазы относительно начала импульсного интервала в зависимости от значения модулирующего напряжения. Эти два вида не нашли широкого применения в преобразовательной технике вследствие сложности фильтрации модулированного напряжения. Наиболее распространена в преобразовательной технике широтно-импульсная модуляция, при которой частота повторения импульсов неизменна, а изменяется длительность (ширина) импульсов [1].
1.1 Определение
Широтно-импульсная модуляция — управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой .
Рис. 1.1. Последовательность импульсов, модулированных по ширине
Основным регулирующим фактором (см. рис. 1.1) выступает относительная длительность импульсов, или коэффициент заполнения γ=tи/T, где T - период следования импульсов.
1.2 Классификация видов шим
По числу импульсов в полупериоде (М) ШИМ разделяется на однократную (М=1) и многократную (М>1).
По длительности импульсных интервалов многократная ШИМ разделяется на:
равномерную, когда полупериод разделен на четное или нечетное число i импульсных интервалов равной длительности (каждый интервал содержит смежные импульс и нулевую паузу или смежные импульсы прямой и обратной полярностей)
неравномерную, когда такое разделение отсутствует.
При равномерной ШИМ упрощается по сравнению с неравномерной система управления, однако при неравномерной ШИМ можно исключить большее количество, чем при равномерной, высших гармоник низкого порядка при одинаковом числе импульсов за период[1].
По форме построения (форме модулирующего напряжения) многократная ШИМ разделяется на синусоидальную, ступенчатую и трапецеидальную (в частном случае - треугольную). На рис. 1.2 представлена структура широтно-импульсного модулятора.
Рис. 1.2 Блок-схема широтно-импульсного модулятора. ГОН - генератор опорного напряжения, КН - компаратор напряжения.
Опорное напряжение изменяется, как правило, по линейному закону. В зависимости от вида опорного напряжения различают одностороннюю и двухстороннюю ШИМ (рис. 1.3)
Рис. 1.3 Виды ШИМ: а) односторонняя, б) двусторонняя
При односторонней ШИМ опорное напряжение Vref представляет собой периодические пилообразные колебания. В этом случае модуляция осуществляется изменением положения только одного фронта импульса.
Для двухсторонней ШИМ требуется треугольное равностороннее опорное напряжение. Двухсторонняя ШИМ обладает более высоким быстродействием, чем односторонняя, поэтому её применяют чаще.
Если входной сигнал биполярный, например звуковой, то должны меняться полярность и среднее значение выходного напряжения. При этом возможны два типа модуляции - однополярная и разнополярная ШИМ. В первом случае (рис. 1.4 б) импульсы каждого полупериода имеют одну полярность, и между импульсами напряжение имеет нулевой уровень; во втором (рис. 1.4 в) - в пределах полупериода импульсы имеют чередующуюся полярность.
Рис. 1.4 Временные диаграммы при подаче биполярного сигнала: а) вид входного сигнала, б) разнополярная ШИМ, в) однополярная ШИМ
Однополярная ШИМ, как правило, имеет лучший спектральный состав. Однако двуполярная ШИМ может быть реализована в простейших схемах инверторов (со средней точкой и в полумостовой), а для реализации однополярной ШИМ необходимо использование мостовой схемы или введение в силовой контур дополнительных ключей.[2]