Шим-модуляторы для плавного управления яркостью гирлянд

Шим-модуляторы для плавного управления яркостью гирлянд

ШИМ-автомат для ёлочной гирлянды.

Автор: Rokl
Опубликовано 06.12.2007

Скоро Новый Год и хотелось бы собрать для украшения ёлки красивую гирлянду с переливающимися разноцветными огоньками с несложной схемой, не требующей особой наладки, или навыков в программировании МК. Для того, что бы лампочки переливались необходимо ими управлять с помощью ШИМ. Обычно в качестве ШИМ модулятора используют микроконтроллер с программной реализацией данной функции. А можно обойтись без МК? Оказывается можно собрать простейший ШИМ — автомат без использования МК всего на 5 цифровых микросхемах.
Смотрим рисунок:

Основой ШИМ — автомата в этой схеме является компаратор К1533СП1, который сравнивает два 4 разрядных числа. На вход компаратора приходят все время разные числа со счетчиков A и B (от 0 до F) время появления импульса на выходе компаратора изменяется, то увеличиваясь, то уменьшаясь, а используемый реверсивный счетчик В К555ИЕ17, позволяет получить плавный переход от конца счета к началу. Полный цикл работы ШИМ — автомата насчитывает 512 тактов. Сначала увеличивается скважность положительного импульса, Затем начинает расти скважность отрицательного импульса. В результате, сначала плавно загораются светодиоды LD1-LD12, а LD13-LD24 плавно гаснут, гирлянда светится только зелеными огоньками, затем наоборот LD1-LD12 плавно гаснут, а LD13-LD24 плавно загораются, гирлянда светится только красными огоньками. Максимальная скважность у этого простейшего ШИМ — автомата равна 16. Время зажигания /потухания около полсекунды. Изменяя емкость конденсатора С1 можно увеличить/уменьшить длительность мерцания гирлянды, но увеличением длительности увлекаться не стоит, так как станут заметны отдельные вспышки светодиодов. Собранный ШИМ — автомат в настройке не нуждается, если схема собрана правильно, она сразу заработает. Желательно только подобрать емкость С1, настроив длительность мерцания светодиодов по своему вкусу. Если все собрано правильно и аккуратно, а схема все же не работает, то для ее наладки потребуется обычный мультиметр и любой светодиод. Перед началом отладки проверьте внимательно монтаж, убедитесь с помощью мультиметра , что на каждую микросхему подведено питание. Затем отключите питание и припаяйте параллельно конденсатору С1 дополнительный конденсатор емкостью 47 — 50 мкф. Припаяйте через сопротивление 220 ом к Uпит (+5в) плюс светодиода, а к минусу светодиода длинный проводок. Получился импровизированный пробник-щуп логических уровней. Включите питание и попробуйте прикоснуться свободным проводком этого щупа к выходу генератора (нога 8 микросхемы d4). Светодиод должен замигать с частотой генератора. Если светодиод не мигает, проверьте монтаж и уменьшите емкость конденсатора С1 раза в 2. Светодиод мигает от генератора, проверяем наличие импульсов, указанных на схеме 1. На выходе инвертора d1 (нога2), после прикосновения щупа светодиод должен периодически вспыхивать. Если коснуться щупом выхода компаратора (микросхема Е 6нога) светодиод должен периодически гаснуть. Что бы удостовериться в работе реверсивного счетчика, нужно прикоснуться выхода 6 микросхемы с1. Светодиод должен периодически гаснуть/загораться. Далее проверяем наличие импульсов на выходах триггера с2 (нога 8; нога 9), светодиод должен гаснуть/загораться с изменяющейся длительностью. Если это так, то значит схема ШИМ — автомата работает правильно. Отпаиваем дополнительный конденсатор. Собранный ШИМ — автомат заработал. Теперь пара слов о гирлянде. Светодиоды красные и зеленые можно чередовать через один на расстоянии 5 см друг от друга, или сделать две отдельных гирлянды. Если есть желание собрать более сложную цифровую схему для украшения новогодней елки, то в таком случае можно собрать схему на рисунке 2. Представленная схема позволяет получить эффект бегущих, плавно загорающихся огоньков, с угасающими за ними шлейфами вдоль гирлянды. Для решения поставленной задачи придется использовать параллельные пары регистров сдвига К1533ИР8. Почему пары? Дело в том, что импульсы включения/выключения светодиодов в гирлянде разделены не только по времени, но и по фазе. Для изменения фазы задающего генератора в схеме используется, оставшийся свободным на схеме 1, инвертор d3. Вот, что бы не пропустить ни один из коротеньких импульсов приходящих с разностью фаз в 180 градусов и необходимо использовать пары регистров К1533ИР8.
Смотрим следующий рисунок:

Выходы микросхем К1533ИР8 подключаются к светодиодам через один лишь для уменьшения количества корпусов микросхем используемых D-триггеров, уменьшения количества светодиодов и проводов в гирлянде до приемлемого количества. Если использовать каждый выход сдвиговых регистров, то градации яркости светодиодов будут меняться плавней, соответственно количество D-триггеров и светодиодов увеличится вдвое. При желании можно увеличить количество световых эффектов схемы. Для этого достаточно добавить узел коммутации тактовой частоты задающего генератора. Этот узел позволит превращать ШИМ — автомат в обычную схему бегущих огней и теней, изменяющихся в размере, и снова возвращаться в режим ШИМ — автомата. Для подобной метаморфозы достаточно ввести в схему 2 всего две микросхемы К1533ИЕ19 и К1533КП15. Счетчик К1533ИЕ19 будет делить исходную частоту задающего генератора на ряд частот кратных двум и управлять коммутацией входов мультиплексора, а мультиплексор К1533КП15 выбирать из этого ряда одну из задающих частот для схемы. Изменяя порядок подключения входов мультиплексора D0-D7 к выходам счетчика, можно изменить «программу» смены частот задающего генератора на ваш вкус, вплоть до остановки бегущих огней ( достаточно один из входов мультиплексора D0-D7 подсоединить к общему проводу). Если таким способом остановить ШИМ — автомат, то произойдет самоблокировка схемы и заставить ее снова заработать можно будет, только отключив и подключив питание повторно.
И опять смотрим рисунок:

В итоге получилась схема ШИМ — автомата с функцией бегущих огней из 15 цифровых микросхем и с гирляндой из 18 светодиодов. Собирая и отлаживая эту схему, начинающие котята смогут узнать, как работают сдвиговые регистры, мультиплексоры, счетчики последовательного типа и реверсивные счетчики, синхронные счетчики, компараторы, триггеры. Надеюсь, что гирлянда, управляемая предложенной схемой, станет достойным украшением новогодней елки, радуя хозяев и гостей своими веселыми разноцветными огоньками.

ШИМ-модуляторы для плавного управления яркостью гирлянд

Два ШИМ-контроллера, выполненные на нескольких ИМС стандартной логики, предназначены для управления яркостью световых рекламных табло. Яркость плавно нарастает в течение 5 с, а затем убывает. Первый вариант контроллера с линейной зависимостью изменения скважности выходных импульсов от времени управляет световой вывеской с обычными лампами накаливания. Для управления светодиодной гирляндой предназначен второй вариант контроллера с экспоненциальным выходом.

Сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, т.е. с переменным отношением периода следования к длительности импульсов. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее значение уровня сигнала на выходе ШИМ. В нашем случае это означает изменение яркости гирлянды световых элементов.

ШИМ-модуляторы находят широкое применение в электронных устройствах (управление оборотами электродвигателей, яркостью экранов сотовых телефонов, стабилизация выходного напряжения импульсных источников питания и пр.).

Для плавного управления яркостью светового табло, светоизлучающие элементы которого — лампы накаливания, можно использовать первый вариант ШИМ-контроллера, схема которого показана на рис.1.

В его состав входят:

  • генератор прямоугольных импульсов на элементах DD1.1, DD1.2, R1, С1;
  • схема сброса в исходное состояние DD1.3, R2, R3, С2;
  • счетчик-формирователь временных интервалов DD2;
  • счетчик-формирователь двоичных кодов DD3;
  • одновибратор-формирователь стробирующих импульсов на элементах DD4.1, DD4.2, СЗ, R4;
  • формирователи двоичных кодов (коэффициентов деления) на элементах DD5.1. DD5.4 и DD6.1 . DD6.4;
  • делитель с переменным коэффициентом деления на реверсивных счетчиках DD7, DD8;
  • RS-триггер-формирователь выходной ШИМ-последовательности;
  • ключевая схема на транзисторах VT1. VT3.

Синхронизацию всей схемы выполняет генератор прямоугольных импульсов на элементах DD1.1 и DD1.2, работающий с частотой около 26 кГц. При этой частоте генератора частота импульсов выходной ШИМ-последовательности составляет около 100 Гц. Такой частоты вполне достаточно для плавного управления яркостью ламп накаливания без их мерцания.

В начальный момент времени двоичные счетчики DD2 и DD3 находятся в нулевом состоянии. По мере поступления счетных импульсов задающего генератора на вход DD2, в какой-то момент времени на выходе его восьмого разряда Q8 (выводе 13) формируется отрицательный перепад, запускающий одновибратор на элементах DD4.1 и DD4.2, который формирует на выходе короткий отрицательный импульс, стробирущий реверсивные счетчики DD7, DD8 и обнуляющий RS-триггер на элементах DD4.3, DD4.4. При этом ключевой транзистор VT1 закрыт, a VT2, VT3 — открыты, и на выходе устройства присутствует уровень лог.«0».

Читайте также  Как рассчитать мощность вытяжки для кухни?

Поскольку счетчик DD3 находится в нулевом состоянии, на выходе его девятого разряда «Q9» также лог.«0», поэтому все элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD5.1. DD5.4 и DD6.1 . DD6.4 работают как повторители входного сигнала. На входы предустановки счетчиков DD7 и DD8 поступает выходной код счетчика DD3. Счётные импульсы с выхода задающего генератора поступают на суммирующий вход (вывод 5) счетчика DD7 и обеспечивают его работу в режиме суммирования. При переполнении этого счетчика на его выходе переноса «+CR» (выводе 12) формируются отрицательные импульсы, которые являются счетными для DD8. При переполнении последнего на его выходе переноса «+CR» также формируется отрицательный импульс, который перебрасывает RS-триггер DD4.3-DD4.4 в противоположное единичное состояние, что означает появление на выходе устройства лог.«1». Таким образом, при нулевом состоянии счетчика DD3 на выходе устройства будут формироваться короткие положительные импульсы, соответствующие максимальной скважности, а значит, максимальной яркости гирлянды.

По мере увеличения состояния счетчика DD3 на его выходах нарастает двоичный код, поступающий на входы предустановки счетчиков DD7 и DD8. Интервал времени от момента стробирования (предустановки) двух последних счетчиков до момента формирования на выходе переноса счетчика DD8 отрицательного импульса уменьшается. Соответственно, уменьшается время пребывания RS-триггера DD4.3-DD4.4 в нулевом состоянии, а значит, уменьшается скважность выходных импульсов контроллера. Яркость гирлянды плавно снижается примерно в течение 5 с.

При достижении счетчиком DD3 своего 256-го состояния, на выходе его девятого разряда «Q9» формируется лог.«1», которая поступает на нижние по схеме выводы элементов DD5.1. DD5.4 и DD6.1. DD6.4, и эти элементы работают в режиме инверсии входных сигналов. Для счетчиков DD7 и DD8 это означает подачу на их входы предустановки убывающих двоичных кодов, что определяет режим работы устройства как режим с нарастающей скважностью выходной ШИМ-последовательности. Время нахождения RS-триггера DD4.3-DD4.4 в нулевом состоянии возрастает, поскольку увеличивается интервал между воздействием обнуляющего импульса и появлением на выходе счетчика DD8 отрицательного выходного импульса при переполнении последнего. Таким образом, яркость гирлянды возрастает до момента появления на выходе девятого разряда счетчика DD3 «0». Далее цикл работы устройства полностью повторяется.

Микросхемы контроллера питаются от интегрального стабилизатора DA1 типа КР142ЕН5А. Контроллер выполнен на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами 90×87 мм.

В устройстве применены ИМС серий КР1561, КР1554 и КР1564, постоянные резисторы — типа МЛТ-0,125, МЛТ-2, подстроечные — СПЗ-38б. Оксидные конденсаторы — К50-35 или импортные, неполярные — К10-17. Для питания устройства от сети 220 В применен малогабаритный импульсный блок питания китайского производства в цилиндрическом пластмассовом корпусе, рассчитанный на выходное напряжение 12 В и ток 750 мА. Ключевой транзистор VT3 (КТ819) необходимо установить на металлический радиатор с площадью поверхности не менее 100 см 2 . Плата контроллера размещается в стандартной пластмассовой разветвительной коробке подходящего размера.

Схема второго варианта контроллера показана на рис.2.

В нём, в отличие от предыдущего варианта, используется делитель с переменным коэффициентом деления на счетчиках DD3, DD4. Это необходимо для получения экспоненциальной зависимости скважности выходного ШИМ-сигнала от времени для управления светодиодной гирляндой. Как известно, зависимость яркости светодиодов от протекающего тока имеет нелинейный характер. В результате, в области малых токов яркость нарастает относительно быстро, а в области больших — медленнее. Чтобы компенсировать визуально нелинейное нарастание яркости, во втором варианте реализована экспоненциальная зависимость изменения скважности выходной ШИМ-последовательности от времени. В остальном принцип работы контроллера не отличается от первого варианта.

Контроллер выполнен на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами 70×110 мм. Устройство запитывается от блока питания светодиодной гирлянды напряжением 12 В. Ключевой транзистор VT1 при токах нагрузки до 5 А в радиаторе не нуждается. Для получения необходимого времени нарастания и убывания яркости гирлянд частоту задающего генератора устанавливают около 52 кГц (точное значение — 52428 Гц). При этом частота импульсов выходной ШИМ-последовательности контроллера составляет около 200 Гц.

В этом устройстве, как и в первом, применены ИМС серий КР1561, КР1554 и КР1564, постоянные резисторы —типа МЛТ-0,125, МЛТ-2, подстроечные — СПЗ-38б. Оксидные конденсаторы — К50-35 или импортные, неполярные — К10-17.

Переключатель ёлочной гирлянды на ШИМ

Близится Новый Год, самое время заняться подготовкой к его празднованию. Например, подготовить переключатель елочной гирлянды, да еще и такой, что не требует навыков программирования микроконтроллера, но при этом обеспечивающий многообразие режимов работы и красивое переливание лампочек.

Чтобы получить эффект переливающихся лампочек необходимо использовать ШИМ модулятор. Простейшая схема ШИМ автомата может быть собрана всего лишь из 5 микросхем.

Ранее мы уже публиковали статьи о программируемом переключателе гирлянд и светодиодной гирлянде на микроконтроллере. А в данной статье предлагаем ознакомиться с конструкцией переключателя елочной гирлянды на ШИМ.

Схема переключателя гирлянд приведена на рисунке:

Компаратор на микросхеме К1533СП1 является основой ШИМ модулятора. Со счетчиков К1533ИЕ10 и К1533ИЕ17 на входы К1533СП1 постоянно приходят различные 4 разрядные числа в диапазоне значений от 0 до F. Компаратор производит сравнение этих чисел. Частота импульсов на выходе компаратора то возрастает, то уменьшается. А применяемый реверсивный счетчик на микросхеме К555ИЕ17, обеспечивает плавное обновление счета.

Цикл работы ШИМ модулятора ограничивается 512 тактами. Сперва растет скважность положительного импульса, после чего растет скважность отрицательного импульса. Таким образом, сначала будут плавно зажигаться светодиоды с LD1 по LD12, а светодиоды с LD13 по LD24 плавно гаснут. То есть гирлянды горят только зелеными огоньками, после чего наоборот светодиоды с LD1 по LD12 плавно гаснут, а вот светодиоды с LD13 по LD24 плавно загораются — и гирлянда горит только красными огоньками. Время зажигания/потухания составляет около половины секунды. Можно изменить длительность зажигания/потухания посредством изменения емкости конденсатора С1. Но следует помнить, что увеличивать длительность сильно не стоит — станут, заметны отдельные вспышки светодиодов.

Если схема переключателя гирлянд собрана правильно, то она не потребует дополнительной настройки или регулировки. Единственное, что может быть подобрать С1 такой емкости, чтобы длительность зажигания/потухания устраивала ваши потребности.

Гирлянда для представленной схемы набирается из красных и зеленых светодиодов (как вариант синих и желтых). Светодиоды чередуются по цвету, при этом расстояние между ними должно быть 5-6 см.

Если вдруг после сборки схема не переключателя гирлянд не запустилась, то для проверки правильности сборки понадобится обычный мультиметр (вольтметр) и светодиод. Первым делом необходимо проверить вольтметром, что на все микросхемы приходит питание. После этого в параллель к конденсатору С1 припаяйте конденсатор емкостью около 50 мкф. Далее делаем из светодиода пробник – его плюс через резистор 220 Ом припаиваем к плюсу питания (+5В), а к минусу длинный проводник. Затем включаем питание и свободным концом пробника прикасаемся к 8 выводу микросхемы К155ЛН1 – выход генератора. Светодиод пробника должен мигать с частотой генератора, если этого не происходит — необходимо проверить монтаж и заменить конденсатор С1, взяв конденсатор с емкостью в половину от предыдущего.

Если светодиод мигает, продолжаем проверку. Прикасаемся свободным концом пробника к выводу 2 микросхемы К155ЛН1 – выход инвертора. Пробник должен периодически зажигаться. Далее прикасаемся к выводу 6 микросхемы К1533СП1 светодиод пробника должен гореть и периодически тухнуть. Далее проверяем работу реверсивного счетчика, для этого касаемся пробником к выводу 6 микросхемы К1533ТМ2. В этом положении светодиод пробника должен периодически загораться и гаснуть. Чтобы проверить наличие сигналов на выходах триггера надо пробником прикоснуться к 8 выводу, а затем к 9 выводу микросхемы К1533ТМ2.

Светодиод пробника должен загораться и гаснуть с изменяющейся периодичностью. Если все работает – значит, переключатель гирлянд работает! Дополнительный конденсатор можно демонтировать.

При желании собрать более сложную схему переключателя гирлянд, можно воспользоваться схемой приведенной на рисунке ниже. Этот переключатель гирлянд имеет больше эффектов в том числе эффект плавно загорающихся огоньков и бегущих огней.

Для уменьшения количества проводов и светодиодов в гирлянде до оптимального количества используются каждый второй выход микросхем К1533ИР8. при использовании всех выходов сдвиговых регистров, изменение яркости светодиодов будет происходить гораздо плавнее, так, как D-триггеров и светодиодов будет в два раза больше.

Если добавить в схему переключателя гирлянд модуль переключения тактовой частоты задающего генератора, выполненный на паре микросхем К1533ИЕ19 и К1533КП15 то получим из переключателя гирлянд схему изменяющихся бегущих огней и теней.

Читайте также  Электронный блок для ламп дневного света

Микросхема К1533ИЕ19 – счетчик импульсов, производит деление частоты задающего генератора на последовательность частот, которые кратны двум и управляет коммутацией входов мультиплексора – на микросхеме К1533КП15, который выбирает из этого ряда частот одну. При изменении порядка подключения входов мультиплексора К1533КП15 к выходам счетчика К1533ИЕ19, можно изменить порядок смены частот задающего генератора, вплоть до полной остановки бегущих огней. Чтобы добиться такого эффекта необходимо один из входов мультиплексора D0-D7 подключить к общему проводу.

Обратите внимание, что если таким образом остановить ШИМ — модулятор, то схема самоблокируется и чтобы запустить ее снова потребуется выключить и опять включить питание схемы.

В конечном итоге получили схему переключателя гирлянд с эффектом бегущих огней содержащую 15 цифровых микросхем и управляющую гирляндой, состоящей из 18 светодиодов.

Гирлянда под управлением собранного по одной из предложенных схем переключателя гирлянд, станет хорошим украшением новогодней елки, и будет радовать вас не один Новый Год.

ШИМ сигнал

Очень часто в робототехнике возникает необходимость плавно управлять каким-то процессом, будь то яркость светодиода, мощность обогревателя или скорость вращения моторчика. Вполне очевидно, что управление напрямую связано с изменением напряжения на потребителе: и светодиод будет по-другому светить, и моторчик крутиться с другой скоростью. Но проблема в том, что управлять напряжением может только такая штука, как ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, а в нашем микроконтроллере встроенного ЦАПа нет, у нас есть только цифровой сигнал, т.е. либо вкл, либо выкл: Можно ли добиться плавного управления цифровым сигналом? Оказывается можно! Представьте себе вентилятор, вращающийся на полной мощности, напряжение постоянно. Представим теперь, что секунду напряжение подаётся, и секунду – нет, и так продолжается “по кругу”. Вентилятор начнёт крутиться в два раза медленнее, но мы скорее всего будем замечать моменты включения и выключения, особенно если вентилятор маленький. Большой вентилятор более инертен и там можно даже не заметить изменений скорости в пределах двух секунд. Можно теперь включать напряжение на 0.5 секунды, а на остальные 1.5 секунды – выключать. Вентилятор будет крутиться со скоростью 25% от максимальной. Мы с вами смогли представить так называемый ШИМ сигнал, широтно-импульсную модуляцию С лампочкой накаливания оно тоже будет работать, она ведь весьма инертна, но вот со светодиодом мы будем видеть, как он включается и выключается, потому что он практически не имеет задержки включения/выключения. Что же делать? Всё очень просто, поднять частоту. В мысленном эксперименте у нас был период 2 секунды, что есть 0.5 Гц. А теперь представьте себе такой сигнал с частотой скажем 1000 Гц. Или 25’000 Гц (25 кГц). Теперь роль играет инертность глаза, он не заметит вспышек на такой частоте, для него это будет просто уменьшение яркости. Задача решена! Изменяя так называемое “заполнение” ШИМ сигнала можно менять “суммарное” напряжение (интегрированное) за некоторый период. Чем больше заполнение ШИМ, тем выше напряжение, но не выше напряжения, которое мы “ШИМим”: При помощи ШИМ сигнала можно даже модулировать сложные аналоговые сигналы, например – синусоиду. На картинке ниже показан ШИМ (снизу) и этот же ШИМ после фильтров: Вот таким образом кстати и работают инвертеры DC-AC. Возвращаясь к свойствам ШИМ сигнала, их всего два: частота (frequency) и заполнение (duty), с ними мы разобрались. Давайте перейдём к генерации ШИМ при помощи Arduino.

Arduino и ШИМ

В уроке про функции времени я рассказывал, что у микроконтроллера есть так называемые счётчики, которые считают “пинки” от тактового генератора (кварца). Данные счётчики как раз и генерируют ШИМ сигнал, т.е. само вычислительное ядро микроконтроллера в этом не участвует. Помимо расчётов, даже вывод сигнала с ноги МК ложится на плечи счётчика. Это очень важно понимать, потому что ШИМ сигнал не тормозит выполнение кода, так как его генерацией занимается буквально “другая железка”. На платах UNO/Nano/Pro Mini у нас есть три таймера-счётчика, у каждого таймера есть по два выхода на пины МК, то есть у нас есть 2*3=6 пинов, способных генерировать ШИМ сигнал. Для генерации ШИМ у нас есть готовая функция analogWrite(pin, duty)

  • pin – пин, являющийся выводом таймера. Для Нано/Уно это пины D3, D5, D6, D9, D10, D11. На некоторых платах они помечены * звёздочкой, а вообще для определения ШИМ пинов на любой другой модели Ардуино достаточно загуглить распиновку
  • duty – заполнение ШИМ сигнала. По умолчанию все “выходы” ШИМ у нас 8-битные, то есть duty может принимать значение с “разрешением” 8 бит, а это 0-255

Совместим эти знания с прошлым уроком и попробуем менять яркость светодиода, подключенного через резистор к пину D3. Потенциометр подключен к пину A0

Рассмотренный пример меняет яркость светодиода в зависимости от положения рукоятки потенциометра. Пару слов о “стандартном” ШИМ сигнале – мы получаем его с такими настройками, какие нам даёт библиотека Arduino.h, а настройки эти сильно занижены по сравнению с возможностями Arduino. Про “улучшение” ШИМ мы поговорим позже, а сейчас давайте глянем на характеристики ШИМ “из коробки”:

Таймер Пины Частота Разрешение
Timer 0 D5 и D6 976 Гц 8 бит (0-255)
Timer 1 D9 и D10 488 Гц 8 бит (0-255)
Timer 2 D3 и D11 488 Гц 8 бит (0-255)

Это весьма плачевные цифры, особенно по частоте. Все таймеры приведены под одну гребёнку, чтобы пользователь не думал не гадал и лишнюю документацию не изучал. К изменению частоты и разрядности ШИМ мы вернёмся в отдельном уроке, а пока что можете посмотреть данный урок в видео варианте.

Видео

Контроллер ШИМ своими руками

  1. Что такое ШИМ?
  2. Принцип работы ШИМ
  3. Откуда берётся ШИМ
  4. Вариант 1 — аналоговый
  5. Вариант 2 – цифровой
  6. Как подключить к нагрузке
  7. Если нужно управлять плюсовым контактом
  8. Контроллер ШИМ для RGB светодиодной ленты
  9. Ключи на мосфет-транзисторах

Сегодня разберёмся что такое ШИМ и с чем его едят, а также как сделать контроллер в домашних условиях.

Что такое ШИМ?

ШИМ (широтно-импульсная модуляция, англ. pulsewidth modulation (PWM)) — это способ управления мощностью путём импульсной подачи питания. Мощность меняется в зависимости от длительности подаваемых импульсов.

ШИМ в современной электронике применяется повсеместно, для регулировки яркости подсветки вашего смартфона, скорости вращения кулера в компьютере, для управления моторами квадрокоптера или гироскутера. Cписок можно продолжать бесконечно.

В любительской электронике ШИМ контроллеры часто используются для управления яркостью светодиодных лент и для управления мощными двигателями постоянного тока.

Принцип работы ШИМ

В отличии от линейных систем, где мощность регулируется путём снижения электрических параметров (тока или напряжения), при использовании ШИМ мощность, передаваемая потребителю, регулируется временем импульсов, что существенно повышает эффективность работы контроллера. В аналоговых системах остаточная мощность рассеивалась в виде тепла, здесь же при снижении потребления остаточная мощность просто не используется.

Основная характеристика ШИМ – СКВАЖНОСТЬ (процент заполнения) – процентное соотношение длительности импульсов к периоду. На рисунке ниже изображено 5 степеней скважности прямоугольного ШИМ сигнала:

Скважность ШИМ

ПЕРИОД — это время за которое происходит полный цикл колебания сигнала. Измеряется в секундах. Он линейно зависит от частоты сигнала и рассчитывается по формуле:

f(частота) = 1/ T(перод)

Частота ШИМ – это количество периодов (или если хотите, циклов колебаний) в единицу времени. Частота измеряется в Герцах (Гц), 1 Гц это одно колебание в 1 секунду.

Если сигнал делает 100 колебаний в секунду, значит частота равняется 100 Гц. Чем выше частота тем меньше период.

Откуда берётся ШИМ

Вариант 1 — аналоговый

ШИМ сигнал создаётся специально сконструированными устройствами – генераторами ШИМ сигнала или генераторами прямоугольных импульсов. Они могут быть собраны как на аналоговой базе, так и на основе микроконтроллеров, как в виде схемы из нескольких транзисторов, так и в виде интегральной микросхемы.

Самый простой вариант это микросхема NE555, собирается всё по схеме:

Схема ШИМ генератора на NE555

Но если лень разбираться и паять, то китайцы за нас всё уже давно сделали.

Читайте также  Как рассчитать электроемкость конденсатора?

ШИМ генератор на NE555

Стоит $0,5, работает стабильно при питании от 5 до 16 вольт. Выдаёт ШИМ сигнал амплитудой в 5 вольт, скважность можно менять подстроечным резистором (вон та синяя штуковина с вырезом под отвертку). При желании можно заменить подстроечный резистор на переменный и получим удобную ручку регулировки.

Вариант 2 – цифровой

Более сложный для новичка – использование микроконтроллера, но вместе с тем более интересный и дающий широкие возможности. Звучит страшно, но самом деле реализуется довольно просто.

В качестве микроконтроллера удобнее всего взять отладочную плату ардуино.

Как с ней работать написано вот здесь. Подключаем ардуинку к компьютеру и заливаем в неё вот такой наисложнейший код:

Далее цепляемся осциллографом к пину D3 и видим:

ШИМ скважность 30%

Сигнал частотой (Freq) -526 Гц, амплитудой (Vmax)- 5 вольт и скважностью (duty) – 30.9 %.

Меняем скважность в коде — меняется и скважность на выходе. Добавляем датчик температуры или освещённости, прописываем зависимость скважности на выходе от показаний датчиков и — готова регулировка с обратной связью.

Как подключить к нагрузке

Напрямую генератор ШИМ сигнала к нагрузке подключать не следует, потому как он слаботочный и скорее все сразу же сгорит. Для того, чтобы управлять нагрузкой необходим ключ на мосфет-транзисторе. Берём N-канальный мосфет-транзистор IRF3205 и собираем всё по схеме:

Ардуино ШИМ на IRF3205

Резистор R1 нужен для защиты пина ардуинки от выгорания, а резистор R2 для того, чтобы транзистор полностью закрывался, когда ардуина не даёт выходного сигнала.

Как видно ничего сложного. Четыре элемента и ШИМ-контроллер готов. Он уже может управлять одноцветной светодиодной лентой или каким-нибудь моторчиком.

Если нужна трехцветная лента или больше лент (делаем многоканальный ШИМ), просто добавляем ключи на пины D3, D5, D6, D9, D10, D11 (только на них работает ШИМ). Итого, Ардуина способна управлять мощностью 6-ти устройств одновременно.

IRF3205 способен выдерживать токи до 70 Ампер при напряжении до 55 Вольт, таких характеристик вполне достаточно для решения большинства бытовых задач.

Если нужно управлять плюсовым контактом

В таком случае нам понадобится другой мосфет- транзистор — P-канальный. Схема аналогична, только подтягивающий резистор подключен к плюсу.

Также нужно будет инвертировать сигнал на выходе ардуино, ведь при подаче 5 вольт транзистор будет закрываться, а при 0 — открываться, значит шим скважностью в 30% выдаст 70% мощность на выходе схемы.

ШИМ на irf4905, питание5 v

Стоит оговориться такая схема будет работать только при питании не выше 5 вольт, так как для полного закрытия P-канального транзистора необходимо подтянуть его затвор к плюсу питания, а ардуина способна выдавать на цифровой пин только 5 вольт. Значит, при питании хотя бы чуть-чуть выше напряжения выдаваемого на цифровой пин транзистор будет не полностью закрываться при верхней части импульса ШИМ и БУДЕТ СИЛЬНО ГРЕТЬСЯ. Полностью отключить нагрузку он тоже не сможет.

Если нужно управлять, к примеру,12 -ти вольтовым устройством, то схема немного усложнится. Добавится так называемое «плечо раскачки» или драйвер полевого транзистора. По классике он собирается на двух, а иногда и на трёх транзисторах, но мы есть вариант немного проще, который работает при невысоких частотах:

Ардуино, управление ШИМ по плюсовому проводу IRF4905

Контроллер ШИМ для RGB светодиодной ленты

В качестве примера приведу схему ШИМ контроллера для RGB светодиодной ленты на ардуино. В ней используется трёхканальный ШИМ для управления тремя цветами ленты. Ниже будет ссылка на готовое устройство, собранное на этой схеме управления.

ШИМ контроллер RGB ленты на ардуино

Соединяется всё вот так:

В схеме я добавил ещё кнопку, она нам поможет в будущем переключать цвета и регулировать яркость.

Вот простой код, позволяющий засветить ленту различными цветами. Чтобы изменить цвет подставьте цифры в значения для R, G и B из комментария ниже.

Шим для светодиодов

Светодиоды используются практически во всех технике вокруг нас. Правда иногда возникает необходимость регулировать их яркость (например, в фонариках, или мониторах). Самым простым выходом в этой ситуации, кажется изменить количество тока, пропускаемого через светодиод. Но это не так. Светодиод – довольно чувствительный компонент. Постоянное изменение количества тока может существенно сократить срок его работы, или вообще сломать. Так же надо учитывать, что нельзя использовать ограничительный резистор, так как в нем будет накапливаться лишняя энергия. При использовании батареек это недопустимо. Еще одна проблема при таком подходе – цвет света будет меняться.

Как регулируется яркость светодиодов?

Есть два варианта:

  • Регулирование ШИМ
  • Аналоговое

Эти методы контролируют проходящий через светодиод ток, но между ними есть определенные различия.
Аналоговое регулирование изменяет уровень тока, который проходит через светодиоды. А ШИМ регулирует частоту подачи тока.

ШИМ-регулирование

Выходом из этой ситуации может быть использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При такой системе светодиоды получают необходимый ток, а яркость регулируется с помощью подачи питания с высокой частотой. То есть, частота периода подачи изменяет яркость светодиодов.
Несомненный плюс ШИМ-системы – сохранение продуктивности светодиода. КПД составит около 90%.

Виды ШИМ-регулирования

  • Двухпроводная. Часто используется в системе освещения машин. Источник питания преобразователя должен иметь схему, которая формирует сигнал ШИМ на DC-выходе.
  • Шунтирующее устройство. Чтобы сделать период включении/выключения преобразователя используют шунтирующий компонент, который обеспечивает путь для выходного тока помимо светодиода.

Параметры импульсов при ШИМ

Частота следования импульсов не меняется, поэтому никаких требований в определении яркости света к ней нет. В данном случае, меняется только ширина, или время положительного импульса.

Частота импульсов

Даже с учетом того, что особых претензий к частоте нет, существуют граничные показатели. Они определяются чувствительностью глаза человека к мельканиям. Например, если в кино мелькания кадров должны составлять 24 кадра в секунду, чтобы наш глаз воспринимал его как одно движущееся изображение.
Чтобы мелькания света воспринимались как равномерный свет, частота должна составлять не меньше 200Гц. По верхним показателям ограничений нет, но ниже никак нельзя.

Как работает регулятор ШИМ

Для непосредственного управления светодиодами применяется транзисторный ключевой каскад. Обычно для них используют транзисторы, способные накапливать большие объемы мощности.
Это необходимо при использовании светодиодных лент или мощных светодиодах.
Для небольшого количества или невысокой мощности вполне достаточно использования биполярных транзисторов. Так же можно подключать светодиоды прямо к микросхемам.

Генераторы ШИМ

В системе ШИМ в качестве задающего генератора могут использовать микроконтроллер, или схема, состоящая из схем малой степени интеграции.
Так же возможно создание регулятора из микросхем, которые предназначены для импульсных блоков питания, или логические микросхемы К561, или интегральный таймер NE565.
Умельцы используют в этих целях даже операционный усилитель. Для этого на нем собирается генератор, который можно регулировать.
Одна из наиболее используемых схем основана на таймере 555. По сути, это обычный генератор прямоугольных импульсов. Частота регулируется конденсатором С1. при выходе у конденсатора должно быть высокое напряжение (это равно с соединением с плюсовым источником питания). А заряжается он тогда, когда на выходе присутствует низкое напряжение. Этот момент и дает получение импульсов разной ширины.
Еще одной популярной схемой является ШИМ на основе микросхемы UC3843. в этом случае схема включения изменена в сторону упрощения. Для того, чтобы управлять шириной импульса, используется подача регулирующего напряжения положительной полярности. На выходе в таком случае получается нужный импульсный сигнал ШИМ.
Регулирующее напряжение действует на выход так: при снижении широта увеличивается.

Почему ШИМ?

  • Главное преимущество этой системы – легкость. Схемы использования очень просты и легки в реализации.
  • Система ШИМ – регулирования дает очень широкий диапазон регулировки яркости. Если говорить о мониторах, то возможно применение CCFL-подсветки, но в таком случае яркость можно уменьшить только в два раза, так как CCFL-подсветка очень требовательна к количеству тока и напряжению.
  • Используя ШИМ можно удерживать ток на постоянном уровне, а значит светодиоды не пострадают и цветовая температура меняться не будет.

Недостатки использования ШИМ

  • Со временем мерцание изображение может быть довольно заметно, особенно при низкой яркости или движении глаз.
  • При постоянном ярком освещении (например, свете солнца) изображение может расплываться.