Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция

Коэффициент заполнения

Одним из параметров любого прямоугольного сигнала является коэффициент заполнения. У большинства прямоугольных сигналов он составляет 50%, это нормально, но сигналы не обязательно должны быть симметричными. Время состояния «открыт» (включен) может варьироваться от полностью выключенного сигнала до полного включения, от 0% до 100%, и принимать любые значения во всем диапазоне.

Ниже показаны примеры коэффициента заполнения 10%, 50% и 90%. Хотя частоты у сигналов одинаковы, это не является обязательным требованием.

Рисунок 1 – Примеры ШИМ сигналов

Причина популярности ШИМ проста. У многих нагрузок, таких как резисторы, отклик (реакция) пропорционален потребляемой мощности. То есть преобразование между ними простое. Но, например, у светодиодов отклик (реакция) на ток очень не линейна, подав на светодиод половину его номинального тока, вы всё равно получите больше половины светового потока, который может излучать светодиод. С ШИМ уровень света, производимый светодиодом, очень линеен. Двигатели, о которых будет рассказано позже, также хорошо реагируют на ШИМ.

Одним из нескольких способов получения ШИМ сигнала является использование пилообразного сигнала и компаратора. Как показано ниже, пилообразный (или треугольный) сигнал не обязательно должен быть симметричным, но при этом важна линейность формы сигнала. Частота пилообразного сигнала соответствует частоте дискретизации сигнала.

Рисунок 2 – ШИМ модулятор. И почему симметричность наклонов формы сигнала не имеет значения.

Если не требуется никаких вычислений, то ШИМ может быть быстрым. Ограничивающим фактором является частотная характеристика компаратора. Это может не быть проблемой, так как в основных применениях используется довольно низкая скорость. Некоторые микроконтроллеры имеют встроенный ШИМ и могут записывать или создавать необходимые сигналы.

Область использования ШИМ довольно широка. ШИМ является сердцем усилителей класса D, где, увеличивая напряжение, вы увеличиваете максимальную выходную мощность, а частоту ШИМ выбираете за пределами человеческого слуха (обычно 44 кГц). Динамики не реагируют на высокие частоты, но повторяют низкие частоты, которые являются аудиосигналами. Для еще большей точности могут быть использованы более высокие частоты дискретизации, 100 кГц или более так же не слышны.

Рисунок 3 – Как аудиосигнал модулирует ШИМ сигнал

Еще одно популярное применение ШИМ – управление скоростью двигателя. Двигатели, как класс нагрузок, для работы требуют очень больших токов. Возможность изменять их скорость с помощью ШИМ значительно повышает эффективность всей системы. ШИМ более эффективны при управлении частотой вращения двигателя при низких оборотах, чем линейные методы.

ШИМ на практике

В этой статье, для работы сигнала ШИМ, мы использовали кнопку, нажимаемую вручную. Конечно, если мы построим схему, требующую такого контроля, никто не будет стоять и все время щелкать переключателями. Сигналы ШИМ чаще всего генерируются с помощью цифровых схем.

В следующих статьях мы будем использовать для этой цели очень популярный чип NE555. Если вы решили получше изучить этот вопрос (а оно того действительно стоит!), приступайте к программированию, например, на Arduino. Микроконтроллер будет выполнять функцию генератора, и вы сможете программно установить все параметры ШИМ.

Можно ли избавиться от мерцания на AMOLED экране?

Отключить ШИМ в Амолед экранах можно и помогут в этом приложения, которые можно скачать из Play Маркета. Рассмотрим варианты приложений, которые знают,  как убрать мерцание экрана, с использованием root-прав и без них.

Без root-прав

OLED Saver

Developer:
MrJS

Price:
Free

Приложение OLED Saver, позволяет сделать уменьшение ШИМа без root-доступа.

Оно обладает следующими достоинствами:

• работает на всей поверхности дисплея, включая зону уведомлений;
• можно устанавливать пороговое значение уровня яркости;
• быстро выключается и вновь включается;
• регулировать можно как с помощью ползунка, так и кнопками

После установки и включения OLED Saver можно сделать так, что экран устройства будет работать только в заданном диапазоне яркости без мерцания. А как только яркость опускается ниже указанного диапазона – включается серый фильтр, который позволит устранить мерцание.

С использованием root-прав

Lux Auto Brightness

Developer:
Vito Cassisi

Price:
To be announced

Если необходимо уменьшение ШИМ через приложение с root-доступом, то в этом случае поможет Lux Auto Brightness. Оно обладает широким функционалом, но является платным.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

1. в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
2. импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

• апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
• работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
• последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Алгоритм

Простейший вариант – вечный цикл. Вариант с прерыванием будет позже (ниже), сейчас рассмотрим простой пример, чтобы понять суть.

Во-первых надо определить с двумя вещами: с какой частотой будут моргать светодиоды, чтобы не было видно этого моргания и, второе, сколько уровней яркости может иметь светодиод.

По уровням яркости пусть будет 256. 0 – выключен полностью, 255 – включен полностью (т.е. ШИМ канал находится в логической единице все время, т.е. duty cycle = 100%.

Однако, сейчас я малек запутаю вас.

Суть в том, что у нас ПЛЮС диода на схеме тыкнут на прямую на питание, а минус идет через резистор к ноге (где резистор – не важно, важно что к ноге МК). Поэтому светодиод светится, когда на ноге МК низкий уровень, т.е

ноль, т.е. нога внутри МК прокинута на GND, т.е. на ЗЕМЛЮ. Это значит, что на самом деле 0 и 1 в ШИМ должны быть инвертированы. Т.е. чем дольше в сигнале будет 0 по отношению к 1, тем ярче будет диод.

И так, уровней яркости 256.

О каком моргании идет речь? Суть в том, что если мы должны подать ШИМ сигнал на много много диодов и делаем это последовательно на каждый, то после вывода сигнала на первый диод надо вернуться к выводу сигнала на него же за такое время, чтобы:

1. успеть сформировать полноценный ШИМ сигнал,
2. не прошло более 1/25 секунды, иначе будет заметное мигание светодиода,
3. между отрезками сигнала ШИМ не было заметных пауз в генерации шим, т.е. чтобы ШИМ сигнал НЕ БЫЛ ИСКАЖЕН.

Вот пример искажения ШИМ сигнала:

Мы это все будем иметь ввиду, но на самом деле нам здесь это не важно, так как у нас будет очень простая плавная мигалка и она будет только изменять яркость, т.е. времени будет предостаточно, а задача настолько проста, что не будет отъедать время от генерации ШИМ сигнала

И так, вот исходный код (для AVR studio, т.е. gcc):

Почему болят глаза от экрана смартфона?

Некоторые владельцы телефонов задавались вопросом почему болит голова или появляется усталость глаз при долгом использовании устройства. Это связано с тем, что экран телефона постоянно мерцает.

Приведем пример дешевой лампы накаливания, создающей мерцание, заметное человеческим глазом. Постоянное угасание и вновь яркое свечение лампочки действительно сказывается на плохом самочувствии. Многие люди могли убедиться в этом самостоятельно.

Аналогичный процесс происходит с экраном смартфона. С тем лишь исключением, что частота мерцания у него гораздо выше, чем у обычной лампочки, и практически не замечается человеком. Мерцание экрана необходимо для управления интенсивностью свечения. Регулировка яркости на современных телефонах происходит двумя способами:

1. Меняя уровень напряжения.
2. Используя пульсацию света.

Первый способ при увеличении напряжения усиливает яркость, а при снижении, наоборот уменьшает. Для второго способа используется широтно-импульсная модуляция, о которой мы поговорим ниже.

Снизить нагрузку на глаза при долгом использовании смартфона, помогут следующие советы:

пользоваться компьютерными очками;
делать перерывы через 20 минут;
проводить гимнастику глаз и чаще моргать;
пользоваться средствами для увлажнения (глазные капли/искусственная слеза);
держать смартфон на расстоянии минимум 40 сантиметров;
освещение в помещении должно быть хорошим;
уделять внимание своей осанке

Что такое ШИМ и как работает

Задумываясь и о том, что такое ШИМ (или широтно-импульсная модуляция), сразу возникает ассоциация с шириной и импульсом. Она обеспечивает включение и выключение экрана на определенный промежуток времени.

Чем меньше яркость экрана – тем чаще будет происходить всплеск напряжения за ту же единицу времени (пример: 1 секунда).

Импульсом называется всплеск напряжения на заданном временном интервале. Он обладает определенной длинной, которую можно увеличить или уменьшить. Другими словами – контролировать его ширину. Импульсы могут посылаться через заданный временной интервал.

Например, светодиоды в дисплее телефона получают импульс с частотой 60 раз за 1 секунду. То есть каждый из них продолжается 0,017 секунды. Пока длиться импульс – светодиоды горят. Перестает – светодиоды гаснут.

Вернемся к такому понятию как яркость дисплея. Для ее изменения как раз и необходимо менять длительность импульса. Каждый новый импульс, из примера выше, появляется также с частотой 0,017 секунды. Но при этом светодиоды горят лишь половину из этого времени, то есть 0,008 секунды. Тем самым, сократив ширину в 2 раза, удастся снизить яркость на 50 %.

Воздействие на человека

Подсветка OLED-панелей не меняет своего уровня на протяжении всего периода использования. Но, яркость дисплеев регулируется ШИМом. Глаза человека устроены таким образом, что не замечают этого мерцания, так как частота широтно-импульсной модуляции у современных смартфонов высокая.

Современные смартфоны обладают частотой обновления экрана от 60 Герц. Для комфортного просмотра, зрительные рецепторы людей должны улавливать импульсы света с частотой до 300 раз в секунду. Поэтому, для некоторых людей низкая частота мерцания негативно сказывается на самочувствии. У них начинает болеть голова и появляется усталость глаз.

Интересно знать!Многие производители мобильных телефонов используют технологию ШИМ при достижении определенного уровня яркости. Так, устройства компании Apple, сперва снижают напряжение, которое делает дисплей менее ярким. Когда она станет равной 50 % – запускают ШИМ. После этого появляется мерцание и люди с повышенной чувствительностью глаз, замечают появление слабости, сухость глаз и другие недуги.

Почему один человек видит мерцание, а другой нет?

При включении светодиодов с большим временным интервалом, человеческий глаз естественно замечает, что какое-то время они не горят. Но если светодиод будет гореть и затухать 60 раз в секунду, то люди престают это замечать. Этот эффект называется порогом слияния мерцания.

Для большинства людей он равен 60, но встречаются и исключения. Так, например, пилоты и киберспортсмены, проводящие много времени за компьютерными играми, более восприимчивы к частоте мерцания света. Стоит отметить, что у собак порог слияния мерцания находится в диапазоне 70 – 80 раз в секунду. А у некоторых насекомых, это значение достигает 250.

Также, стоит отметить, что все люди видят мерцание по-разному. Но большинство не замечает ее при высокой яркости. Яркий экран избавлен от мерцания, но это сказывается на автономности устройства, так как тратиться больше электроэнергии.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

Правило №1 всех ИБП: чем выше рабочая частота, тем лучше. Преобразование электроэнергии выполняется не на промышленных 50 герц, а на более высоких сигналах в пределах 1÷100кГц.

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Что такое ШИМ-диммирование?

Способность ШИМ управлять различными устройствами в каждой области электроники во многом объясняет его широкое использование в современной электронной промышленности. Сигналы PWM используются для затемнения светодиодов, управления двигателями и работы различного электрического оборудования. Следовательно, какова функциональность методологии ШИМ?

ШИМ это метод уменьшения средней подаваемой мощности электрического сигнала. Кроме того, процедура завершается успешным разделением сигнала на составные части. С точки зрения функциональности, переключатель между нагрузкой и источником можно быстро включать и выключать, чтобы регулировать средний ток и напряжение, подаваемые на нагрузку.

Изменяя время, в течение которого сигнал находится на высоком (ВКЛ) или низком (ВЫКЛ) уровне, ШИМ обеспечивает широкий диапазон яркости (ВЫКЛ). В отличие от аналогового диммирования, при котором светодиоды затемняются за счет изменения выходной мощности, сигнал ШИМ может быть либо включен, либо выключен в любой момент времени, что означает, что светодиоды либо получат полное напряжение, либо не будут получать электричество (т. е. подача 10 В вместо 12 В для изменить яркость).

Принцип работы программы

Есть счетчик отрезков времени – scancount. Максимальное значение этого счетчика – это количество уровней яркости минус 1. Каждый оборот цикла он увеличивается на единицу, потом переваливает за 255 и снова становится 0. В каждом обороте цикла происходит установка сигнала для каждого светодиода. Если счетчик меньше больше или равен уровню яркости, то выключаем диод. Если счетчик меньше уровня яркости заданного для диода – то включаем это диод. И как каждый цикл. Например, если уровень яркости равен 0, то счетчик всегда будет равен или более нуля и диод всегда будет выключен. Если уровень яркости 255, то счетчик будет меньше этого значения 254 из 255 оборотов счетчика и будет гореть практически в полную силу. Если яркость установлена в 50, то 50 первых оборотом цикла диод будет включен, а 206 оставшихся оборотов – выключен, т.е. на него будет подана 50/256 тока от максимума.

Ниже в программе идет управление уровнем яркости диодом, чтобы была какая-то демонстрация. При каждом переполнении счетчика к яркости всех диодов добавляется 1, но если яркость становится более 128, то она сбрасывается в 0. Вообще, если бы не было этой проверки, то после достижения уровня яркости в 255 она сама бы сбросилась в ноль, но опыт показал, что после яркости в 128 она нарастает так незаметно, что можно считать что при значении в 128 она уже практически максимум. И чтобы получаемый эффект был более динамичный и была введена это проверка.

Надо также знать, что зависимость яркости от тока у светодиодов НЕ ЛИНЕЙНАЯ. Т.е. 128 не в два раза тусклее, чем 255 и не в 2 раза ярче, чем 64.

За сколько проворачивается весь цикл со всеми диодами, нас здесь мало интересует, так как понятно, что на чистоте 1Мгц (именно на ней у меня работает МК), это будет достаточно быстро, чтобы глаз не видел никаких мерцаний.

Фото сборки:нажмите на фото, чтобы увеличить

И вот видео работы: (avi, divx, 3MB)

Видео плохо показывает процесс перехода яркости, так как матрица фотоаппарата не обладает такой инерцией зрения, как человеческий глаз, но, в целом, процесс виден.

Включаем ШИМ

Для генерации ШИМ у нас есть готовая функция :

• – PWM пин (см. распиновку выше). Нумерация пинов такая же, как в уроке про цифровые пины.
• – заполнение ШИМ сигнала. По умолчанию имеет разрядность 8 бит, то есть принимает значение 0.. 255. Примечание: у esp8266 на версии ядра до 3.0 разрядность была 10 бит, то есть 0.. 1023.

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

void setup() {
}

void loop() {
  // ШИМ на 3 пин, 1023/4 = 255 - перевели диапазон
  analogWrite(3, analogRead(0) / 4);
}

Рассмотренный пример меняет яркость светодиода в зависимости от положения рукоятки потенциометра.

Особенности Arduino Nano

Стандартные параметры ШИМ сигнала:

Таймер	Пины	Частота	Разрядность
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)

Про изменение частоты и разрядности мы поговорим в отдельном уроке.

Особенности Wemos Mini

Частота ШИМ по умолчанию 1 кГц.

Частоту можно настроить в analogWriteFreq(100.. 40000 Гц).

Разрядность ШИМ по умолчанию 8 бит (0.. 255) на версиях ядра 3.x. На ранних версиях – 10 бит (0.. 1023). Скажем спасибо индусам за совместимость.

Разрядность можно настроить в analogWriteResolution(4…16 бит).

Как выбрать частоту?

Прежде всего, мы должны научиться искать нужную документацию об элементах и находить правильные решения. Если наш проект основан на интегральной схеме или готовом контроллере, то частота ШИМ, или хотя бы ее диапазон, часто навязывается (предлагается) производителем. Например, для сервоприводов нам нужно 20 мс, что соответствует частоте 50 Гц.

В случае двигателей, выбираются гораздо более высокие частоты — от сотен герц до сверхакустических частот, то есть выше 20 кГц. В общем, проще построить контроллер, работающий на более низких частотах, но к сожалению, недостатком может быть отчетливо слышимый «писк» двигателя.

Выход за пределы акустической частоты снижает этот неприятный эффект.

Конечно, этот метод сопоставления не идеален, так как лучше всего рассчитать подходящую частоту. Для этого вам понадобится немного больше опыта. Придется изучить множество теорий, но вы можете подсчитать, например, параметры фильтра, вместо того, чтобы выбирать их случайным образом.

ШИМ контроллер: принцип работы

ШИМ сигналом управляет ШИМ контроллер. Он управляет силовым ключом благодаря изменениям управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открытым или полностью открытым. В закрытом состоянии через p-n-переход идет ток не больше нескольких мкА, то есть мощность рассеивания близка к нулю. В открытом состоянии идет большой ток, но так как сопротивление p-n-перехода мало, происходят небольшие теплопотери. Больше тепла выделяется в при переходе из одного состояния в другое. Однако благодаря быстроте переходного процесса в сравнении с частотой модуляции, мощность этих потерь незначительна.

Все это позволило разработать высокоэффективный компактный широтно импульсный преобразователь, то есть с малыми теплопотерями. Резонансные преобразователи с переключением в 0 тока ZCS позволяют свести теплопотери к минимуму.

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется при помощи аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий — непрерывный модулирующий.

Выходные импульсы идут прямоугольной формы. Частота их следования соответствует частоте пилы, а длительность плюсовой части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, идущего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, подающегося на инвертирующий вход. В период когда напряжение пилообразного сигнала будет превышать модулирующий сигнал — на выходе будет фиксироваться отрицательная часть импульса.

Во время когда пилообразный сигнал подается на неинвертирующий вход, а модулирующий — на инвертирующий, выходные прямоугольные импульсы будут положительными, когда напряжение пилы будет выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, а отрицательное — когда напряжение пилы станет ниже сигнала модулирующего.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может формировать на выходах или 100% высокий или 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой такое напряжение на выходе нужно изменять. Например, когда осуществляется регулировка скорости вращения вала мотора или при изменении яркости светодиода.

Вопрос решают ШИМ контроллеры. То есть, 2-хуровневая импульсно-кодированная модуляция — это серия импульсов, характеризующаяся частотой 1/T и либо шириной Т, либо шириной 0. Для их усреднения применяется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные подимпульсы, которыми и заполнен период, могут занимать любое место в периоде. Тогда на среднем значении сигнала за период сказывается лишь их количество. Так как процесс осуществляется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной регулировки. ШИМ контроллеры решают эту задачу.

Можно провести следующую аналогию с механикой. Когда маховик вращается при помощи двигателя, при включенном двигателе маховик будет раскручиваться или продолжать вращение, если двигатель выключен, маховик будет тормозить из-за сил трения. Однако, если движок включать/выключать на несколько секунд, вращение маховика будет держаться на определенной скорости благодаря инерции. Чем дольше период включения двигателя, тем быстрее раскрутится маховик. Аналогично работает и ШИМ модулятор. Так работают ШИМ контроллеры, в которых переключения происходят в секунду тысячи раз, и частоты могут достигнуть единиц мегагерц.

Использование ШИМ-контроллеров обусловлено их следующими преимуществами:

• стабильностью работы;
• высокой эффективностью преобразования сигнала;
• экономией энергии;
• низкой стоимостью.

Получить на выводах микроконтроллера (МК) ШИМ сигнал можно:

• аппаратным способом;
• программным способом.

В каждом МК есть встроенный таймер, генерирующий ШИМ импульсы на определённых выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ сигнала при помощи команд программирования более эффективно за счет разрешающей способности и дает возможность задействовать больше выводов. Но программный способ вызывает высокую загрузку МК, занимая много памяти.

Почему применяется ШИМ

Основными причинами применения ШИМ являются лёгкость её реализации, для которой от подсветки нужна лишь способность часто включаться и выключаться, а также обеспечиваемый с её помощью широкий диапазон возможных значений яркости.

Снизить яркость CCFL-подсветки можно путём снижения тока, протекающего через лампу, но лишь примерно вдвое ввиду их строгих требований к току и напряжению. Это делает ШИМ единственным простым способом достижения широкого диапазона регулирования яркости. CCFL-лампа обычно управляется инвертором, включающимся и выключающимся с частотой в десятки килогерц, что находится за пределами мерцания, заметного для человека. Однако ШИМ обычно работает на гораздо более низкой частоте, около 175 Гц, что может приводить к заметным дефектам изображения.

Яркость свето­диодной подсветки можно регулировать в широких пределах путём изменения проходящего через них тока, правда в результате несколько изменяется цветовая температура. Этот аналоговый подход к изменению яркости свето­диодов также нежелателен ввиду того, что вспомогательные цепи обязаны учитывать тепло, выделяемое свето­диодами. Свето­диоды во включённом состоянии нагреваются, что уменьшает их сопротивление и дополнительно увеличивает протекающий через них ток. Это может привести к быстрому росту тока в сверхъярких свето­диодах и послужить причиной их выхода из строя. При исполь­зовании ШИМ ток можно принудительно удерживать на постоянном уровне в течение рабочего цикла, в результате чего цветовая температура всегда одинакова и перегрузок по току не возникает.