Что такое ШИМ (PWM)?

ШИМ (Широтно-Импульсная Модуляция) – это метод управления мощностью или напряжением на выходе за счёт изменения длительности импульсов сигнала при постоянной амплитуде. Этот метод широко используется в различных областях электроники, таких как управление моторами, регулировка яркости светодиодов, звуковые генераторы и многие другие.

На английском языке ШИМ обозначается как PWM (Pulse Width Modulation), что дословно переводится как “модуляция ширины импульса”.

1. Принцип работы ШИМ

ШИМ-сигнал представляет собой прямоугольный сигнал с постоянной частотой, но переменной скважностью (отношением длительности импульса к периоду). Чем больше длительность включенного состояния, тем выше среднее значение напряжения или мощности, передаваемой на нагрузку.

• Частота ШИМ: Количество полных циклов включения и выключения за единицу времени. Например, частота 1 кГц означает, что сигнал включается и выключается 1000 раз в секунду.
• Скважность (duty cycle): Определяет, сколько времени в течение одного периода сигнал находится в состоянии “включено”. Скважность выражается в процентах – 100% означает, что сигнал всегда включён, 0% – всегда выключен.

Пример: Если скважность равна 50%, то в течение одного периода сигнал будет включён половину времени и выключен другую половину. Таким образом, на выходе среднее напряжение составит 50% от максимального значения.

2. Пример применения: управление яркостью светодиода через ШИМ

ШИМ часто используется для управления мощностью в нагрузках, таких как светодиоды или двигатели. Например, изменяя скважность ШИМ-сигнала, можно плавно регулировать яркость светодиода от полного выключения до максимального свечения.

3. Реализация на микроконтроллере с использованием потенциометра и MOSFET

В качестве примера, рассмотрим схему, в которой микроконтроллер управляет мощностью на нагрузке (например, двигателе или светодиоде) с помощью MOSFET и потенциометра.

Компоненты:

• Микроконтроллер (например, Arduino или ATtiny).
• Потенциометр для регулировки скважности ШИМ.
• MOSFET (полевой транзистор) для управления током через нагрузку.
• Нагрузка, например, мотор или светодиод.

Принцип работы:

1. Потенциометр подключается к аналоговому входу микроконтроллера и используется для задания уровня скважности ШИМ-сигнала. Когда пользователь вращает потенциометр, микроконтроллер считывает его значение и преобразует в соответствующее значение скважности.
2. Микроконтроллер генерирует ШИМ-сигнал на одном из своих цифровых выходов, например, через функцию analogWrite() в Arduino.
3. MOSFET используется как ключ для управления током через нагрузку. Когда ШИМ-сигнал находится в состоянии “включено”, MOSFET пропускает ток к нагрузке, а когда сигнал “выключен” – не пропускает. Это позволяет эффективно управлять мощностью на нагрузке.
4. Нагрузка (например, мотор или светодиод) получает управление мощностью в зависимости от скважности ШИМ-сигнала.

Пример кода на Arduino:

const int potPin = A0;  // Пин для подключения потенциометра
const int pwmPin = 9;   // Пин для ШИМ-выхода
int potValue = 0;       // Переменная для хранения значения потенциометра
int pwmValue = 0;       // Переменная для значения ШИМ

void setup() {
  pinMode(pwmPin, OUTPUT);  // Устанавливаем пин для ШИМ как выход
}

void loop() {
  potValue = analogRead(potPin);            // Считываем значение потенциометра
  pwmValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 255); // Преобразуем в значение для ШИМ
  analogWrite(pwmPin, pwmValue);            // Подключаем ШИМ-сигнал к нагрузке
}

Как это работает:

1. Потенциометр подключён к аналоговому входу микроконтроллера. Значение с потенциометра варьируется от 0 до 1023.
2. Микроконтроллер преобразует это значение в диапазон от 0 до 255, что соответствует значению скважности ШИМ (0% до 100%).
3. Затем микроконтроллер выводит ШИМ-сигнал на пин 9, который подключён к затвору MOSFET. MOSFET управляет током, проходящим через нагрузку (мотор или светодиод).

4. MOSFET в ШИМ-регулировании

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) играет ключевую роль в управлении большими нагрузками с помощью ШИМ. Он используется для переключения состояния нагрузки между включённым и выключенным состоянием с высокой скоростью. Это позволяет эффективно управлять мощностью, подаваемой на нагрузку, с минимальными потерями на нагрев.

• Когда на затвор MOSFET подаётся высокий уровень сигнала ШИМ, транзистор открывается и ток проходит через нагрузку.
• Когда на затвор подаётся низкий уровень сигнала, MOSFET закрывается, и ток не проходит через нагрузку.

5. Заключение

Широтно-импульсная модуляция (PWM) – это мощный и эффективный метод управления мощностью и напряжением в различных электронных устройствах. С её помощью можно реализовать плавное управление яркостью светодиодов, скоростью моторов и даже громкостью звука. В сочетании с микроконтроллером, потенциометром и MOSFET, ШИМ позволяет создавать высокоэффективные системы управления с минимальными потерями на нагрев, что особенно полезно для автономных устройств с батарейным питанием.