Сьогоднішні блоки живлення зовсім не ті, що були раніше. Це вже не важкі трансформатори з масивними сердечниками і дорогої міддю в обмотці. Це не ті самі блоки живлення які споживають на всі 100, а гріються не гірше маленького нагрівача. Сьогодні це легкі і максимально ефективніше збірки ШІМ, що забезпечують харчуванням практично будь-який наш девайс. Так що ж таке ШІМ, чому вона прийшла на зміну трансформаторів? Як вона працює? Чи всі в ній (Шим) так добре на всі 100 відсотків або залишилися якісь випадки, коли краще все ж застосувати старий дідівський метод? Саме на ці питання ми відповімо в нашій статті. Тим самим ми комусь відкриємо очі на принцип роботи і застосування ШІМ контролерів, що вже добре!
Почнемо ми як і годиться в класичних творах з визначень. ШІМ (широтно-імпульсна модуляція) або англійською Pulse-Width Modulation-метод управління струмом і напругою за рахунок зміни довжини «робочого» імпульсу до цілого періоду часу, який повторюється раз за разом. Бути може наше визначення не зовсім ясно, так часто буває з визначеннями, тому до них завжди наводять приклади, про які згадаємо і ми.
Отже, як же працюють старі дідусеві трансформатори? На вторинному обмотці, за рахунок наведення на ній електричного поля утвореного від змінного струму в первинній обмотці і переданої за допомогою сердечника, ми отримуємо електричний струм і напруга. Тепер нам залишається лише випрямити і стабілізувати напругу, і справа в капелюсі. Зауважте, що струм виходить на виході постійний. При цьому слово постійний тут найбільш точне. Тобто струм не змінює свого значення він як з'явився, скажімо 12 вольт, так і буде без зміни 12 вольт, поки ми не висмикнемо вилку живлення з мережі ...
При використанні ШІМ модуляції все трохи інакше. Харчування навантаження відбувається вже не завжди, не завжди, а вибірково. Тобто напруга з'являється і зникає. При цьому напруга повинна з'являтися лише для того, щоб номінально працювало наше пристрій, скажімо світлодіод або приймач. Весь інший час, необхідно щоб напругу не подавалося. Ви запитаєте як же так? Адже якщо ми будемо включати і відключати від мережі той же світлодіод, то він почне просто мерехтіти. І це дійсно так, якщо частота включення і відключення буде помітна для людського ока. Однак якщо дуже швидко ввімкнути або вимкнути світлодіод, то людське око не зможе побачити як мерехтить світло, через те що наше сприйняття обмежена приблизно частотою для мерехтіння в 24 Гц. Відбудеться своєрідний обман зору. При цьому якщо продовжувати знижувати час для «робочого» імпульсу, то наше око почне помічати якесь прітуханіе світлодіода, тобто зміна його яскравості світіння. Що стосовно більш складних приладів, скажімо підсилювачів і т.д. то тут буде ефект від від того, що напівпровідникові прилади будуть працювати як би в напіввідкритому стані. Чи не відкриті, не закриті. При цьому знову ж частота зміни буде настільки висока, що людське око, вухо, не здатні будуть побачити і почути це. Ось і виходить, що ніби як все працює як і повинно, але при цьому частину часу харчування цих пристроїв не відбувається. Це і є основний сенс застосування ШІМ. Адже в цьому випадку весь час, поки харчування не подається, є часом, коли потужність не споживається. А значить, застосовуючи ШІМ можна реально економити не тільки споживання потужності, але і зменшити габарити пристрою, за рахунок того, що блоки живлення будуть видавати куди меншу потужність. В результаті їм доведеться розсіювати меншу кількість теплоти.
Тепер давайте трохи про формулах і графіках. Погляньте на графік і ще раз подивіться, як реалізовано харчування для трансформаторного БП (U0) і для імпульсного (ШІМ) U1.
У той час, наш вірний трансформатор гріється і працює, ШІМ встигає відпочити. У нього при цьому є 3 часу.
• Ton - час високого рівня
• Toff - час низького рівня
T - період сигналу
Само собою T = Ton + Toff.
При цьому відношення часу роботи до часу сигналу, буде коефіцієнтом. K = Ton / T.
Чим нижче цей коефіцієнт заповнення, тим вище ККД блоку живлення.
Тут також важливим параметром буде частота ШІМ.
f = 1 / T,
при цьому вимірюється вона раз у секунду, тобто в герцах. Частота важлива оптимальна, тобто не маленька і не велика. По-перше вона якраз задає то саме поняття ШІМ. Адже якщо частота буде 1 Гц, то це вже не ШІМ, а знову миготіння. Якщо ж це МГц, то прояв індукційних струмів і неможливість так швидко відкриватися або закриватися напівпровідниковими приладами, також призведе до некоректної роботи і втрат потужності.
Скажімо так, якщо це світлові прилади, то частота повинна бути від 50 Гц. Якщо ж це харчування звукової апаратури або двигунів, то вище 20 кГц, щоб не чути вухом шуми. Відзначимо лише те, що БП мають зазвичай частоту 30-60 кГц.
Як зробити ШІМ блок живлення (контролер)
Як ви вже зрозуміли, серцем ШІМ контролера буде мультивибратор або модулятор. Мультивибратор можна зробити навіть на двох транзисторах, у вигляді самого рядового мультивибратора. А модулятор можна зробити на базі мікроконтролера. Найчастіше застосовуються саме мікроконтролери.
Після залишається лише перетворити низький сигнал в керуючий силовий. Скажімо за допомогою транзистора. Приклад для світлодіода.
Якщо наша навантаження має індуктивну складову, то транзистор захищається за допомогою діода, який підключається паралельно навантаженню.
Це зразок того, як діод використовується при управлінні транзистором реле. В даному випадку обмотка двигуна також може видати високий струм, який буде тепер йти не тільки через транзистор, але і через діод.
Про конкретні приклади БП ШІМ можна дізнатися зі статті «Драйвер для світлодіодів».
Плюси і мінуси ШІМ
Почнемо з плюсів, адже не дарма ж сьогодні кожен другий, а то й перший БП застосовує ШІМ. Як ви вже зрозуміли, це економічно, а значить БП не буде грітися! Крім того це вийде компактно за розміром і мінімально по масі, при цьому ще в деяких випадках і дешевше. Ще одним важливим плюсом буде більш тривалий режим працездатності напівпровідників. Вся справа в тому, що напівпровідники з часом деградують, їх характеристики падають - змінюються. При цьому деградація напівпровідникових переходів прямо пропорційно часу їх роботи. А якщо вони частину свого часу «відпочивають», то і пропрацюють довше.
Тепер про мінуси. ШІМ контролери можуть давати перешкоди. Саме від них часто може виникати брижі на екрані, або шуми в динаміці. Через можливі шумів їх ніколи не застосовують для високоякісної звукової апаратури. Там тільки «чесні» трансформатори, та й то бажано з сердечником у вигляді тора.
БП на ШІМ складніше за своєю схемотехніки. Несправності в них складніше діагностувати і знаходити.
Підводячи підсумок про ШІМ
Тепер ви і без нас зможете підвести підсумок. Не дивлячись на всі нюанси і особливості ШІМ це все ж добре і досить просто. Мало того, що ШІМ економить місце і електроенергію, це ще і працює!