Регулятор оборотов pwm что это

Широтно Импульсная Модуляция (ШИМ, PWM)

Все микропроцессоры работают с цифровыми сигналами, т.е. с логическим нулем (0 В), или логической единицей (5 В или 3.3 В). Поэтому микропроцессор не может сформировать на выходе промежуточное напряжение. Использование для этих целей внешних ЦАП (www.drive2.ru/b/2558751/) — сложно и задействует сразу много ножек микропроцессора, что неудобно. В этих случаях применяют Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Широтно-импульсная модуляция представляет собой периодический импульсный сигнал.
Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов:
Uоп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;
Uупр – входное постоянное напряжение.
Cигналы поступают на компаратор, где они сравниваются, а при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.
Выходное напряжение Uвых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, мы регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ:

Скважность сигнала при однополярной ШИМ

Однополярная модуляция означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения

Скважность импульсов

Если сформированный таким образом сигнал подать на объект, обладающий фильтрующими свойствами, например, на двигатель постоянного тока или лампу накаливания, то объект будет использовать среднюю мощность сигнала.
Т.е. мощность, потребляемая объектом управления, пропорциональна скважности сигнала ШИМ, при условии, что период импульсов ШИМ на порядок меньше минимальной постоянной времени объекта.
ШИМ может быть встроенным выходом микропроцессора, может быть организована отдельно на выходе микропроцессора с обычным цифровым выходом.
Преимущество использования ШИМ — это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях.

Параметры ШИМ

Период тактирования T определяет через какие промежутки времени подаются импульсы.

Длительность импульса — величина показівающая время в течении которого подается сигнал t, с;

Скважность — Соотношение длины импульса (τ) к периоду тактирования (T); пропорционально модулирующей величине. Коэффициент заполнения обычно отображают в процентах (%).

Коэффициент заполнения D – величина обратная скважности.
Несмотря на то, что скважность и коэффициент заполнения могут использоваться в одинаковом контексте, физический смысл их отличается.
Эти величины безразмерны.

PS ШИМ может быть реализован не только при помощи микроконтроллеров, но и на аналоговой базе. Например, простейший ШИМ на основе мультивибратора из двух транзисторов:

Что такое шим контроллер. Схема, принцип работы и управление шим контроллера

Блог

Что такое ШИМ?

ШИМ (широтно-импульсная модуляция, англ. pulse—widthmodulation (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.

Видео

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• высокой эффективности преобразования сигнала;
• стабильность работы;
• экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
• низкой стоимости;
• высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей “затвор – исток” и “затвор – сток”. Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

Для контроля над биполярным транзистором двухтактный каскад не используется, так как управление осуществляется с помощью тока, а не напряжения. Для закрытия биполярного транзистора достаточно всего лишь прекратить протекание тока через базу. При этом замыкание базы на общий провод необязательно.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем – пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

• Контроллер глохнет после старта – обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
• ШИМ-контроллер не стартует – отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
• Напряжение на выходе отличается от номинального – проблемы с петлей ООС или с контроллером.
• После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах – некорректная работа ШИМ или драйверов.
• Нестабильная работа платы, наличие странных звуков – обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

ШИМ-контроллеры в составе блоков питания

Блок питания является неотъемлемым элементом большинства современных девайсов. Срок его эксплуатации практически ничем не ограничен, но от его исправности во многом зависит безопасность работы подконтрольного устройства. Спроектировать блок питания можно и своими руками, изучив принцип его действия. Основная цель – формирование нужной величины напряжения питания, обеспечение её стабильности. Для большинства мощных устройств гальванической развязки, основанной на действии трансформатора, будет недостаточно, да и подобранный элемент явно удивит пользователей своими габаритами.

Увеличение частоты тока питания позволяет существенно уменьшить размеры используемых компонентов, что обеспечивает популярность блоков питания, работающих на частотных преобразователях. Один из самых простых вариантов реализации питающих элементов – блок-схема, состоящая из прямого и обратного преобразователей, генератора и трансформатора. Несмотря на видимую простоту реализации таких схем, на практике они демонстрируют больше недочетов, чем преимуществ. Большинство получаемых показателей стремительно изменяются под влиянием скачков напряжения питания, при загрузке выхода преобразователя и даже при увеличении температуры окружающей среды. ШИМ-контроллеры для блоков питания дают возможность стабилизировать схему, а также воплотить множество дополнительных функций.

Важные страницы

• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
• Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
• Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
• Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
• Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете

5 / 5 ( 2 голоса )

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу – некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы узнать, как проверить ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже – с вариантами их устранения.

Частота работы устройств, синхронизация

Микросхемы ШИМ-контроллеров могут применяться для различных целей. Чтобы отладить их совместную работу с другими элементами устройства, следует разобраться, как устанавливать те или иные параметры работы контроллера и какие компоненты цепи за это отвечают.

• Резистор и емкость, задающие частоту работы всего устройства (RT, CT). Каждый контроллер может работать лишь на определенно заданной частоте. Каждый из импульсов следует лишь с этой частотой. Устройство может менять длительность импульсов, их форму и протяженность, но только не частоту. На практике это означает, что чем меньше протяженность импульса, тем длительнее пауза между ним и следующим. При этом частота следования всегда неизменна. Емкость, подключенная между ножкой CT и общим кабелем, и резистор, подключенный к выходу RT и общему кабелю, в комбинации могут задавать частоту, на которой будет работать контроллер.

• Синхроимпульсы (CLOCK). Весьма распространены случаи, в которых требуется отладить работу нескольких контроллеров так, чтобы выходные сигналы формировались синхронно. Для этого к одному из контроллеров (как правило, ведущему) требуется подключить частотозадающие емкость и резистор. На выходе CLOCK контроллера сразу же появятся короткие импульсы, соответствующие напряжению, которые подаются на аналогичные выходы всей группы устройств. Их принято называть ведомыми. Выводы RT таких контроллеров следует объединить с ножками VREF, а CT — с общим кабелем.
• Напряжение сравнения (RAMP). На этот вывод следует подавать сигнал пилообразной формы (напряжение). При возникновении синхроимпульса на выходе устройства образуется открывающее контрольное напряжение. После того как показатель напряжения на RAMP становится больше в несколько раз, чем величина выходного напряжения на усилителе ошибки, на выходе можно наблюдать импульсы, отвечающие закрывающему напряжению. Длительность импульса может рассчитывать от момента возникновения синхроимпульса вплоть до момента многократного превышения показателя напряжения на RAMP над величиной выходного напряжения усилителя ошибки.

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

Обзор типичных схем

Регулировать вращения вала электродвигателя малой мощности можно посредством последовательного соединения резистора питания с отсутствие. Однако у такого варианта имеется очень низкий КПД и отсутствие возможности плавного изменения скорости. Чтобы избежать такой неприятности, следует рассмотреть несколько схем регулятора, которые применяются чаще всего.

Как известно, ШИМ имеет постоянную амплитуду импульсов. Кроме того, амплитуда идентична напряжению питания. Следовательно, электродвигатель не остановится, даже работая на малых оборотах.

Второй вариант аналогичен первому. Единственное отличие, что в качестве задающего генератора используется операционный усилитель. Этот компонент имеет частоту 500 Гц и занимается выработкой импульсов, имеющих треугольную форму. Регулировка также осуществляется переменным резистором.

Схема

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат – значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке

. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы – доступность и простота элементов. Недостатки – сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Принцип шим-регулятора

Работа ШИМ регулятора сложностью не отличается. ШИМ-регулятор — устройство, выполняющее такую же функцию, что и традиционный линейный регулятор мощности (то есть, меняет напряжение или ток за счёт силового транзистора, рассеивающего значительную мощность на себе). Но ШИМ-регулятор отличается намного большим КПД. Достигается это благодаря тому, что управляющий силовой транзистор функционирует в ключевом режиме (либо включен, тогда пропускает большой ток, но мало падение напряжения, либо выключен — ток не проходит). В результате на таких силовых транзисторах мощность практически не рассеивается и энергия впустую не тратится.

После силового транзистора напряжение выходит как прямоугольные импульсы с изменяющейся скважностью в зависимости от необходимой мощности. Но сигнал нужно демодулировать (то есть, выделить среднее напряжение). Этот процесс происходит или в самой нагрузке (когда она индуктивного характера) или если между нагрузкой и силовым каскадом располагают фильтр нижних частот.

Пример использования шим регулятора

Самый простой пример использования регулятора напряжения ШИМ — ШИМ микросхема NE555, с которой знаком каждый радио-любитель. Благодаря ее универсальности можно конструировать самые разнообразные детали: от простейшего одновибратора импульсов с 2 в обвязке до модулятора, состоящего из большого числа компонентов. ШИМ регулятор напряжения имеет широкую область применения — это схемы регулировки яркости светодиодов и лент, а также регулировка скорости вращения движков.

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

ШИМ, PWM, DC и автоматические режимы системных и корпусных вентиляторов

Если вы когда-нибудь рылись в BIOS, возможно, вы натыкались на термины PWM, DC и Auto в разделе управления вентилятором.

В этой статье я расскажу о вентиляторах с ШИМ и постоянным током, а также о том, какие режимы использовать для эффективного охлаждения и низкого уровня шума.

PWM, DC и автоматические режимы вентилятора

Прежде чем приступить к объяснению, я сокращу его для тех, кто хочет быстрого ответа

• Если у вас 3-контактный разъём для вентилятора, выберите режим постоянного тока. С другой стороны, если у вас 4-контактный разъём для вентилятора, выберите режим PWM.
• Если разъём вентилятора вашей материнской платы имеет только 3 контакта, выберите DC независимо от того, какой у вас вентилятор.

Если вы хотите узнать больше об этих загадочных терминах, читайте дальше!

Что такое ШИМ и как он работает

Вентиляторы с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) или PWM позволяют материнским платам управлять скоростью вращения вентиляторов с помощью быстрых импульсов питания (циклов включения-выключения). Говоря просто, ШИМ-вентилятор выключается и включается очень быстро, чтобы работать на более низких скоростях.

Для этого типа вентилятора требуется 4-контактный разъём вентилятора, как показано ниже:

Как вы можете видеть на схеме выводов PWM-вентилятора выше, 4-й контакт (синий) позволяет материнской плате посылать PWM-сигнал вентилятору, который управляет его скоростью.

Постоянные импульсы мощности используются для изменения скорости вращения вентилятора в режиме ШИМ, это означает, что двигатель вентилятора быстро переключается из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ и снова в состояние ВКЛ.

Однако, напряжение (12В), подаваемое на ШИМ-вентилятор, не изменится независимо от скорости вращения вентилятора в этом режиме.

График подачи мощности для PWM-вентилятора выглядит примерно так (называемый прямоугольной или импульсной волной):

Видите эти всплески мощности («верблюжьи горбы») в каждом рабочем цикле? Это импульсы, которые поддерживают скорость вентилятора на уровне, необходимом системе.

Таким образом, скорость вентилятора в 10% рабочем цикле фактически означает, что вентилятор «включен» только в течение 10% от общего времени его работы.

Благодаря такому поведению вентиляторы с ШИМ обычно могут достигать более низких скоростей, чем их аналоги постоянного тока, при этом снижая энергопотребление в процессе.

Примечание. Некоторые вентиляторы премиум-класса с ШИМ также могут содержать компоненты, которые немного «сглаживают» этот прямоугольный сигнал, придавая ему наклон вверх и/или вниз каждый раз при обнаружении импульса.

Что такое вентиляторы постоянного тока

Вентиляторы постоянного тока немного отличаются. Во-первых, они оснащены 3-контактным разъёмом, подобным этому:

Как видите, 4-я распиновка отсутствует на вентиляторах DC.

В то время как PWM-вентиляторы полагаются на подачу одного и того же напряжения (12В), но быстро включают и выключают питание для достижения более низких скоростей, вентиляторы постоянного тока могут изменять скорость только путём изменения подаваемого на них напряжения.

Это означает, что вентилятор постоянного тока будет работать на полной скорости, когда на него подаётся напряжение 12В, но замедлится, когда это напряжение составит, скажем, 7В.

Тем не менее, эти вентиляторы по-прежнему ограничены минимальным пороговым напряжением, необходимым для поддержания вращения вентилятора, что ограничивает минимальную скорость, которую они могут достичь.

Например, вот график, показывающий, как скорость вращения вентилятора постоянного тока (в %) зависит от приложенного напряжения:

Что насчет режима авто?

Выбор AUTO оставляет за вашей материнской платой возможность определять и подавать правильный тип питания на вентилятор.

Однако, этот автоматический выбор МОЖЕТ быть неправильным, поэтому, если вы заметили какое-либо странное поведение скорости вращения вентилятора, измените его вручную.

Какой режим выбрать – DC или PWM

Приведенный выше раздел, вероятно, дал вам представление о том, что происходит, когда вы выбираете неправильный режим для вентилятора.

Если у вас есть вентилятор постоянного тока, и вы выбрали режим PWM на этом разъёме вентилятор всегда будет получать напряжение 12В. У него просто нет 4-го контакта для распознавания или управления импульсами, и, в итоге, вы получаете вентилятор, который всё время работает на 100%.

Если вы заметили, что вентиляторы вашего ПК вращаются на полной скорости при запуске, а затем останавливаются, вот почему – на некоторых платах (в основном, старых) есть небольшая задержка при пробуждении после холодного запуска, когда на вентилятор подаётся полное напряжение 12В, прежде чем перейти в режим PWM. Это одна из причин того раздражающего «оборота», когда ваш компьютер загружается.

С другой стороны, что произойдёт, если вы выберете режим постоянного тока для 4-контактного PWM-вентилятора? Ничего особо интересного. Он будет работать как обычный вентилятор постоянного тока. Вы будете ограничены определенной минимальной скоростью, но в остальном всё будет работать нормально.

PWM и шум вентилятора постоянного тока

ШИМ-вентиляторы, как правило, тише, чем вентиляторы постоянного тока, потому что иногда вы слышите больше электрического шума в некоторых двигателях, когда они работают ниже определенного напряжения.

Более того, как я уже говорил выше, вентиляторы с ШИМ могут достигать гораздо более низких скоростей, что опять же помогает бороться с шумом.

Вентиляторы постоянного тока дешевле в производстве, и вы увидите, что они широко используются в системах, предназначенных для поддержания скорости вращения вентиляторов на 100%.

What is a PWM signal?

Digital signals are signals that can be represented by a 0 or 1. Analog signals on the other hand have a greater range of possible values than just a 0 or 1. Both of these signals are used in the electronics around us but they are handled very differently. If we need to take an analog input, we can get the real-time analog data from a sensor, and then using an analog-to-digital converter (ADC), convert it to digital data for a microcontroller. But what if we need to control an analog device from our microcontroller? Some microcontrollers have an onboard digital-to-analog converter (DAC) to output a true analog signal in order to control analog devices and we can even use an external DAC. But a DAC is relatively expensive to produce in terms of cost and it also takes up a lot of silicon area. To overcome these issues and to easily achieve the functionality of a DAC in a much more cost-efficient way, we can use the technique of PWM.

PWM or Pulse Width Modulation is a technique used to control analog devices, using a digital signal. This technique can be used to output an analog-like signal from a digital device, like a microcontroller. We can control motors, lights, actuators, and more using the generated PWM signal. An important thing to note here is that PWM is not a true analog signal. The digital signal is modified in a way to fake an analog signal.

Pulse-Width-Modulation explained

With electrical components, you can control the current delivered to them, even if the only control you have is switching the power supply on and off. You can rapidly switch the power supply on and off in a pattern to control the current delivered to the device. Keeping it “on” for a duration more than the “off” duration will raise the average power level and doing it the opposite way will reduce the average power level. We can generate a varied range of speeds (analog) for our motors and actuators even though in reality we are just switching between the two possible states of being on and off (digital). This is exactly what a PWM signal is.

Let’s use this analogy as an example. Imagine you have a ceiling fan in your home but without any speed regulator. So you can either turn it on and it’ll gradually achieve max speed, or you can turn it off. Now, what if I ask you to run the fan at 50% of its max speed. Is it possible without a speed regulator? Give this question a thought. The answer is yes, it is possible. While we don’t recommend actually doing this, you can achieve it by playing a little with the switch of the ceiling fan. We know that the fan will not instantly achieve the max speed the moment we turn it on and neither will it immediately come to a halt as we turn it off. Turn on the switch, wait until you see that the fan has achieved 50% of the speed, and turn off the switch. Switch it on again as it starts to slow down. Using this delay to our advantage, we can switch it on or off, making it faster or slower, to get the speed we want. An important thing to note here is that continuous switching of the fan will make it draw a large amount of current, so again, we discourage you from doing this in real life.

The switching on and off is the pulse. The duration for which the pulse is held at a high state is the pulse width. T represents the total time taken to complete a cycle. Modulation refers to the modification of the original signal to get our desired signal. So we are modifying a signal or pulse such that it is “on” for the duration as per our need, hence, Pulse-Width-Modulation.

Duty Cycle

In signals, we define logic high as “on-time”. To represent the duration of “on-time”, we use the concept of duty cycle. In simple terms, the duty cycle describes the percentage of time a digital signal is “on” over an interval or period. It is represented in percentage (%).

Let’s take a signal with a maximum voltage of 10V. If our signal takes one second to complete a cycle and the signal is on for 0.5 seconds and off for the other 0.5 seconds, this is called a 50% duty cycle and we will get 5V as the average voltage output. If the signal is on for 0.75 seconds and off for the other 0.25 seconds, it will be a 75% duty cycle and the output will be 7.5V. The below image represents signals having different duty cycles and the average voltage generated by them:

Duty cycles make PWM what they actually are. We get different PWM signals by varying duty cycles of the signal. The duty cycle can be calculated as per the below formula:

where
D = Duty Cycle in Percentage
T_on = Duration of the signal being in the “on” state
Period = Total time taken to complete one cycle (T_on + T_off)

After we’ve calculated the duty cycle, we can calculate the average voltage of the signal using the following formula:

where
V_avg = Average voltage of the signal
D = Duty Cycle in Percentage
V_max = Max voltage of the signal

Frequency

Just like the duty cycle, frequency is also a primary component that defines a PWM signal’s behavior. It is the number of times a signal repeats per second. The frequency required depends on the application. For example, the frequency of a PWM signal should be sufficiently high if we wish to see a proper dimming effect while controlling LEDs. A duty cycle of 20% at 1 Hz will be noticeable to the human eye that the LED is turning ON and OFF. However, if we increase the frequency to 100Hz, we’ll get to see the proper dimming of the LED.

Generation of PWM in microcontrollers

There are various ways to generate a PWM signal. We can use a 555 Timer IC or even a comparator circuit to generate one. But the easiest way to see a PWM in action is by using a microcontroller. We can generate a PWM signal with popular microcontroller boards like the Arduino Uno just by typing out a couple of lines in our code! The PWM circuitry present on microcontrollers uses timers in the backend but they are internally connected with the pins to make our job easier. For example, if we wish to generate a PWM signal to vary the speed of a DC motor with our Arduino Uno, we can use the analogWrite(pin, value) function of Arduino. However, the crucial thing to note here is that not all the pins of an Arduino Uno are capable of generating a PWM signal. In the case of Arduino Uno, there are only 6 I/O pins (3,5,6,9,10,11) that support PWM generation and they are marked with a tilde (

) in front of their pin number on the board.

The analogWrite() function supports values from 0 to 255, where passing 0 represents 0% duty cycle and 255 represents a 100% duty cycle.

Other microcontrollers can be more complicated in their implementation but at the lowest level, they are usually operating on the same principles.

Applications

We can control the power delivered to electrical devices using Pulse Width Modulation (PWM) signals. Now, because of its high efficiency, low power loss, and its ability to precisely control the power, this technique is used in many applications like:

• Controlling the speed of DC motors and servo motors.
• Dimming of LEDs and soft-blinking. Lights can go from full intensity to dark slowly and slowly raised to full intensity again using PWM.
• Encoding data and transmitting over a data line in telecommunications.
• Creating different audio effects.

Authored By

Jayesh Upadhyay

An Electronics Engineer who loves where software and hardware meet. Always fascinated to see code change something in real life! Currently working on solving embedded system problems and helping others learn while enjoying reading science-fiction and gaming in free time.