Что такое ШИМ? Как ШИМ регулирует яркость, температуру, обороты двигателя и напряжение? Разбираемся!

Здравствуйте, дорогие друзья!

Добро пожаловать на развлекательно-познавательный и научно-популярный канал про электронику HiDev.

Сегодня у нас с вами очень полезный ролик, ну, по крайней мере, я так думаю.

За это короткое видео мы много чего обсудим и много чего разберем.

Сделаем полезное устройство, а точнее модуль, и применим его в деле, даже во многих делах.

Так что усаживайтесь поудобнее, приковывайте взгляд к экрану и слушайте внимательно.

Сегодня мы с вами будем говорить о ШИМ, широтно-импульсной модуляции.

Что такое ШИМ?

На самом деле это безумно просто, как и все гениальное.

ШИМ это когда напряжение есть, а потом его нет, а потом опять есть, а потом опять его нет.

И так постоянно.

За такое определение я конечно получу подзатыльники от отцов электроники в комментариях, но давайте все-таки разбираться подробнее.

Представим такую простую цепь.

Из источника питания, допустим на 5 вольт, кнопки и светодиода.

Когда я жму на кнопку, светодиод горит.

Отпускаю, не горит.

Все просто.

Также представим таймер, который постоянно пищит раз в 10 секунд.

И когда таймер пищит, я должен нажимать на кнопку.

Я нажимаю кнопку точно с таймером и отпускаю ее через секунду после нажатия.

Потом, как таймер снова пищит, я повторяю то же самое.

И так пока не надоест.

Вам наверное кажется, что я издеваюсь, но в этом процессе и есть вся суть ШИМ.

У нас есть цикл или такт, который длится 10 секунд.

И он до бесконечности повторяется.

Таймер запищал и одновременно со звуком я нажимаю кнопку.

И при нажатой кнопке через светодиод течет ток, от чего он светится.

Через секунду я отпустил кнопку, напряжение пропало.

Потом ждем оставшиеся 9 секунд, таймер снова пищит и все заново.

Эти такты или циклы повторяются сколько угодно.

Давайте рассмотрим отдельно взятый такт.

На графике видно, что питание к светодиоду подается лишь одну секунду из 10 секунд в цикле.

То есть если разбить все 10 секунд такта на проценты, весь такт это 100%.

А на светодиод подается питание только лишь 10% времени.

Если мы будем держать кнопку 6 секунд за цикл, то соответственно светодиод будет светиться 60% времени.

Если 7 секунд, то 70% и так далее.

Я надеюсь вы понимаете.

По сути, вот вам широтно-импульсная модуляция воплоти.

Мы меняем ширину импульса при одинаковой частоте.

Один из главных параметров ШИМ это как раз частота, то есть продолжительность одного такта.

Измеряется обычно в герцах.

1 Гц соответствует 1 секунде.

В нашем примере с тактом в 10 секунд частота равняется 0,1 Гц.

Если бы наш такт длился секунду, то значит частота ШИМ равнялась бы 1 Гц.

Если за секунду случается 2 такта, то значит частота ШИМ 2 Гц.

И если за 1 секунду выполняется 1000 тактов, то значит частота 1000 Гц или 1 кГц и так далее.

Еще один параметр ШИМ это скважность, та самая ширина импульса на графике.

Мы будем измерять скважность в процентах, как в нашем примере до этого.

Как правило, в шим-генераторах частота остается неизменной, а меняется скважность, процент заполнения такта.

И после всего этого, наверное, возникает вопрос, ну и что с того?

И тут я с вами должен согласиться.

На такой частоте, на такой скорости, как в нашем примере, конечно же, ничего интересного не происходит.

Ну мигает светодиод, и черт с ним.

Но если мы уменьшим продолжительность одного такта с 10 секунд, допустим, до 40 микросекунд, что соответствует 25 кГц, то сфера применения этих включений и выключений резко расширяется.

На такой скорости при тех же 10% заполнения такта светодиод не моргает как пенсионер, а просто горит с меньшей яркостью.

Если установим 60% заполнения такта, то яркость увеличивается.

Естественно, за кадром я не жму на кнопку 25 тысяч раз в секунду.

За меня это делает тот самый модуль, о котором я говорил в самом начале ролика.

Он построен на сверхпопулярной и вездесущей микросхеме NE555.

Это крайне простая поделка, которая состоит по сути из 9 деталей.

Это генератор ШИМ на частоте примерно 25 кГц.

Но с этим простым модулем можно сделать столько всего полезного, вы даже удивитесь.

Этот модуль построен на небольшой платке, которую я сделал методом лут.

Но на самом деле в большинстве случаев делать самому платы дома невыгодно.

Ведь с помощью сервиса JLCPCB всего лишь за 2 доллара плюс доставка вы можете заказать до 5 двухсторонних печатных плат размером 100 на 100 миллиметров, шелкографией и маской любого из предложенных цветов.

А за 5 долларов можно заказать уже четырехслойные платы, что между прочим очень круто.

Также они могут распаять на вашей плате SMD детали.

У них на сайте есть огромная база оригинальных SMD компонентов, которые пойдут на вашу плату по низким ценам.

Чтобы сделать заказ, поместите архив с Gerber файлами вашей спроектированной платы на сайт glcpcb.com и за сутки они все сделают для вас.

Сервис реально незаменимый, я им постоянно пользуюсь и искренне вам рекомендую.

Ссылка на их сайт в описании, переходите.

В описании к ролику я оставлю ссылочку на архив, где будут гербер файлы платы этого модуля и отзеркаленный рисунок платы в формате PDF для LUT.

Еще будет монтажная схема, чтобы было понятно, какие детали и куда припаивать.

Как я говорил, тут все очень просто.

Во главе всего стоит микросхема NE555.

Это таймер, на основе которого что только не делают радиолюбители.

Генератор ШИМ это лишь верхушка айсберга.

Однажды мы с вами посвятим этой микросхеме отдельное видео.

Стоит эта микросхема копейки даже у нас, а на Алиэкспресс можно купить мешок NE555 за 100 рублей.

Все остальные детали на плате это обвязка.

Из нюансов стоит отметить, что диоды нужны быстрые.

Я использую US1M и вам рекомендую.

Конденсатором C2 мы задаем частоту ШИМ.

Сейчас она около 25 кГц.

Уменьшая его емкость, можно поднять частоту.

Увеличивая емкость этого конденсатора, частота уменьшается.

Обратите внимание, потенциометр припаивается как SMD-деталь, загнутыми таким образом ножками.

Он должен быть именно на 20 кОм.

И как вы наверняка догадались, поворотом ручки потенциометра регулируется скважность, то есть процент заполнения такта.

Регулируется не от 0 до 100, а примерно от 5% до 99,5%.

Это такая вот особенность этой схемы.

Этот модуль может питаться напряжением в диапазоне от 5 вольт до 15.

Контакты на плате – это вход питания.

Второй контакт – это масса или земля, или минус, как вы привыкли называть.

С другой стороны – выход, откуда фигачит шин.

И продублированная земля для удобства.

В описании вы найдете ссылки на все необходимые детали для этого модуля.

Для большей народности я могу порекомендовать собрать этот модуль вообще бесплатно, навесным монтажом.

Такой вариант я тоже сделал.

К сожалению, у меня не было в наличии более крупной DIP-версии микросхемы NE555, так что пришлось потеть с SMD-версии.

Но в итоге все получилось.

Надеюсь, я заслужил лайк за SMD-навесной монтаж.

Тут схема упрощена еще сильнее.

Я выкинул диод D3 по входу и конденсатор C3.

Только теперь нельзя путать полярность.

В принципе такой вариант вполне себе рабочий.

Потенциометр можно вкрутить куда-нибудь в корпус, один раз припаяться и модуль будет спокойно выполнять свои функции.

Только лучше все-таки использовать для навесной пайки DEEP версию микросхемы.

И никакой проблемы собрать не будет.

Схема навесного монтажа будет в архиве под видео.

И ссылки на детали для навеса вы тоже найдете в описании.

Ну а теперь давайте рассматривать практические применения ШИМ, широтно-импульсной модуляции и нашего модуля в частности.

И для удобства я вернусь к модулю на плате.

И наверное первое что приходит в голову это диммер светодиодной ленты, то есть регулятор яркости.

Действительно идея очень хорошая, только нам понадобится дополнительный транзистор.

Потому что если напрямую подключиться к модулю, микросхема не выдержит ток необходимый для светодиодной ленты.

Схема подключения будет очень простая.

Возьмем какой-нибудь мощный N-канальный MOSFET транзистор, например, IRFZ44.

Собираем по схеме.

Я припаял таким образом транзистор к модулю, что очень удобно.

Плюс питание напрямую к ленте, а минус ленты к транзистору.

Проверяем.

Как видите, все работает.

Яркость меняется, просто благодать.

Из-за большой частоты 25 кГц нет никаких мерцаний даже на камеру.

Вместо светодиодной ленты можно подключить 12-вольтовую лампочку накаливания.

Возможно, автомобилистам это пригодится.

А можно какую-нибудь нехромовую проволоку и регулировать ее нагрев этим модулем.

Также можно регулировать этим модулем обороты коллекторного электродвигателя.

Только в помощь к транзистору нужно добавить диод на 3 А и выше.

Хотя если у вас моторчик маленький и слабенький, то подойдет и маленький диод на 1 А. Этот диод защищает транзистор от обратного тока, который возникает в обмотках электродвигателя.

Теперь перейдем к сценариям применения посложнее.

Понижающий DC-DC преобразователь –

Это, конечно, упрощенный вариант, в отличие от специальных модулей, но рабочий вариант.

Тут нам понадобится уже П-канальный MOSFET транзистор, диод шотки, дроссель примерно на 100 микрогенри и электролитический конденсатор от 220 микрофарад.

Собираем все по схеме и проверяем.

Как ожидалось, всё работает.

Тут, конечно, нет никакой стабилизации.

Если напряжение на входе изменится, то и на выходе тоже изменится, и будут просадки при подключении к мощной нагрузке.

Но для каких-то простых задач этот преобразователь сгодится.

Но есть один нюанс.

Из-за того, что транзистор у нас П-канальный, ручка потенциометра на модуле работает в обратную сторону.

То есть при уменьшении процента заполнения шим увеличивается напряжение на выходе преобразователя.

А вы вот знаете почему так?

Напишите в комментариях.

Про понижающие преобразователи у нас на канале есть очень хорошее видео.

Если хотите разобраться как он работает, обязательно посмотрите.

Ссылочка в описании.

Ну а теперь самый интересный способ применения этого модуля, это повышающий преобразователь.

Тут нам к модулю понадобится высоковольтный N-канальный MOSFET транзистор, например ERF740 или ERF840, или как у меня Toshiba K3568.

Также нужен высоковольтный электролитический конденсатор от 10 микрофарад.

Понадобится тот же дроссель на 100 микрогенри.

И еще нужен быстродиод, лучше использовать распространенный R108.

То есть HER108.

Опять с его названием проблемы.

Но у меня нет именно такого диода.

У меня есть только HER побольше, 208.

Это то же самое, только на 2 А. Собираем все по схеме, подключаем мультиметр к выходу преобразователя и смотрим на напряжение.

Можно получить очень большое напряжение на выходе, но ток будет мизерный, единицы миллиампер.

Но все равно такому преобразователю найдется применение, например для неоновых лампочек, индикаторных ламп, радиоламп или просто побаловаться с высоким напряжением, но я не рекомендую.

Про повышающие преобразователи у нас на канале тоже есть просто шикарный ролик.

Если интересно знать каким волшебным образом напряжение здесь повышается, обязательно посмотрите, ссылка в описании.

Естественно этот преобразователь тоже без стабилизации.

Если напряжение на входе изменится, на выходе тоже поменяется и будут просадки с нагрузкой.

В одном из следующих роликов мы соберем такой повышающий преобразователь на NE555, но уже с обратной связью, где напряжение на выходе будет стабилизировано.

Так что если это вам интересно, обязательно подпишитесь на канал и нажмите на колокольчик.

Ну а я надеюсь, что этот ролик был для вас полезен.

Надеюсь, что вы разобрались с широтно-импульсной модуляцией и уже придумали применение ШИМ в вашем хозяйстве.

А на этом наш ролик подходит к концу.

Ставьте лайки, пишите комментарии.

Можете даже стать спонсором нашего канала на YouTube или Patreon.

Кстати, действующим нашим спонсорам большое спасибо за поддержку.

И также всем зрителям огромное спасибо за внимание.

Ну и вроде бы на этом все.

Я все сказал.

Всем пока, друзья.

До следующей встречи.