Откуда берётся ШИМ
Вариант 1 — аналоговый
ШИМ сигнал создаётся специально сконструированными устройствами – генераторами ШИМ сигнала или генераторами прямоугольных импульсов. Они могут быть собраны как на аналоговой базе, так и на основе микроконтроллеров, как в виде схемы из нескольких транзисторов, так и в виде интегральной микросхемы.
Самый простой вариант это микросхема NE555, собирается всё по схеме:
Схема ШИМ генератора на NE555
Но если лень разбираться и паять, то китайцы за нас всё уже давно сделали.
ШИМ генератор на NE555
Стоит $0,5, работает стабильно при питании от 5 до 16 вольт
Выдаёт ШИМ сигнал амплитудой в 5 вольт, скважность можно менять подстроечным резистором (вон та синяя штуковина с вырезом под отвертку). При желании можно заменить подстроечный резистор на переменный и получим удобную ручку регулировки
Вариант 2 – цифровой
Более сложный для новичка – использование микроконтроллера, но вместе с тем более интересный и дающий широкие возможности. Звучит страшно, но самом деле реализуется довольно просто.
В качестве микроконтроллера удобнее всего взять отладочную плату ардуино.
Как с ней работать написано вот здесь. Подключаем ардуинку к компьютеру и заливаем в неё вот такой наисложнейший код:
void setup() {
pinMode(3,OUTPUT); // опреднляем пин D3 как выход
}
void loop() {
int duty = 30; // определяем скважность равной 30%
int value = 255/10*duty; // переводим значение скважности в 8 битный формат
analogWrite(3, value); // выводим ШИМ значением value на пин D3
1
2
3
4
5
6
7
voidsetup(){
pinMode(3,OUTPUT);// опреднляем пин D3 как выход
}
voidloop(){
intduty=30;// определяем скважность равной 30%
intvalue=25510*duty;// переводим значение скважности в 8 битный формат
analogWrite(3,value);// выводим ШИМ значением value на пин D3
Далее цепляемся осциллографом к пину D3 и видим:
ШИМ скважность 30%
Сигнал частотой (Freq) -526 Гц, амплитудой (Vmax)- 5 вольт и скважностью (duty) – 30.9 %. Меняем скважность в коде — меняется и скважность на выходе
Добавляем датчик температуры или освещённости, прописываем зависимость скважности на выходе от показаний датчиков и — готова регулировка с обратной связью
Меняем скважность в коде — меняется и скважность на выходе. Добавляем датчик температуры или освещённости, прописываем зависимость скважности на выходе от показаний датчиков и — готова регулировка с обратной связью
Характеристики ШИМ сигнала
Важными характеристиками ШИМ сигнала являются:
амплитуда (U);
частота (f);
скважность (S) или коэффициент заполнения D.
Амплитуда в вольтах задается в зависимости от нагрузки. Она должна обеспечивать номинальное напряжение питания потребителя.
Частота сигнала, модулируемого по ширине импульса, выбирается из следующих соображений:
Чем выше частота, тем выше точность регулирования.
Частота не должна быть ниже времени реакции устройства, которым управляют с помощью ШИМ, иначе возникнут заметные пульсации регулируемого параметра.
Чем выше частота, тем выше коммутационные потери. Он возникают из-за того, что время переключения ключа конечно. В запертом состоянии на ключевом элементе падает все напряжение питания, но ток почти отсутствует. В открытом состоянии через ключ протекает полный ток нагрузки, но падение напряжения невелико, так как проходное сопротивление составляет единицы Ом. И в том, и в другом случае рассеяние мощности незначительно. Переход от одного состояния к другому происходит быстро, но не мгновенно. В процессе отпирания-запирания на частично открытом элементе падает большое напряжение и одновременно через него идёт значительный ток. В это время рассеиваемая мощность достигает высоких значений. Этот период невелик, ключ не успевает значительно разогреться. Но с повышением частоты таких временных промежутков за единицу времени становится больше, и потери на тепло повышаются
Поэтому для построения ключей важно использование быстродействующих элементов.
При управлении электродвигателем частоту приходится уводить за пределы слышимого человеком участка – 25 кГц и выше. Потому что при более низкой частоте ШИМ возникает неприятный свист.
Эти требования часто находятся в противоречии друг к другу, поэтому выбор частоты в некоторых случаях – это поиск компромисса.
Величину модуляции характеризует скважность. Так как частота следования импульсов постоянна, то постоянна и длительность периода (T=1/f)
Период состоит из импульса и паузы, имеющих длительность, соответственно, tимп и tпаузы, причем tимп+tпаузы=Т. Скважностью называется отношение длительности импульса к периоду – S=tимп/T. Но на практике оказалось удобнее пользоваться обратной величиной – коэффициентом заполнения: D=1/S=T/tимп. Еще удобнее выражать коэффициент заполнения в процентах.
DC Dimming в iPhone X, Xs и Xs Max
Традиционно Apple использовали в iPhone матрицы, выполненные по технологии IPS. OLED-экран впервые появился в iPhone X, и в нем же пользователи смартфонов компании впервые столкнулись с мерцанием. В то же время в iOS есть встроенный механизм, позволяющий по желанию пользователя включать и отключать экранный фильтр заданной плотности, что позволяет полностью избавиться от мерцания дисплея на низкой яркости.
Как проверить экран на мерцание
Наличие или отсутствие мерцания можно проверить без специального оборудования, используя камеру другого смартфона. Открой на смартфоне страницу с белым фоном (например, about:blank в браузере Safari или Chrome), выключи свет и понизь яркость до минимума. Если теперь навести на экран камеру другого смартфона, то мерцание экрана будет выглядеть примерно так:
Чтобы определить, на каком уровне яркости прекращается мерцание экрана, открой «Центр управления» и плавно двигай ползунок яркости. Исчезновение диагональных полос означает отсутствие ШИМ на данном уровне яркости.
Экспериментально установлено, что у iPhone X минимальный уровень яркости без мерцания — 50%. Но если держать яркость на этом уровне, то в темноте устройством будет пользоваться некомфортно. Задача — понизить эффективный уровень яркости экрана, но не допустить мерцания.
Включаем серый фильтр
В настройках iOS есть специальный режим, который можно найти в настройках Accessibility —> Display Accomodations.
В этом режиме экран искусственно затемняется программным фильтром. Я не совсем понимаю, для чего нужен этот режим в устройствах с матрицей IPS (он заметно снижает яркость белого цвета и уменьшает контрастность экрана на том же уровне яркости подсветки, что приводит к ускоренному разряду аккумулятора), однако для дисплеев OLED он более чем полезен.
Чтобы включить фильтр, зайди в Display Accomodations. Теперь нужно нажать на надпись Display Accomodations и активировать ползунок Reduce White Point (см. скриншот). Значение плотности фильтра подбери экспериментально; попробуй начать со значения в промежутке от 85 до 100% и настрой до комфортного для собственных глаз уровня (яркость экрана в центре управления должна быть на уровне 50%).
Отключение ШИМ тремя кликами
На этом настройка не закончена; включать и выключать фильтр из настроек — долго и неудобно. Рекомендую повесить соответствующую команду на тройной клик кнопкой включения экрана.
Для этого найди в настройках опцию Accessibility Shortcuts (никогда не могу запомнить, в каком именно пункте меню она находится; проще всего использовать поиск по настройкам) и назначь на нее включение и отключение функции Reduce White Point (см. скриншоты).
На этом все. После активации этой функции мы получили iPhone, мерцание экрана которого можно быстро включать и отключать трехкратным нажатием на боковую кнопку. Теперь можно спокойно пользоваться устройством в темноте.
Выводим включение фильтра в «Центр управления»
Если вы предпочитаете включать/выключать экранный фильтр не кликом на кнопку включения экрана, а командой в «Центре управления» — вы можете это сделать при помощи Accessibility Shortcuts (требуется iOS 12 или 13).
Открой настройки и найди Control Center (в меню General), далее Customize Controls.
Иконка Accessibility Shortcuts находится под пунктом More Controls. Нажми на Accessibility Shortcuts.
Иконка Accessibility Shortcuts будет добавлена в список доступных элементов управления.
Проверь, что иконка добавилась в «Центр управления». Расположение иконки можно изменить, перетащив ее в нужное место.
Для включения или выключения экранного фильтра теперь достаточно зайти в «Центр управления» и нажать на иконку Accessibility Shortcuts.
DC Dimming от Xiaomi
Несмотря на то что Xiaomi не была первой компанией, отказавшейся от модуляции ШИМ в OLED-дисплеях смартфонов, именно Xiaomi первой использовала немерцающий OLED в качестве маркетинговой фишки смартфона Black Shark 2 Pro.
Сам термин DC Dimming также маркетинговое изобретение компании. Аналогичную маркетинговую кампанию провел в свое время производитель мониторов BenQ, выпустив в 2013 году линейку мониторов Flicker Free. С тех пор мерцание в компьютерных LCD-мониторах постепенно стало дурным тоном, от него отказались практически все производители.
Изобретение Xiaomi неожиданно для самой компании отлично восприняли пользователи и журналисты. «Мы тоже!» — поспешила компания OnePlus, активировав подобный режим в OnePlus 7. «И мы!» — сказала материнская компания OPPO, выпустив смартфон Reno с такой же возможностью. «И мы тоже!» — присоединилась к банкету Huawei, выпустившая обновление для смартфона P30 Pro.
«Ах так?» — подумали в Xiaomi и анонсировали поддержку DC Dimming для ранее выпущенных моделей, таких как Mi 9. «Мы не хуже!» — сказали OnePlus, но… оказалось, не все так просто. Для моделей OnePlus 6 и 6T соответствующая опция доступна, но лишь в «лабораторных» настройках. Дело в том, что прямое управление яркостью светодиодов на низкой яркости обнажает недостатки OLED — здесь и «поехавшая» цветопередача, требующая программной компенсации, и структура «наждачной бумаги». В результате более современные матрицы OnePlus 7 и 7 Pro выглядят в режиме «без мерцания» заметно лучше более старых матриц из OP6 и 6T.
Реклама режима DC Dimming для Xiaomi Mi 9 с китайского сайта
А что же Xiaomi? Если в смартфоне Black Shark 2 возможность прямого управления яркостью заложена в настройки контроллера, то в предыдущих моделях контроллер перепрограммировать не удалось. DC Dimming для этих моделей доступен в виде своеобразного хака: для активации режима нужно ввести в приложении «Телефон» код .
О ШИМ более детально
ШИМ дает альтернативную возможность регулирования как при постоянном, так и при переменном напряжении. В любом случае элемент, реализующий его, – это аналог выключателя, который работает по специальному алгоритму
Если нагрузка неизменна, как, например, кипятильник или лампа накаливания, зависимость частоты коммутации, именуемая скважностью импульсов, привязана к среднему значению напряжения. Соответственна этому и мощность – как электрическая, так и тепловая. Однако, несмотря на универсальность и прочие положительные качества, ШИМ эффективен лишь при определенных минимальных характеристиках выключателя – того, что отрабатывает упомянутую скважность импульсов напряжения непосредственно на нагрузке
Напряжение на ней при коммутации изменяется не мгновенно
Однако, несмотря на универсальность и прочие положительные качества, ШИМ эффективен лишь при определенных минимальных характеристиках выключателя – того, что отрабатывает упомянутую скважность импульсов напряжения непосредственно на нагрузке. Напряжение на ней при коммутации изменяется не мгновенно. При замыкании цепи оно нарастает, а при отключении спадает в течение некоторого времени
При замыкании цепи оно нарастает, а при отключении спадает в течение некоторого времени.
А поскольку в этих временных интервалах напряжение и ток приложены к выключателю, на нем выделяется некоторая мощность потерь (именуемых динамическими). Если интервалы слишком продолжительны, выделение тепла может быть опасным для работоспособности выключателя, и он получит необратимые повреждения. По этой причине выключатели, пригодные для большинства случаев, стали доступны лишь с появлением мощных быстродействующих полупроводниковых приборов.
Разновидности
ШИМ – схемы на лампах и реле при напряжениях электросети 220 В и выше – получались либо малоэффективными, либо вообще неработоспособными. Они могли нормально работать лишь при небольших напряжениях и токах. Современные схемы ШИМ, благодаря быстродействию и физическим принципам работы полупроводниковых ключей, стали основой вторичных источников питания. Среди них различают аналоговые и цифровые варианты.
Но в результате получается один и тот же результат – напряжение, регулируемое в заданных пределах. Нагляднее пояснить работу ШИМ при питании нагрузки постоянным напряжением. Например, автомобильная фара светит в полную силу при непрерывной подаче на нее напряжения аккумулятора. Если время пребывания фары под напряжением будет равно времени отключения, то при соотношении их на уровне секунд будет видно, что лампа включилась на полную яркость и затем выключилась. И так далее.
Если время включения и выключения оставить одинаковыми, но уменьшить периодичность коммутаций, лампа будет мигать. Но при еще большем уменьшении периодичности коммутации яркость будет уменьшаться, а мигание становиться все менее заметным. И, начиная с определенного значения периодичности (частоты) коммутации, человеческий глаз будет видеть ровный свет, воспринимаемый как потускневший. На самом деле так и получится, фара будет светить в пол силы.
Если при этой же периодичности время включенного состояния увеличить, а выключенного на столько же уменьшить, света станет больше. И наоборот.
Принцип ШИМ
Про частоты
ШИМ — это частота, с которой мерцают светодиоды экрана, чем эта частота выше — тем лучше. Комфортным значением, при котором наши глаза перестают замечать мерцания, является частота 60 Гц. Всё, что ниже, уже может приносить дискомфорт. Однако есть ещё такая штука, как частота обновления (развёртки).
OLED и IPS
Этот параметр никак не зависит от частоты ШИМ. У IPS-экранов частота ШИМ может достигать 2 кГц, однако частота развёртки у них может быть и 60 Гц и 120 Гц.
Частота развёртки — это скорость того, как часто изображение обновляется на экране. Чтобы лучше понять, как этот процесс происходит, давайте обратимся к ЭЛТ-мониторам. Наверняка у тех, кто родился в 90-х и начале 2000-х, такой стоял дома.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая
Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.
Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.
Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.
Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.
Аналоговая широтно-импульсная модуляция
Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.
Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения
S = T/t.
Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).
Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.
В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.
Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.
При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.
Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.
Ответы на популярные вопросы
Как понять, мерцает ли экран при покупке?
Решить этот вопрос поможет карандашный тест, описываемый выше. Второй способ — это навести камеру другого телефона на экран тестируемого устройства. Эффект мерцания лучше просматривается на белом фоне.
Как включить DC Dimming на Huawei?
Первым следует убедиться, что смартфон поддерживает технологию DC Dimming. На смартфонах Хуавей следует перейти в «Настройки», затем «Экран» и потом «Режим защиты зрения». В открывшемся окне остается включить нужную вам функцию.
В заключении хочется напомнить, что мерцание экрана отрицательно сказывается на самочувствии и вызывает усталость глаз. Эта статья дает понимание применения в смартфоне ШИМ и DC Dimming. В дальнейшем, полученные после прочтения знания, помогут выбирать устройства, не оказывающих существенного вреда вашему самочувствию.
ШИМ-регулятор: принцип действия и сфера применения
Сам принцип широтно–импульсного моделирования (ШИМ) известен уже давно, но применяться в различных схемах он стал относительно недавно. Он является ключевым моментом для работы многих устройств, используемых в различных сферах: источники бесперебойного питания различной мощности, частотные преобразователи, системы регулирования напряжения, тока или оборотов, лабораторные преобразователи частоты и т.д. Он прекрасно показал себя в автомобилестроении и на производстве в качестве элемента для управления работой как сервисных, так и мощных электродвигателей. ШИМ-регулятор хорошо зарекомендовал себя при работе в различных цепях.
Давайте рассмотрим несколько практических примеров, показывающих, как можно регулировать скорость вращения электродвигателя с помощью электронных схем, в состав которых входит ШИМ-регулятор. Предположим, что вам необходимо изменить обороты электродвигателя в системе отопления салона вашего автомобиля. Достаточно полезное усовершенствование, не правда ли? Особенно в межсезонье, когда хочется регулировать температуру в салоне плавно. Двигатель постоянного тока, установленный в этой системе, позволяет изменять обороты, но необходимо повлиять на его ЭДС. С помощью современных электронных элементов эту задачу легко выполнить. Для этого в цепь питания двигателя включается мощный полевой транзистор. Управляет им, как вы уже догадались, ШИМ- регулятор оборотов. С его помощью можно менять обороты электродвигателя в широких пределах. Каким образом работает ШИМ-регулятор в цепях переменного тока? В этом случае используется несколько иная схема регулирования, но принцип работы остается тем же. В качестве примера можно рассмотреть работу частотного преобразователя. Такие устройства широко применяются на производстве для регулирования скорости двигателей. Для начала трехфазное напряжение выпрямляется с помощью моста Ларионова и частично сглаживается. И только после этого подается на мощную двуполярную сборку или модуль на базе полевых транзисторов. Управляет же им ШИМ-регулятор напряжения, собранный на базе микроконтроллера. Он и формирует контрольные импульсы, их ширину и частоту, необходимую для формирования определенной скорости электродвигателя. К сожалению, помимо хороших эксплуатационных характеристик, в схемах, где используется ШИМ-регулятор обычно появляются сильные помехи в силовой цепи. Это связано с наличием индуктивности в обмотках электродвигателей и самой линии. Борются с этим самыми разнообразными схемными решениями: устанавливают мощные сетевые фильтры в цепях переменного тока или ставят обратный диод параллельно двигателю в цепях постоянного электропитания.
Такие схемы отличаются достаточно высокой надежностью в работе и являются инновационными в сфере управления электроприводами различной мощности. Они достаточно компактны и хорошо управляемы. Последние модификации таких устройств широко применяются на производстве.
Контакты ШИМ в микроконтроллере AVR ATmega16
Микроконтроллер Atmega16 имеет 4 контакта для использования ШИМ модуляции — PB3(OC0), PD4(OC1B), PD5(OC1A), PD7(OC2). Более наглядно они представлены на следующем рисунке.
Также ATmega16 имеет два 8-битных (Timer0 и Timer2) и один 16-битный таймер (Timer1). Для понимания принципов формирования ШИМ мы должны понимать основы работы с этими таймерами. Как известно, частота представляет собой количество циклов в секунду поэтому она однозначно связано зависимостью с временем. То есть чем более высокая частота нам нужна, тем более быстрый таймер мы должны использовать. Чем выше частота ШИМ, тем более точно мы можем управлять ее параметрами.
В данной статье для управления ШИМ в микроконтроллере ATmega16 мы будем использовать его Timer2
С его помощью можно выбрать коэффициент заполнения/скважность (duty cycle) ШИМ в широких пределах. Кратко рассмотрим основы этого процесса
Формирование аналогового сигнала
AnalogRead – это функция, которая используется для считывания аналоговых значений из аналоговых контактов ШИМа на Ардуино. Плата Arduino UNO имеет 6-канальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это означает, что АЦП в Arduino UNO будет отображать входные напряжения от 0 до 5 В в целое значение от 0 до 1023.
Следовательно, функция analogRead возвращает любое значение от 0 до 1023. Синтаксис функции analogRead – analogRead (аналоговый вывод no).
Поскольку мы считываем аналоговые напряжения от потенциометра на выводе A0, нам нужно написать analogRead (A0) в эскизе. Когда он возвращает целочисленное значение, с ним создается временная переменная целочисленного типа данных. Следующая функция – analogWrite. Это функция, которая используется для установки рабочего цикла сигнала ШИМ для любого заданного штыря ШИМ.
Синтаксис функции analogWrite – analogWrite (вывод PWM no, value).
Значение указывает рабочий цикл и должно быть значением от 0 (0 В) до 255 (5 В).
Перейдем к фактическому эскизу схемы управления яркостью светодиода. Окончательный эскиз показан на следующем рисунке.
Из приведенного выше эскиза мы можем легко понять, что значение, возвращаемое функцией analogRead, сохраняется в переменной temp. Это значение будет использоваться для управления рабочим циклом сигнала ШИМ с помощью функции analogWrite.
Но диапазон значений, принимаемых функцией analogWrite, находится в диапазоне от 0 до 255. Следовательно, нам нужно выполнить некоторые математические вычисления, чтобы поместить подходящее значение в функцию analogWrite.
Наконец, вычисленное значение помещается в функцию analogWrite вместе с выводом PWM для получения сигнала PWM.
Когда схема построена, и эскиз загружен в Arduino, мы видим, что, изменяя положение потенциометра, яркость светодиода мы также можем изменить.
Еще один вариант скетча для Ардуино:
int ledPin = 3; // объявляем пин, управляющий светодиодом
int brightness = 0; // переменная для задания яркости
int fadeAmount = 5; // шаг изменения яркости
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop() {
analogWrite(ledPin, brightness); // устанавливаем яркость brightness на выводе ledPin
brightness += fadeAmount; // изменяем значение яркости
/* при достижении границ 0 или 255
меняем направление изменения яркости */
if (brightness == 0 || brightness == 255) {
fadeAmount = -fadeAmount; // изменяем знак шага
}
delay(30); // задержка для большей видимости эффекта
}
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.
Заключение. ШИМ в дисплеях — что это, добро или зло?
Использование ШИМ производителями понять можно. Упрощение схемотехники, энергоэффективность, меньшая себестоимость… Проблема в том, что в данном случае воздействие производится на одну из самых уязвимых частей человеческого организма – глаза. Учитывая, что все больше и больше времени мы проводим перед экраном, очень хотелось бы, чтобы дисплеи были как можно менее вредными.
К счастью, производители ничего не имеют против того, чтобы предлагать экраны, в которых ШИМ либо отсутствует в принципе, либо работает на высоких частотах порядка десятков, а то и сотен килогерц. Беда в том, что наличие или отсутствие мерцания далеко не всегда указывается.
Если в случае с обычными мониторами сейчас можно встретить маркировку «Flicker-Free», то, когда речь заходит о ноутбуках, что за матрица стоит и в каком режиме она работает – загадка для посвященных. Узнать это можно только из обзоров или проведя самостоятельно примитивный тест на определение наличия ШИМ («карандашный» тест или при помощи обычного бытового вентилятора).
Я стараюсь сводить в таблицу информацию о ноутбуках с хорошими экранами, где помимо прочего еще указывается наличие ШИМ для управления яркостью. Выбирая ноутбук, все же не забывайте про глаза, и при возможности отдавайте предпочтение моделям, в которых отсутствует мерцание, благо их становится все больше и больше.
