ШИМ (широтно-импульсная модуляция)

Что такое ШИМ

ШИМ (широтно-импульсная модуляция, PWM) — способ управлять средней мощностью, меняя длительность импульсов при постоянной частоте. Быстро включая и выключая сигнал, регулируют «эффективное» напряжение почти без потерь — поэтому ШИМ повсеместна в управлении двигателями, яркостью светодиодов, нагревом, а также как дешёвый ЦАП.

Скважность и среднее значение

Коэффициент заполнения D = t_вкл / T   (0…100 %)
U_ср = D × U_пит

При D = 25 % нагрузка получает четверть мощности, при 75 % — три четверти. Частота ШИМ постоянна; меняется только доля времени во включённом состоянии.

ШИМ в микроконтроллере

ШИМ формирует таймер в режиме сравнения: счётчик считает до предела (период), а регистр сравнения задаёт момент переключения (скважность). Основные режимы у AVR:

• Fast PWM — максимальная частота, счёт в одну сторону.
• Phase-correct PWM — счёт вверх-вниз, симметрия важна для управления двигателями.

Применение

• Двигатели — регулировка скорости (в связке с драйвером и мостом).
• Светодиоды — плавная яркость (глаз усредняет мерцание).
• ЦАП — ШИМ + RC-фильтр дают аналоговое напряжение (см. АЦП/ЦАП).
• Питание — импульсные преобразователи, усилители класса D.

Для аппаратной генерации простого ШИМ/меандра без МК удобен таймер NE555 — расчёт в калькуляторе NE555.

Частые вопросы

Какую частоту ШИМ выбрать?

Для светодиодов — от ~200 Гц (чтобы глаз не видел мерцания), для двигателей — сотни Гц…десятки кГц, для ЦАП — тем выше, чем проще фильтр. Слишком высокая частота растит коммутационные потери.

Как из ШИМ получить постоянное напряжение?

Пропустить ШИМ через ФНЧ (RC-цепь): фильтр усредняет импульсы, и на выходе — напряжение, пропорциональное скважности. Чем выше частота ШИМ, тем меньше пульсации.

Итоги

ШИМ регулирует среднюю мощность длительностью импульсов при постоянной частоте — эффективно и почти без потерь. В МК её формирует таймер в режиме сравнения. Скважность задаёт результат: яркость, скорость, напряжение. С RC-фильтром ШИМ превращается в простой ЦАП.

Смотрите также: Таймеры · АЦП и ЦАП · Усилитель класса D · NE555.