Непонимание работы ШИМ или PWM ( Pulse-width modulation ) часто приводит не только к их неправильному использованию, но даже к ошибкам в проектировании устройств использующих ШИМ для управления. Здесь, ограничившись конкретным применением, я попытаюсь рассказать что такое ШИМ, для чего она требуется и как работает.
Сначала, что такое ШИМ.
| Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. |
Когда нужна ШИМ
Главной причиной применения ШИМ является необходимость обеспечить пониженным постоянным напряжением силовых устройств электроники при сохранении высокого КПД, особенно в управляемых электроприводах.
Во внутренних сетях аппаратуры для питания устройств используется постоянное напряжение ограниченного набора напряжений, которые часто требуется изменить под требования конкретного устройства, стабилизировать или регулировать его. Это могут быть электроприводы постоянного тока, чипы, узлы радиоаппаратуры.
Движение на телевизорах: Вставка черного кадра и затемнение ШИМ (перевод) | ABOUT TECH
Регулировку можно осуществлять с помощью гасящих напряжение устройств: резисторов, транзисторов (если требуется регулировка). Главный недостаток такого решения потери мощности и повышенное тепловыделение на регулирующих устройствах.
Поскольку известно что выделяемая мощность равна :
P = I x U или P = I 2 x R Вт.
то чем больше ток I в цепи и падение напряжения U , тем больше потери мощности. Здесь R — величина сопротивления регулирующего элемента.
Представьте что требуется погасить хотя бы 3 V при токе нагрузки 10 A , это уже 30 Вт истраченных в пустую. А каждый ватт теряемой мощности не только снижает продолжительность работы источников питания, но и требует дополнительного оборудования для вывода выделяемого, этой мощностью, тепла.
Это относится к гасящим резисторам и полупроводниковым приборам тоже.
Но хорошо известно, что полупроводниковые приборы очень хорошо (с малыми потерями и тепловыделением) работают как ключи, когда имеют только два состояния открыт/закрыт.
Этот режим позволяет снизить потери на коммутирующем полупроводниковом приборе до уровня:
U нас для современных полупроводниковых коммутаторов приближается к 0,3 v и при потребляемых токах 10 А потери мощности будут приближаться к 3 Вт. Это в режиме ключа, а при работе в устройствах ШИМ и меньше.
| В ШИМ в качестве ключевых элементов использует полупроводниковые приборы в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной. |
Реализовать преимущества ключевого режима в схемах понижающих и регулирующих напряжение постоянного тока, позволило использование ШИМ.
Повторюсь, широтно-импульсная модуляция — управление средним значением напряжения на интегрирующей нагрузке путём изменения скважности импульсов, с помощью управляющего ключа.
Работа ШИМ на интегрирующую нагрузку показана на рис. 1.
Главным условиям такого применения ШИМ является наличие интегрирующей нагрузки.
Потому что амплитудное значение напряжения равно E .
Это могут быть интегрирующая RC, LC, RLC или RL цепи и механические интеграторы (например электромотор).
При работе ШИМ на интегрирующей нагрузке напряжение — эквивалентное постоянное напряжение изменяется в зависимости от скважности ( Q ) импульсов.
здесь: Q — скважность, t и — длительность импульса, T — период следования импульсов.
С учетом скважности эквивалентное постоянное напряжение будет равно:
E экв = Q x E Вольт
здесь: E экв — эквивалентное постоянное напряжение ( Вольт ), Q — скважность, E — напряжение источника от которого запитан ШИМ преобразователь ( Вольт ).
Реально на зажимы нагрузки ШИМ подается напряжение равное E , а работа совершаемая электрическим током (или число оборотов электродвигателя) определяется именно E экв . При восстановлении на интегрирующем конденсаторе получаем именно напряжение E экв.
Мощность выделяемая на управляющем ключе, управляемом ШИМ равна:
Схема подключения нагрузки к ШИМ.
Никаких отличных от схемы включения электродвигателя на постоянном токе (частный случай нагрузки) схемных решений ШИМ не требует. Просто электродвичатель подключается к источнику питания работающего в режиме ШИМ. Разве что, в определенных ситуациях требуется ввести дополнительную фильтрацию помех возникающих на фронтах импульсов. Этот фильтр на рис. 2 в виде конденсаторов и демпфирующего диода.
На рис. 2 показано такое подключение.
Что такое шим в телевизоре?
ШИМ — это широтно-импульсная модуляция, технология, используемая в таких устройствах как мониторы, ноутбуки, смартфоны с OLED и AMOLED матрицами. Аналоговые контроллеры регулируют непосредственно яркость свечения светодиодов в в диапазоне от 0 до 100%.
Где узнать яркость телевизора?
Чтобы подстроить яркость экрана на ЖК-телевизоре, вам нужно найти в настройках изображения пункт «Подсветка», «Яркость подсветки» или «Backlight» (если меню на английском языке). Изменяя яркость подсветки, вы изменяете общую яркость экрана, не трогая при этом параметры сигнала.
Почему телевизор затемнение экрана?
Автоматическое затемнение экрана в темных сценах в основном связано с характеристиками IPS или PLS-матриц, используемых в большинстве телевизоров за последние несколько лет. Такие матрицы имеют очевидные преимущества — широкие углы обзора или приятное воспроизведение цвета.
Почему телевизор показывает разными цветами?
Если телевизор показывает зеленым цветом, то сломался транзистор или повреждены микросхемы. Когда телевизор показывает красным цветом — сломался или неправильно функционирует кинескоп. А если телевизор показывает синим цветом, то дефект в матрице или блоках цветности.
Как узнать есть ли шим?
Возьмите карандаш в руки и поводите им перед светящимся монитором как веером (в плоскости экрана). Если след от карандаша размыт (выглядит смазанным), то мерцания нет, если же след разделяется (выглядит как набор теней от нескольких карандашей), то ваш монитор мерцает.
Почему мерцает экран ЖК телевизора?
Проблема из-за телевизионного сигнала Если экран ЖК телевизора начинает мерцать после подключения определенного источника питания, то значит, причина проблемы заключается в соединении. Например, дефект может появиться из-за неисправности антенны, кабеля или ресивера.
Какой должна быть яркость телевизора?
Обычно значение яркости ЖК и LED-телевизоров лежит в пределах 300-600 кд/м2, в то время как яркость плазменного телевизора составляет 1000 кд/м2 и выше.
Почему пропала яркость у телевизора?
Возможные причины проблемы
неправильно настроена яркость или контрастность; вышли из строя светодиоды или лампы подсветки экрана; нарушена работа схемы управления лампами подсветки; неисправен драйвер инвертора (появляется характерное затемнение середины монитора);
Что значит яркость 250 кд м2?
Еще один важный параметр — яркость (измеряется в канделах на квадратный метр — кд/м2), характеризует интенсивность свечения экрана. В бюджетных моделях он составляет 200—300 кд/м2. Нормальный параметр — 250 кд/м2. Контрастность определяет способность монитора передавать оттенки и полутона.
Что делать если на экране телевизора появилось черное пятно?
Темное пятно на экране ЖК телевизора свидетельствует о поломке элементов светодиодной подсветки. Это локальное затемнение. Дефекты такого типа появляются в углу экрана. Устраняется неисправность путем замены перегоревшего светодиода.
Как отключить автоматическое затемнение экрана?
Нажмите «Универсальный доступ» > VoiceOver > «Затемнение экрана». Этот параметр активирует затемнение экрана при включении VoiceOver. Чтобы выключить затемнение экрана, повторите эти действия.
Как убрать пятна с экрана ЖК телевизора?
- вытрите экран, удаляя пыль мягкой тканью без ворса;
- не давите сильно на экран, поскольку мягкая и прогибающаяся ЖК матрица восприимчива к повреждениям;
- не распыляйте жидкость на экран;
- наносите жидкость на протирочный материал, потом протирайте;
Почему телевизор показывает в негативе?
Если телевизор стал показывать негативом – большинство телемастеров в первую очередь проверяют плату t-con, обеспечивающее взаимодействие матрицы жидкокристаллического телевизора, и материнской платы. T-con часто выходит из строя в результате перегрева системы.
Что делать если изменился цвет экрана телевизора?
В таких случаях достаточно отключить ТВ от сети и подождав некоторое время снова включить. Если дефект с изменением цвета станет меньше, повторите операцию, а если пропадет, то отлично. Чтобы такого впредь не случалось хотя бы раз в год включайте телевизор кнопкой для размагничивания кинескопа.
Что делать если телевизор показывает фиолетовым цветом?
Если ваш телевизор стал показывать фиолетовым цветом, рекомендуем сначала проверить корректность определения системы цвета: PAL, SECAM, NTSC. Сделать это можно из меню настроек канала. Попробуйте установить для выбранного канала разные системы и посмотреть на результат. Иногда таким образом можно решить проблему.
Источник: madetto.ru
Что такое ШИМ в смартфоне
С развитием техники ШИМ (англ. PWM) в наше время получает особое место. Понятным языком рассказываем о том, что представляет собой этот процесс.
ШИМ (Широтно-импульсная модуляция) в англоязычной литературе обозначается как PWM (Pulse-width modulation). Основная задача данного процесса заключается в том, чтобы повышать КПД источника питания до максимально возможного значения и минимизировать потерю энергии.
Для того, чтобы ответить на вопрос «что такое ШИМ в смартфоне», нужно немного ознакомиться с принципом работы дисплея и регуляторов.
Немного теории
Представим себе небольшую схему из 3 элементов: источника питания, регулятора (например, какой-либо линейный резистор) и нагрузки. Задача первого элемента заключается в том, чтобы подавать мощность на нагрузку. Регулятор же необходим для плавного изменения этой мощности и передачи ее нагрузке только в том количестве, в котором это нужно (чтобы не расходовать все ресурсы).
Для регулировки яркости дисплея мы должны от источника питания подавать соответствующее напряжение на нагрузку. Но все дело в том, что используя обычные линейные регуляторы, большая часть этой подаваемой энергии просто рассеивается в виде тепла и не доходит до конечного пункта.
Инженеры задались вопросом, как можно снизить эти потери и увеличить КПД всей этой схемы, чтобы не терять большое количество мощности на регуляторе (резисторе), для которого коэффициент полезного действия составляет лишь 20-30%.
В качестве решения этой проблемы стали использовать не линейные, а импульсные регуляторы. При их использовании напряжение на дисплей подается не постоянное (как мы рассмотрели на примере выше), а импульсное. Каждый цикл пульсации имеет собственный период и частоту, которая измеряется в Герцах.
Рассмотрим процесс на графике. Простыми словами, «горки» – это и есть пульсации. Это те промежутки времени (выделены красным), в которые регулятор подает напряжение на нагрузку. Зеленые линии обозначают места, в которых напряжение не подается и, фактически, в эти моменты дисплей отключается. За счет такого чередования при работе импульсного регулятора удается достичь КПД в районе 90-95%.
Если простой линейный регулятор экономит энергию всегда, попросту рассеивая ее в качестве тепла, то импульсный пользуется хитростью человеческого глаза, при которой мы не замечаем мерцания с частотой свыше 60 Гц. Благодаря этому он экономит ресурсы, постоянно включая/отключая питание дисплея с частотами 150-400+ Гц.
Что нужно знать об этом
Выше мы ознакомились с принципом работы ШИМ. Для полноты картины стоит добавить, что рабочий цикл на графике соответствует уровню яркости дисплея. Например, 100% яркости – 100% рабочего цикла. Отсюда следует, что чем больше продолжительность одной пульсации, тем меньше их приходится на определенный промежуток времени.
Например, вы смотрите на экран 10 секунд, ни на что не отвлекаясь. Посчитаем, что на устройстве установлен дисплей с уровнем мерцания 400 Гц (значит период 1 импульса равен 0,0025 сек.) и установлена яркость 50%. Как мы уже выяснили, процент яркости = проценту рабочего цикла, значит за все время, что вы смотрите на дисплей, ровно 5 секунд на него вообще не будет подаваться питания.
Но учитывая особенности нашего зрения и частоту в 400 Гц, которая неуловима для человеческого глаза, для наблюдения картинки в течение всех 10 секунд нам хватит 4000 импульсов продолжительностью 0,00125 секунд (так как яркость мы установили в 50%, что в 2 раза меньше максимальной, то и «ширина», а именно период, также уменьшился в 2 раза), которые равномерно разбиваются на протяжении всего времени.
Такая интересная особенность работы наблюдается в OLED дисплеях и ее производных: AMOLED (в том числе Dynamic, Super и пр.), POLED. Чтобы не соврать, стоит упомянуть, что и в IPS-дисплеях применяется такая технология, но в случае с такими матрицами об эффекте ШИМа говорить не приходится, так как частоты мерцания там запредельно высокие (около 4000 Гц), что незаметно для нас в любых условиях.
Лучшие смартфоны без мерцания
Самое время поговорить о наиболее безопасных смартфонах, мерцание экрана на которых меньше всего заметно человеческому глазу. Как мы знаем, наше зрение не способно улавливать смену кадров со скоростью более 60 Гц. То есть пульсацию при 70, 80, 90 и более герцах мы уже не различим. Но для мозга потолок отодвигается немного выше и составляет примерно 300 Гц.
И если глаза, например, уже на 65 Гц не будут отличать импульсы и смену кадров, то мозг все еще будет фиксировать это. Поэтому если вы хотите обезопасить себя от эффекта ШИМ на смартфонах с AMOLED, OLED, POLED матрицами, лучше поискать информацию об уровне мерцания. Нежелательно, если этот показатель находится на отметке ниже 300 Гц.
Есть и модели с уровнем мерцания в районе 250 Гц, но ввиду особенности процесса ШИМ, на малой яркости использование устройства может доставлять вам дискомфорт (ширина пульсаций уменьшится вслед за рабочим циклом, но это придется компенсировать большим числом этих самых пульсаций и, как следствие, большим мерцанием).
Примечательно, что даже на устройствах крепкого среднего класса или вовсе на дорогих флагманах производители нередко экономят в этом плане. Например, уровень мерцания на OnePlus 9 Pro составляет лишь 192 Гц, тогда как на относительно бюджетном OnePlus Nord этот показатель находится в районе 367-368 Гц. Будьте внимательны, если вы по-настоящему беспокоитесь за свое зрение.
Самыми безопасными в этом плане смартфонами на данный момент являются:
- Xiaomi: Black Shark 3 Pro, Redmi Note 10 Pro, Mi 11, Mi 10 Ultra, Mi 10 Pro, Mi 10.
- Huawei: P40 Pro Plus, P40 Pro.
- Oppo: Find X2 Pro, Find X2 Neo, Find X3 Pro, Find X3 Neo, Find X3 Lite, Reno4 Pro, Reno3 Pro (+ версия с 5G).
- OnePlus: 8T, 8, Nord, 7T.
Как избавиться от мерцания
Есть несколько советов, которыми вы можете воспользоваться, если чувствуете дискомфорт от мерцания дисплея во время использования своего устройства.
Самый простой и банальный совет – замена девайса. Приобретите смартфон с IPS-матрицей или, если вам важно наличие OLED/AMOLED/POLED, присмотритесь к тем, что мы выделили выше. Это относительно безопасные гаджеты, уровень мерцания на которых превышает отметки в 300, а то и в 400 Гц, что не уловимо даже человеческим мозгом.
Также помните, что негативный эффект будет увеличиваться пропорционально уменьшению яркости экрана. Кроме того, можно воспользоваться несколькими полезными приложениями, накладывающими особый фильтр и автоматически управляющими этим параметром.
Источник: setphone.ru