Человек передумал покупать телефон, просто помахав перед экраном устройства обычным карандашом: что именно и зачем он проверял

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.

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


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

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.

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.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы

Важно не спутать его с соседом с похожим названием — выводом VCC.
Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми)

В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Способы управления электрической мощностью

Рассмотрим, в чем разница между этими двумя способами. Электрическая мощность может быть активной и определять выделяемое тепло. Также существует реактивная мощность, определяющая электромагнитные поля. В любом случае величина мощности зависит от внешнего воздействия – напряжения. Свойства нагрузки при том или ином напряжении повлияют на силу тока, а также на мощность. Если уменьшать амплитуду напряжения на нагрузке, потребуется дополнительный элемент. Наиболее универсальным следует назвать резистор. Он создаст падение напряжения как при постоянном, так и при переменном напряжении. Но при этом станет источником тепловых потерь. Если напряжение переменное, вместо резистора может быть использован дроссель. В таком случае потери тепла будут пренебрежимо малы. Ведь они будут только в обмотке и сердечнике.

Но сопротивление обмотки минимально, и на ней практически нет активной составляющей напряжения с вытекающими из этого потерями. Так же, как и пластинчатый сердечник минимизирует вихревые токи и выделение тепла. Однако при этом дроссель массивен и громоздок. И главное, он работоспособен исключительно в электрической цепи с переменным напряжением. А управление таким индуктивным элементом существенно усложняет его конструкцию. При этом она получается электрически инерционной. А это свойство зачастую неприемлемо.

Сравнение с линейным стабилизатором

Стабилизатор напряжения на транзисторе

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Xiaomi — новаторы или нет?

Xiaomi — одна из первых компаний, которая решила избавиться от мерцания панелей OLED. Задолго до Xiaomi OLED-дисплеи без мерцания использовала компания LG в своих экспериментальных телефонах. Самым ярким представителем таких был телефон LG Flex 2, весьма противоречивый смартфон с изогнутым экраном P-OLED. В этом устройстве LG допустила столько ошибок, что их перечисление растянулось бы на несколько абзацев. Мы же рассмотрим только и исключительно экран.

В LG Flex 2 использовалась гибкая матрица P-OLED, управление яркости в которой на аппаратном уровне было реализовано через изменение подаваемого на пиксели тока. Контроллер дисплея не был оборудован модулем ШИМ (широтно-импульсная модуляция, или pulse width modulation, PWM); соответственно, никакого мерцания не было даже на самом низком уровне яркости.

Пользователи очень плохо восприняли этот дисплей, и их можно понять: на низкой яркости изображение покрывалось желтыми разводами и приобретало структуру «наждачной бумаги». Технология производства экспериментальных экранов в 2015 году была плохо отработана, и довольно большому числу пользователей не повезло получить смартфоны с ярко выраженными дефектами P-OLED.

В то же время в компании LG никак не использовали отсутствие мерцания в своих маркетинговых программах: не публиковались статьи о вреде мерцания, не выходили технические публикации, подобные тем, что делает Google в своем блоге. С учетом того что в 2015 году проблема мерцания экранов была неизвестна широкому кругу пользователей, а два человека из трех не способны заметить мерцание светодиодов на частоте 240 Гц, эксперимент LG провалился. Технологию немерцающих экранов OLED крупные производители положили под сукно.

Действительно ли OLED без мерцания настолько плохи? В 2015 году технология производства действительно допускала гигантский по современным меркам уровень разброса параметров между соседними светодиодами. Сильнее всего разброс параметров проявлялся тогда, когда на светодиод подавался очень низкий ток. А вот при высоком токе разница между характеристиками соседних пикселей в глаза не бросалась. Этот эффект можно сравнить с цифровым шумом на фотографиях, сделанных в темноте с короткой выдержкой. Чем меньше фотонов попадает на светочувствительные ячейки (а для экрана — чем меньше фотонов излучается светодиодом), тем больше вероятность возникновения «цифрового шума».

При цифровой фотосъемке для уменьшения шума можно использовать более длинную выдержку. В случае же с излучающим светодиодом можно увеличить ток, заставив светодиод светиться ярче, испуская значительно большее количество фотонов. Логичным решением стало использование схемы управления яркостью на основе широтно-импульсной модуляции.

Крупнейшим производителем OLED-панелей для смартфонов была и остается компания Samsung. Samsung использует AMOLED в собственных смартфонах и поставляет панели сотням производителей, включая Apple и Google (о Google — чуть ниже, там не все так просто). В зависимости от требований конкретного OEM различаются настройки панелей, включая и настройки ШИМ

Эти различия проявляются в том, на каком именно уровне яркости (в процентах от максимальной) заканчивается прямое управление яркостью и начинается скважность импульсов, приводящая к мерцанию

Так, панели Samsung в смартфонах Galaxy S8+ мерцают всегда, даже на яркости в 99% от максимальной. Убедиться в этом можно на следующем изображении.

Использование ШИМ на протяжении всего диапазона значений яркости позволило Samsung добиться хорошей цветопередачи и равномерных заливок даже на очень темных участках экрана. То, что заявленных характеристик достигают, бомбардируя глаза пользователя нечастыми яркими вспышками света, компания долгое время игнорировала. Даже в актуальном поколении Galaxy S10 производитель использует все ту же схему управления яркостью.

Со стороны Samsung это вполне сознательный подход, как можно убедиться, изучив патентную заявку US9269294B2.

Практически все другие компании используют гибридный подход к управлению яркостью. На высоких уровнях яркости контроллер дисплея варьирует ток, подаваемый на светодиоды. Когда яркость падает до заданного производителем уровня, контроллер перестает снижать ток и начинает использовать ШИМ. В разных моделях будут использованы разные уровни отсечки, которые могут зависеть как от характеристик матрицы, так и от пожелания OEM. Так, на момент выхода экран Xiaomi Mi 9 мерцал точно так же, как мерцают экраны в телефонах Samsung. Apple настроила экраны iPhone X, Xs и Xs Max таким образом, что мерцание ШИМ начинается на уровне яркости 50% и ниже.

Библиотеки для работы с ШИМ

Помимо ковыряния регистров в ручную существуют готовые библиотеки, позволяющие изменить частоту ШИМ Ардуино. Рассмотрим некоторые из них:

  • Библиотека PWM (GitHub) – мощная библиотека, позволяющая менять частоту ШИМ на микроконтроллерах ATmega48 / 88 / 168 / 328 / 640 / 1280 / 1281 / 2560 / 2561, из них 328 стоит на UNO/Nano/Mini, а 2560 – это Arduino Mega. Позволяет установить любую частоту ШИМ, предделитель, TOP
  • При работе с 8-битными таймерами доступен только один канал (например на ATmega328 останутся D3, D5, D9 и D10)
  • Позволяет работать с 16-битными таймерами на более высоком разрешении (16 бит вместо стандартных
  • Библиотека написана очень сложно, по кускам её растащить не получится
  • Смотрите примеры в папке с библиотекой!

Библиотека GyverPWM (GitHub) – библиотека, которую мы написали вместе с Егором Захаровым. Библиотека позволяет очень гибко работать с ШИМ на микроконтроллере ATmega328 (позже добавим Мегу):

  • Позволяет установить любуючастоту ШИМ в диапазоне 250 Гц – 200 кГц

Выбор разрядности: 4-8 бит для 8 бит таймеров, 4-16 бит для 16-бит таймеров (при разрядности 4 бита частота ШИМ составляет 1 МГЦ

Как работает ШИМ

Итак, на входе имеем некое напряжение, при котором можем получить максимальную яркость свечения ламп подсветки. Теперь задача – получить нужный уровень яркости экрана.

Для этого воспользуемся двумя свойствами – возможностью ламп подсветки быстро включаться и выключаться и инерционностью нашего зрения, которое при определенной частоте таких включений-выключений перестает замечать это, а свечение кажется постоянным. Об этом поговорим чуть позже.

Итак, для того, чтобы заставить лампы светиться как нам надо, требуется просто подавать импульсы напряжения нужной скважности. Скважность – отношение периода импульса к его длительности

Таким образом, если нам нужна максимальная яркость, достаточно, чтобы скважность стала равна 1, т. е. импульсов, по сути не будет.

Если же мы хотим, скажем, снизить яркость на 50%, то будет достаточно, если длительность импульса будет равна половине его периода, соответственно

Если требуется четверть свечения – скважность импульса составляет соответствующее значение. Все это наглядно показано на иллюстрации

Принцип действия прост, ШИМ используется во многих случаях, и почему именно применительно к дисплеям об этом способе упоминают чаще всего? Проблема в том, что это непосредственно связано с воздействием на глаз человека, работающего за монитором, и воздействие это не сказать, что полезно.

Проблема стала несколько более острой после того, как в LCD панелях стала использоваться LED подсветка, т. е. в качестве источника света стали использоваться светодиоды. Перед этим использовалась несколько другая технология. Кратко вспомним ее.

Выводы

Человек, который махал карандашом перед экраном, все-таки отказался от покупки смартфона. Для него фактор ШИМ оказался более важным, нежели цветопередача и энергопотребление. Но как стоит поступить остальным?

Для начала нужно понять, что каждый человек индивидуален. У кого-то глаза восприимчивы к мерцанию, а для кого-то изображение всегда выглядит целостным. Чтобы окончательно определиться с тем, играет ли ШИМ роль при взаимодействии конкретно с вашими глазами, поможет только реальный опыт эксплуатации.

К счастью, по закону о защите прав потребителей, человек может сдать смартфон обратно в магазин и получить полную компенсацию в течение 14 дней с момента покупки. Это право регулируется статьей №25, и ни один продавец не имеет права отказать в возврате товара при условии, что он находится в надлежащем состоянии.

Так что смело покупайте телефон с ШИМ, а в случае, если вы окажетесь восприимчивы к мерцанию, сдайте его в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.