Широтно-імпульсна модуляція: повний гайд для Arduino-мейкерів

Від мигання світлодіода до польоту дрона — магія імпульсів

PWM-сигнал на осцилографі — серце сучасної електроніки

Вступ: коли цифровий світ зустрічає аналоговий

Уявіть собі ситуацію: ви тримаєте в руках Arduino, підключаєте світлодіод і хочете зробити його яскравість регульованою — як у настільній лампі. Але є проблема: мікроконтролер «розмовляє» лише двома станами — увімкнено (5 вольт) або вимкнено (0 вольт). Ніяких проміжних значень. Як же тоді отримати, скажімо, 50% яскравості?

Відповідь криється в геніальній техніці під назвою ШІМ (Широтно-Імпульсна Модуляція) або англійською PWM (Pulse Width Modulation). Ця технологія дозволяє "обдурити" фізику та отримати аналогові результати з цифрового сигналу.

Що таке ШІМ? Пояснення для людей

Аналогія з краником води

Найпростіша аналогія — це кран з водою, який ви швидко відкриваєте та закриваєте. Якщо тримати кран відкритим весь час — потік максимальний. Якщо закритим — води немає. А тепер уявіть, що ви швидко клацаєте краном: відкрито-закрито-відкрито-закрито... Якщо робити це достатньо швидко, вода буде текти рівномірним потоком, але меншим за максимальний!

Аналогія PWM з краном води: швидке перемикання створює середній потік

Саме так працює ШІМ. Замість того щоб подавати постійну напругу 2.5 В (що мікроконтролер не вміє), ми подаємо 5 В, але лише половину часу. Результат? Середня напруга становить 2.5 В!

Два ключові параметри

1. Коефіцієнт заповнення (Duty Cycle)

Це відсоток часу, протягом якого сигнал перебуває у стані "увімкнено" (HIGH). Вимірюється у відсотках від 0% до 100%:

• 0% duty cycle — сигнал завжди вимкнений (0 В)
• 50% duty cycle — половину часу увімкнено, половину вимкнено (середня напруга 2.5 В)
• 100% duty cycle — сигнал завжди увімкнений (5 В)

Візуалізація duty cycle: 25%, 50%, 75% — різна ширина імпульсів при однаковому періоді

2. Частота (Frequency)

Це швидкість перемикання між станами HIGH та LOW, вимірюється в герцах (Hz). Частота визначає, скільки повних циклів "увімкнено-вимкнено" відбувається за секунду.

Керування яскравістю світлодіодів

Чому око не бачить мерехтіння?

Людське око має обмежену здатність сприймати швидкі зміни світла. Цей поріг називається частотою злиття мерехтіння (Flicker Fusion Frequency) і становить приблизно 60-90 Гц для більшості людей. Якщо світлодіод мигає швидше — ми сприймаємо рівномірне світло.

Сприйняття мерехтіння оком: низька частота (помітне мигання) vs висока частота (рівномірне світло)

Але є нюанс! Навіть якщо ми не бачимо мерехтіння, наш мозок може його відчувати. Дослідження показують, що низькочастотне PWM-мерехтіння може викликати:

• Втому очей та головний біль
• Зниження концентрації при тривалій роботі
• У рідкісних випадках — напади фотосенситивної епілепсії (при частотах 3-70 Гц)

Стандарт IEEE 1789: безпечні частоти

У 2015 році Інститут інженерів електротехніки та електроніки (IEEE) випустив стандарт IEEE 1789-2015 з рекомендаціями щодо безпечних частот PWM для LED-освітлення:

Arduino Uno за замовчуванням генерує PWM з частотою близько 490 Гц (піни 3, 9, 10, 11) або 980 Гц (піни 5, 6). Це знаходиться в "жовтій зоні" — прийнятно для більшості застосувань, але для професійного освітлення варто піднімати частоту.

Практика: плавне затухання LED на Arduino

Ось простий приклад коду для створення ефекту "дихання" світлодіода:

Схема підключення LED до Arduino для PWM-димінгу (пін 9, резистор 220 Ом)

// LED "Дихання" - плавне затухання
const int ledPin = 9;  // PWM-пін

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Плавне збільшення яскравості
  for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(10);  // 10 мс затримка
  }
  
  // Плавне зменшення яскравості
  for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(10);
  }
}

Як це працює: Функція analogWrite() приймає значення від 0 до 255, де 0 — це 0% duty cycle, а 255 — це 100%. Arduino автоматично генерує PWM-сигнал відповідної ширини.

Нелінійність сприйняття: гамма-корекція

Людське око сприймає яскравість логарифмічно, а не лінійно. Це означає, що різниця між 10% і 20% яскравості здається більшою, ніж між 80% і 90%. Для досягнення візуально рівномірного затухання потрібна гамма-корекція:

Порівняння: лінійне затухання (сприймається нерівномірно) vs гамма-скориговане (візуально плавне)

// Гамма-корекція для плавного затухання
const float gamma_value = 2.2;

int gammaCorrect(int linear_value) {
  float normalized = linear_value / 255.0;
  float corrected = pow(normalized, gamma_value);
  return (int)(corrected * 255);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(ledPin, gammaCorrect(i));
    delay(10);
  }
}

Керування швидкістю двигунів

DC-мотори: інерція як природний фільтр

На відміну від світлодіодів, DC-мотори мають механічну інерцію. Ротор не може миттєво зупинитися або розігнатися. Ця властивість перетворює переривчастий PWM-сигнал на плавне обертання — мотор просто "усереднює" імпульси!

При 50% duty cycle мотор отримує половину максимальної потужності та обертається приблизно з половинною швидкістю. Але є важливий нюанс: частота PWM для моторів зазвичай нижча, ніж для LED — від десятків герц до кількох кілогерц.

H-Bridge: керування напрямком обертання

PWM контролює лише швидкість мотора. Для зміни напрямку обертання потрібно змінити полярність живлення. Тут на допомогу приходить схема під назвою H-Bridge (H-міст).

Принцип роботи H-Bridge: різні комбінації перемикачів змінюють напрямок струму через мотор

H-міст складається з чотирьох перемикачів (транзисторів), розташованих у формі літери "H". Мотор знаходиться посередині. Вмикаючи різні пари перемикачів, ми направляємо струм в різних напрямках через мотор.

Популярні H-Bridge драйвери:

• L298N — класика для Arduino, два канали, до 2А на канал
• TB6612FNG — компактніший, ефективніший, до 1.2А
• DRV8833 — популярний вибір для малих роботів

Практика: керування мотором з L298N

Схема підключення L298N до Arduino: ENA (PWM), IN1/IN2 (напрямок), мотор та живлення

// Керування DC-мотором через L298N
const int ENA = 9;   // PWM для швидкості
const int IN1 = 7;   // Напрямок 1
const int IN2 = 6;   // Напрямок 2

void setup() {
  pinMode(ENA, OUTPUT);
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
}

// Обертання вперед із заданою швидкістю (0-255)
void forward(int speed) {
  digitalWrite(IN1, HIGH);
  digitalWrite(IN2, LOW);
  analogWrite(ENA, speed);
}

// Обертання назад
void backward(int speed) {
  digitalWrite(IN1, LOW);
  digitalWrite(IN2, HIGH);
  analogWrite(ENA, speed);
}

// Зупинка
void stopMotor() {
  digitalWrite(IN1, LOW);
  digitalWrite(IN2, LOW);
  analogWrite(ENA, 0);
}

void loop() {
  forward(200);    // 78% швидкості вперед
  delay(2000);
  backward(150);   // 59% швидкості назад
  delay(2000);
  stopMotor();
  delay(1000);
}

Dead-time: захист від короткого замикання

При швидкому перемиканні H-моста існує небезпека shoot-through — короткого замикання, коли обидва транзистори одного плеча випадково вмикаються одночасно. Це може спалити схему за мілісекунди!

Сервоприводи: точне позиціювання

Як працює сервомотор?

Сервопривід — це не просто мотор, а цілий механізм із зворотним зв'язком. Всередині знаходиться DC-мотор, редуктор та потенціометр, який відстежує поточний кут повороту. Вбудована електроніка порівнює бажане положення (задане через PWM) з фактичним і коригує позицію.

Внутрішня будова сервоприводу: мотор, редуктор, потенціометр зворотного зв'язку, керуюча плата

Ключова особливість: на відміну від звичайного PWM, де важливий duty cycle, для сервоприводів критична саме тривалість імпульсу, а не його відсоток від періоду!

Стандартні параметри сигналу

Типовий хобі-сервопривід (SG90, MG996R тощо) очікує сигнал із такими параметрами:

• Частота: 50 Гц (період 20 мс)
• Імпульс 1 мс — положення 0°
• Імпульс 1.5 мс — центральне положення 90°
• Імпульс 2 мс — положення 180°

Залежність кута сервоприводу від ширини імпульсу: 1 мс = 0°, 1.5 мс = 90°, 2 мс = 180°

Практика: керування сервоприводом

Arduino має вбудовану бібліотеку Servo, яка спрощує роботу:

Схема підключення сервоприводу: сигнал (помаранчевий), живлення (червоний), земля (коричневий)

#include <Servo.h>

Servo myServo;
const int servoPin = 9;

void setup() {
  myServo.attach(servoPin);
}

void loop() {
  // Повертаємо на 0°
  myServo.write(0);
  delay(1000);
  
  // Центральне положення
  myServo.write(90);
  delay(1000);
  
  // Максимальний кут
  myServo.write(180);
  delay(1000);
}

// Альтернатива: точне керування через мікросекунди
// myServo.writeMicroseconds(1500);  // Центр

Порада: Дешеві сервоприводи часто мають неточні межі руху. Замість стандартних 1000-2000 мкс вони можуть працювати в діапазоні 500-2400 мкс. Експериментуйте з writeMicroseconds() для точного калібрування.

PWM на Arduino: заглиблення в деталі

Які піни підтримують PWM?

Не всі піни Arduino однакові! PWM доступний лише на пінах, позначених символом "~" на платі. Для Arduino Uno це піни 3, 5, 6, 9, 10, 11.

Розташування PWM-пінів на Arduino Uno — позначені символом "~"

Як змінити частоту PWM?

За замовчуванням Arduino використовує частоти близько 500 Гц. Але для деяких застосувань (SMPS, безшумне керування моторами) потрібні вищі частоти. Це можна налаштувати через регістри таймерів:

// Зміна частоти PWM на пінах 9 і 10 (Timer1)
// УВАГА: це впливає на функцію delay() та millis()!

void setup() {
  // Встановлюємо дільник = 1 для частоти ~31 кГц
  TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000001;
  
  // Дільник = 8 для частоти ~3.9 кГц
  // TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000010;
  
  // Дільник = 64 для частоти ~490 Гц (за замовчуванням)
  // TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000011;
  
  pinMode(9, OUTPUT);
}

void loop() {
  analogWrite(9, 128);  // 50% duty cycle
}

ESP32: більше можливостей

ESP32 має значно гнучкішу систему PWM. Замість фіксованих таймерів, тут є 16 незалежних PWM-каналів із програмованою частотою від 1 Гц до 40 МГц та роздільною здатністю до 16 біт!

ESP32 DevKit — всі GPIO-піни підтримують PWM з гнучким налаштуванням частоти

// PWM на ESP32
const int ledPin = 2;
const int pwmChannel = 0;
const int frequency = 5000;    // 5 кГц
const int resolution = 8;      // 8 біт (0-255)

void setup() {
  ledcSetup(pwmChannel, frequency, resolution);
  ledcAttachPin(ledPin, pwmChannel);
}

void loop() {
  // Плавне затухання
  for (int duty = 0; duty <= 255; duty++) {
    ledcWrite(pwmChannel, duty);
    delay(10);
  }
}

Застосування PWM у реальному світі

PWM оточує нас повсюди, навіть якщо ми цього не помічаємо:

PWM у повсякденному житті: освітлення, транспорт, аудіо, побутова техніка

1. LED-освітлення — від настільних ламп до автомобільних фар
2. Екрани смартфонів та моніторів — регулювання яскравості підсвітки
3. Електротранспорт — контролери моторів у Tesla, електросамокатах, дронах
4. Class-D аудіопідсилювачі — компактні та ефективні (до 95% ККД!)
5. Імпульсні блоки живлення — у кожному комп'ютері та зарядному пристрої
6. Сонячні інвертори — перетворення DC у AC для мережі
7. Терморегулятори — керування елементами Пельтьє
8. Вентилятори ПК — 4-pin PWM для безшумного охолодження

Ідеї для проєктів

Ось кілька ідей для практики роботи з PWM:

🟢 Початковий рівень

🟡 Середній рівень

🔴 Просунутий рівень

Висновки

PWM — це той рідкісний випадок, коли проста ідея має величезний вплив. Швидке перемикання між двома станами дозволяє цифровим пристроям керувати аналоговим світом: від яскравості одного світлодіода до руху електромобіля.

Ключові моменти, які варто запам'ятати:

• Duty cycle визначає середню потужність (0-100%)
• Частота має бути достатньо високою (>1 кГц для LED, >20 кГц для безшумних моторів)
• Сервоприводи працюють на 50 Гц і залежать від ширини імпульсу (1-2 мс)
• analogWrite() на Arduino — найпростіший спосіб почати

Від простого до складного: PWM — фундамент сучасної електроніки

Тепер, коли ви розумієте принципи PWM, весь світ мікроконтролерів відкривається перед вами. Від простого мигання LED до створення власного дрона — все це побудовано на тих самих фундаментальних принципах, які ви щойно вивчили.

Успіхів у ваших проєктах! 🚀

Корисні посилання

• IEEE 1789-2015 — стандарт безпечних частот PWM для LED
• SparkFun PWM Tutorial — наочне пояснення PWM для початківців
• Arduino PWM Documentation — офіційна документація
• All About Circuits — H-Bridge Motor Control (PWM для моторів)
• Wikipedia — Pulse-width modulation