Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы

ШИМ-контроллер – что за зверь такой?

В далекие, теперь уже времена прошлого века, в блоках питания для понижения или повышения напряжения применялись линейные трансформаторы. Диодный мост и электролитический конденсатор сглаживал пульсацию. Далее напряжение стабилизировалось линейными или интегральными стабилизаторами. Вес таких источников питания был достаточно большой, ничуть не меньше были и габариты. Чем большая мощность требовалась от БП, тем в несколько раз был объемнее и тяжелее сам блок питания.

Если заглянуть в современную бытовую технику, то сейчас вы увидите импульсный источник питания, или блок питания – сокращенно ИБП. В таких модулях питания используется в качестве управления специальная микросхема-контроллер Широтно-импульсной модуляции, или сокращенно ШИМ. Здесь мы и поговорим об устройстве и назначении этого элемента.

Преимущества и определения ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер это совокупность нескольких функциональных схем для того чтобы управлять выходными силовыми каскадами, собранными обычно на транзисторах. Управляются они исходя из той информации, которую микросхема ШИМ получает от выходных цепей. В зависимости от тока или выходного напряжения на выходе блока питания ШИМ-контроллер регулирует время открытия ключевого транзистора. Таким образом, получается замкнутый круг. Эта часть блока питания называется обратная связь или ОС.

В литературе и интернет источниках можно встретить случаи, когда ШИМ-контроллерами называют различные генераторы сигналов с регулировкой широты импульса, НО без обратной связи! К таким генераторам (на NE555 и др.) не совсем корректно применять понятие контроллер, скорее регулятор или генератор.

Широтно-импульсная модуляция – это тот метод, когда сигнал модулируется не с помощью изменения амплитуды или частоты, а с помощью длительности импульса. Далее, после интеграции импульсов при помощи LC-фильтров происходит сглаживание модулированного сигнала.

Характеристики ШИМ.

Для Широтно-модулированного сигнала характеристик всего две:

Частота следования импульсов
Скважность импульсов, или коэффициент заполнения. По сути это одно и то же. Разница лишь в обозначении: для скважности -это D, для заполнения используем литеру S. Коэффициент заполнения = единица / период сигнала T

T – Период сигнала

F – Частота сигнала

Таким образом, коэффициент заполнения ничто иное как интервал от периода сигнала. Отсюда следует что он (коэффициент заполнения) всегда будет меньше единицы, что не скажешь о скважности – она всегда будет больше 1.

Возьмем пример:

Частота сигнала = 50 кГц.

Период сигнала = 20 мкс.

Теперь предположим, что ключ выхода ШИМ открывается на 4 мкс. Коэффициент заполнение составит минус 20%, а скважность будет равна 5.

Конечно же, в расчет необходимо брать конструкцию ШИМ, исходя из количества силовых ключей.

Отличительные особенности импульсных и линейных БП.

Существенным преимуществом импульсных источников питания перед линейными является хороший КПД (около 90%)

Структура ШИМ

Давайте рассмотрим структуру любого ШИМ-контроллера. Хоть в своем огромном семействе разные ШИМ-ы и обладают дополнительными функциональными особенностями, но все же они все похожи.

Заглянув в микросхему, мы увидим полупроводниковый кристалл, в котором находятся следующие функциональные составляющие:

Генератор последовательных импульсов.
Источник опорного напряжения.
Схема обратной связи (ОС), усилитель ошибки.
Генератор прямоугольных импульсов, управляющий транзисторами, которые в свою очередь коммутируют силовые ключевые каскады.

Количество этих ключей, зависит от предназначения самого ШИМ-контроллера. Например, простые обратноходовые схемы построены на 1-м силовом ключе, полу мостовые на 2-х, а мостовые преобразователи на 4-х ключах.

Выбирая ШИМ-контроллер необходимо исходит из того какой ключ используется. Например, если в блоке питания в качестве выходного каскада стоит биполярный транзистор, то подойдет большая часть контроллеров. Связано это с тем, что управлять таким силовым ключом достаточно просто – подавая импульсы на базу транзистора, мы открываем и закрываем его.

А вот если мы будем использовать полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) или IGBT транзисторы, то здесь уже немного сложнее. Выходной транзистор-ключ мало того что нужно открыть – путем заряда затвора, так нам его еще надо и закрыть, естественно разряжая затвор ключа. Для таких схем используются соответствующие ШИМ-контроллеры. У них на выходе стоит 2 транзистора – один заряжает затвор ключа, а другой разряжает, замыкая его на землю.

На заметку:

Многие ШИМ-контроллеры совмещаются с силовыми ключами в один корпус. Если этот контроллер для маломощного блока питания, то выходные транзисторы устанавливаются прямо в микросхему контроллера.

В случае же если блок питания достаточно мощный, то интеграция происходит в обратную сторону – микросхема ШИМ-контроллер устанавливается в корпус силового ключа. Такую микросхему легко установить на радиатор. Соответственно количество выводов у такой микросхемы не как у транзистора.

Грубо говоря, ШИМ-контроллер представляет собой компаратор, на один из входов которого приходит сигнал обратной связи, на другой пилообразный сигнал генератора. Когда первый по амплитуде превышает второй, на выходе формируется импульс.

Тем самым ширина импульса на выходе зависит от соотношения входных сигналов. Предположим, что мы подключили более мощную нагрузку к выходу БП, и напряжение дало просадку. На обратной связи будет тоже падение. Что же произойдет?

В периоде сигнала начнет преобладать пилообразный сигнал, длительность импульсов на выходе увеличится и напряжение компенсируется. Происходит это все в доли секунды.

Частота работы генератора ШИМ-а задается RC-цепью

Пример использования ШИМ-контроллера на базе TL494 – довольно распространённой микросхемы. Далее рассмотрим назначение отдельных выводов этой микросхемы.

Давайте разберем назначение и название этих выводов:

Vcc (Ucc, Vss)– вывод питания микросхемы.
GND (Ground – земля) – земля или общий провод
OUT – выход контроллера. С этого вывода и выходит управляющий сигнал для переключения ключей. Иногда выходные выводы обозначают HO и LO (для полумоста)
Vc (Uc) – Вывод контролирующий питание. При пониженном питании возможен перегрев и выход из строя ключей. Контрольный вывод заблокирует работу контроллера в таком случае.
Vref – опорное напряжение, чаще всего на этот вывод вешается конденсатор, соединенный с землей.
ILIM – сигнал с измерителя тока. Соединен с обратной связью для ограничения тока.
ILIMREF – регулировочный вывод для сработки по току
SS – мягкий старт контроллера. Используется для плавного запуска блока питания и выхода в штатный режим работы.
RtCt – выводы RC-цепи, которая и задает частоту работы ШИМ.
CLOCK – выходной сигнал тактовых синхроимпульсов. Предназначен для синхронизации работы нескольких ШИМ-контроллеров в одной схеме.
RAMP – сравнивающий вывод. На нем присутствует пилообразный сигнал генератора и сигнал обратной связи для формирования ШИМ -сигнала.
INV и NOINV – входы компаратора, формирующие сигнал усилителя ошибки. От величины напряжения на INV зависит длительность импульса ШИМ.
EAOUT – дополнительный выход усилителя ошибки.

Для того чтобы закрепить сказанное выше рассмотрим пару примеров использования ШИМ-контроллеров, а так же их схем включения. Сделаем это на примере микросхем:

TL494
UC3843

Эти микросхемы часто используются в различных блоках питания, в том числе и компьютерных. Когда дело доходит до переделки компьютерного блока питания в лабораторный бп или зарядное устройство для аккумулятора, то, как раз стараются подобрать бп на TL494.

Обзор ШИМ TL494

Технические характеристики ШИМ-контроллера TL494

Ниже на рисунке дана распиновка TL494:

Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки
Инвертирующий вход первого компаратора ошибки
Вход обратной связи
Вход регулировки мертвого времени
Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора
Вывод для подключения времязадающего резистора
Общий вывод микросхемы, минус питания
Вывод коллектора первого выходного транзистора
Вывод эмиттера первого выходного транзистора
Вывод эмиттера второго выходного транзистора
Вывод коллектора второго выходного транзистора
Вход подачи питающего напряжения
Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы
Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт
Инвертирующий вход второго компаратора ошибки
Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

Обзор микросхемы UC3843

Еще одна популярная микросхема используемая в качестве ШИМ-контроллеров компьютерных и не только блоков питания – это микросхема 3843. распиновка её находится ниже. Как видно, у нее 8 выводов, но функции такие же как у TL949. Можно встретить эту микросхему в 14-выводном корпусе и часть выводов у неё (NC) – то есть не используется.

Рассмотрим назначение выводов:

Вход компаратора (усилителя ошибки).
Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.
Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.
Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.
Общий.
Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.
Напряжение питания микросхемы.
Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА)

Структура микросхемы UC3843

Можно заметить, что и эта микросхема тоже похожа на все остальные ШИМ-контроллеры.

Простой блок питания на UC3842

Микросхема ШИМ с силовым ключом в одном корпусе

Подобные ШИМ-контроллеры используются как в импульсных блоках питания на базе импульсного трансформатора, так и в DC-DC понижающих или повышающих преобразователях.

Можно привести в пример одну из самых распространенных микросхем в этом сегменте – LM2596. На её базе можно найти большое количество схем преобразователей, в том числе и изображенная ниже.

LM2596 включает в себя все технические решения, описанные выше, плюс в неё еще интегрирован силовой ключ на ток до 3 Ампер.

Структура микросхемы LM2596

Как можно увидеть больших отличий от микросхем, которые мы рассматривали ранее в ней нет.

Еще один пример блока питания для светодиодных лент на ШИМ-контроллере 5L0380R – У неё всего 4 вывода. Как можно заметить в схеме отсутствует силовой ключ. Естественно он в микросхеме, а сама микросхема выполнена в корпусе транзистора и крепится на радиатор.

Изучая ШИМ-контроллеры можно сделать несколько выводов: Если мы имеем дело с мощным источником питания и нам необходима достаточная гибкость использования этого контроллера, то такая микросхема как TL494 (и подобные) подходит для таких задач лучше. А если блок питания средней и невысокой мощности, то вполне свою роль выполнят ШИМ-контроллеры с интегрированными в них силовыми ключами. В таких бп нет больших требований к пульсациям и помехам, а выходные цепи можно сгладить фильтрами. Обычно это блоки питания для бытовой техники, светодиодных лент, ноутбуков, зарядных адаптеров.

И напоследок.

Ранее мы уже говорили о том, что ШИМ-контроллер это механизм, который на базе сформированных импульсов за счет изменения ширины импульсов формирует среднее значение напряжения управляемое с цепей обратной связи. Хочу заметить, что классификация и название у каждого автора могут быть абсолютно разными. ШИМ-контроллером могут называть простой регулятор напряжения. В то же время сам ШИМ-контроллер в блоке питания может быть назван – “блокинг-генератор”, “интегральный субмодуль”, “задающий генератор” От того как его назвал тот или иной автор суть не меняется, но могут возникнуть непонимания и разночтения.

Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы

Назначение ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер (PWM-контроллер) (от слова Широтно-Импульсная Модуляция) является управляющим элементом импульсного преобразователя. Он вырабатывает управляющие сигналы для силовых ключей преобразователя, модулируя длительность включенного и выключенного состояния в зависимости от выходного напряжения (тока). Основной параметр, который изменяется ШИМ-контроллером это коэффициент заполнения q, называемый также рабочим циклом, равный отношению длительности импульса включенного состояния силовых ключей t_i ко всему периоду повторения импульсов T (рисунок PWMC.1):

ШИМ-контроллеры подразделяются в зависимости от типа преобразователя на:

– однотактные (рабочий цикл в теории 0-100%, на практике 0-96%);

– двухтактные (рабочий цикл в теории 0-50%, на практике 0-47%).

Рисунок PWMC.1 – Рабочий цикл ШИМ – контроллера

Внутренняя структура ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер содержит в себе следующие обязательные элементы:

– тактовый генератор с пилообразным выходным напряжением;

– источник опорного напряжения;

– широкополосный усилитель ошибки;

– выходные усилители тока.

Опциональными элементами, которые могут входить в состав ШИМ-контроллера являются:

– блокировка от пониженного напряжения питания;

– цепи внутреннего ограничения пикового тока нагрузки или ключевого элемента.

– вывод внешней блокировки;

– вывод внешней синхронизации;

– отключение при перегреве.

Принцип действия ШИМ-контроллера

Принцип действия ШИМ-контроллеров весьма прост: если управляющий сигнал, пропорциональный выходному напряжению (току) имеет малую величину, то контроллер выдает максимальный рабочий цикл и соответственно максимальную мощность. По мере увеличения управляющего сигнала рабочий цикл уменьшается и выходное напряжение стабилизируется на определенном уровне. Если нагрузка увеличивается, то контроллер отрабатывает это увеличивая рабочий цикл, и наоборот, при уменьшении нагрузки рабочий цикл уменьшается, а стабилизируемый параметр остается неизменным. Диапазон напряжений управляющего сигнала, в котором происходит изменение рабочего цикла от минимального значения до максимального является динамическим диапазоном ШИМ-контроллера. Чем меньше динамический диапазон, тем выше коэффициент стабилизации, однако, при этом высока вероятность возникновения паразитных апериодических колебаний.

Основные параметры ШИМ-контроллера

Основными параметрами ШИМ-контроллера являются:

– тип контроллера (однотактный, двухтактный) и преимущественное назначение (обратноходовый, прямоходовый, мостовой, повышающий, понижающий). Кроме контроллеров общего применения существуют специализированные контроллеры для конкретных технических решений.

– способ управления – сигнал обратной связи по напряжению. По току. По тому и другому и можно без хлеба…

– диапазон изменения рабочего цикла. Показывает минимальное и максимальное значения рабочего цикла для контроллера.

– максимальная рабочая частота контроллера – показывает максимальную частоту управляющих импульсов, вырабатываемых контроллером.

– «мертвое время» (deadtime) – задержка между управляющими сигналами разных каналов в двухтактных контроллерах. Как правило, предусмотрена возможность изменения величины мертвого времени

– диапазон напряжений питания контроллера. Нижняя граница показывает напряжение ниже которого контроллер не вырабатывает выходных импульсов управления (хотя тактовый генератор может работать).

– потребляемый ток. Как правило, имеется в виду собственное энергопотребление при нулевой нагрузке на выходные каскады. При управлении непосредственно затворами силовых транзисторов возникает дополнительное токопотребление. Оно зависит от частоты и емкости затвора. Методика расчета приведена в разделе «Управление MOSFET и IGBT транзисторами. Схемотехнические решения. Расчет».

– напряжение внутреннего источника опорного напряжения – выходного напряжение внутреннего ИОН, использующегося для питания внутренних цепей контроллера.

– выходной ток каналов управления контроллера. В большинстве случаев ШИМ-контроллеры имеют мощный выходной каскад, выполняющий функции драйвера для непосредственного управления затворами силовых MOSFET-транзисторов.

Опциональными функциями ШИМ-контроллеров являются:

– блокировка при понижении напряжения питания (Under−Voltage Lockout). Контроллер перестает вырабатывать управляющие импульсы, если напряжение питания опускается ниже определенной величины. Это особенно важно, если контроллер совмещает функции драйвера, поскольку при малой амплитуде управляющих сигналов поступающих на затворы транзисторов увеличиваются динамические потери и возможен переход в линейный режим с экстремальным рассеянием энергии на ключевых элементах, что приведет к их выходу из строя. Причем, как правило, имеется некоторый гистерезис по напряжению питания (рисунок PWMC.2).

Рисунок PWMC.2 – Реализация защиты от понижения напряжения питания (гистерезис напряжения питания)

– “мягкий” старт – функция, обеспечивающая постепенное увеличение длительности импульсов управления при включении (рисунок PWMC.3). Основное назначение – снижение токовых нагрузок на силовые ключи, возникающих при зарядке емкостей выходных фильтров. Крайне полезная функция при больших мощностях источника питания (более 500 Вт). Увеличивает живучесть импульсного источника питания. При наличии у контроллера этой функции можно задавать время плавного увеличения рабочего цикла.

Рисунок PWMC.3 – Реализация функции «мягкий старт» (плавное увеличение рабочего цикла до номинального значения)

– наличие входа блокировки. Вход блокировки обеспечивает возможность включения-выключения контроллера с использованием внешнего сигнала. Это удобно. В случае отсутствия специализированного входа блокировки всегда существует схемотехническое решение с использованием других входов для блокировки контроллера.

– возможность внешней синхронизации тактовой частоты, что позволяет создавать системы из нескольких синхронно работающих ШИМ.

– цепи внутреннего ограничения пикового тока нагрузки – дополнительная ОС по току.

Кроме этого существуют ШИМ-контроллеры, совмещающие в себе контроллер однотактного преобразователя и контроллер корректора фактора мощности (PFC).

Примеры ШИМ-контроллеров

Таблица PWMC.1 – Распространенные типы ШИМ-контроллеров

ШИМ-контроллер: схема, принцип работы, управление

Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт – в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт – в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.

Что такое ШИМ?

Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.

Область применения ШИМ не ограничивается импульсными источниками питания, стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.

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.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей “затвор – исток” и “затвор – сток”. Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

Для контроля над биполярным транзистором двухтактный каскад не используется, так как управление осуществляется с помощью тока, а не напряжения. Для закрытия биполярного транзистора достаточно всего лишь прекратить протекание тока через базу. При этом замыкание базы на общий провод необязательно.

Ещё о функциях контроллеров ШИМ

Задумав спроектировать контроллер ШИМ своими руками, необходимо как следует продумать все детали его реализации. Только так можно создать работающее устройство. Кроме вышеуказанных выходов, работа ШИМ-контроллера подразумевает наличие следующих функций:

Опорное напряжение (VREF). Фабричные изделия для удобства обычно дополняются функцией выработки стабильного опорного напряжения. Специалисты заводов-изготовителей рекомендуют соединять данный вывод с общим проводом через емкость не менее 1 мкФ для повышения качества и возможности стабилизации опорного напряжения.

Ограничение тока (ILIM). Если показатели напряжения на данном выводе существенно превышают установленное (как правило, около 1 В), то контроллер автоматически закрывает силовые ключи. В случаях, когда показатель напряжения превышает второе пороговое значение (в пределах 1,5-2 В), устройство тут же обнуляет напряжение на подключении к мягкому старту.
Мягкий старт (SS). Показатель напряжения на данном выходе определяет максимально допустимую ширину будущих модулируемых импульсов. На данный вывод подает ток установленной величины. Если между ним и всеобщим кабелем вмонтировать дополнительную емкость, то она будет медленно, но уверенно заряжаться, что приведет к постепенному расширению каждого импульса от минимума вплоть до окончательного расчетного значения. Благодаря этому можно обеспечить плавное, а не стремительное нарастание величин тока и напряжения в общей схеме устройства, благодаря чему такая система и заслужила свое название “мягкий старт”. При этом, если специально ввести ограничение по напряжению на данном выводе, допустим, подключив делитель напряжения и систему диодов, можно и вовсе ограничить превышение импульсами некоего задаваемого значения ширины.

Частота работы устройств, синхронизация

Микросхемы ШИМ-контроллеров могут применяться для различных целей. Чтобы отладить их совместную работу с другими элементами устройства, следует разобраться, как устанавливать те или иные параметры работы контроллера и какие компоненты цепи за это отвечают.

Резистор и емкость, задающие частоту работы всего устройства (RT, CT). Каждый контроллер может работать лишь на определенно заданной частоте. Каждый из импульсов следует лишь с этой частотой. Устройство может менять длительность импульсов, их форму и протяженность, но только не частоту. На практике это означает, что чем меньше протяженность импульса, тем длительнее пауза между ним и следующим. При этом частота следования всегда неизменна. Емкость, подключенная между ножкой CT и общим кабелем, и резистор, подключенный к выходу RT и общему кабелю, в комбинации могут задавать частоту, на которой будет работать контроллер.

Синхроимпульсы (CLOCK). Весьма распространены случаи, в которых требуется отладить работу нескольких контроллеров так, чтобы выходные сигналы формировались синхронно. Для этого к одному из контроллеров (как правило, ведущему) требуется подключить частотозадающие емкость и резистор. На выходе CLOCK контроллера сразу же появятся короткие импульсы, соответствующие напряжению, которые подаются на аналогичные выходы всей группы устройств. Их принято называть ведомыми. Выводы RT таких контроллеров следует объединить с ножками VREF, а CT – с общим кабелем.
Напряжение сравнения (RAMP). На этот вывод следует подавать сигнал пилообразной формы (напряжение). При возникновении синхроимпульса на выходе устройства образуется открывающее контрольное напряжение. После того как показатель напряжения на RAMP становится больше в несколько раз, чем величина выходного напряжения на усилителе ошибки, на выходе можно наблюдать импульсы, отвечающие закрывающему напряжению. Длительность импульса может рассчитывать от момента возникновения синхроимпульса вплоть до момента многократного превышения показателя напряжения на RAMP над величиной выходного напряжения усилителя ошибки.

ШИМ-контроллеры в составе блоков питания

Блок питания является неотъемлемым элементом большинства современных девайсов. Срок его эксплуатации практически ничем не ограничен, но от его исправности во многом зависит безопасность работы подконтрольного устройства. Спроектировать блок питания можно и своими руками, изучив принцип его действия. Основная цель – формирование нужной величины напряжения питания, обеспечение её стабильности. Для большинства мощных устройств гальванической развязки, основанной на действии трансформатора, будет недостаточно, да и подобранный элемент явно удивит пользователей своими габаритами.

Увеличение частоты тока питания позволяет существенно уменьшить размеры используемых компонентов, что обеспечивает популярность блоков питания, работающих на частотных преобразователях. Один из самых простых вариантов реализации питающих элементов – блок-схема, состоящая из прямого и обратного преобразователей, генератора и трансформатора. Несмотря на видимую простоту реализации таких схем, на практике они демонстрируют больше недочетов, чем преимуществ. Большинство получаемых показателей стремительно изменяются под влиянием скачков напряжения питания, при загрузке выхода преобразователя и даже при увеличении температуры окружающей среды. ШИМ-контроллеры для блоков питания дают возможность стабилизировать схему, а также воплотить множество дополнительных функций.

Составляющие схемы блоков питания с ШИМ-контроллерами

Типовая схема состоит из генератора импульсов, в основе которого лежит ШИМ-контроллер. Широтно-импульсная модуляция дает возможность собственноручно контролировать амплитуду сигнала на выходе ФНЧ, изменяя при необходимости длительность импульса или его скважность. Сильная сторона ШИМ – высокий КПД усилителей мощности, в особенности звука, что в целом обеспечивает устройствам довольно обширную сферу применения.

ШИМ-контроллеры для блоков питания могут использоваться в схемах с различными мощностями. Для реализации относительно маломощных схем необязательно включать в их состав большое число элементов – в качестве ключа может выступать обычный полевой транзистор.

ШИМ-контроллеры для источников питания большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу – некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы узнать, как проверить ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже – с вариантами их устранения.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем – пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

Контроллер глохнет после старта – обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
ШИМ-контроллер не стартует – отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
Напряжение на выходе отличается от номинального – проблемы с петлей ООС или с контроллером.
После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах – некорректная работа ШИМ или драйверов.
Нестабильная работа платы, наличие странных звуков – обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

В заключение

Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств – типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.

Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания – вовсе не единственное направление деятельности.

Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция

Модуляция – нелинейный электрический процесс, при котором параметры одного сигнала (несущего) изменяются при помощи другого сигнала (модулирующего, информационного). В связной технике широко применяется частотная, амплитудная, фазовая модуляция. В силовой электронике и микропроцессорной технике распространение получила широтно-импульсная модуляция.

Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)

При широтно-импульсной модуляции исходного сигнала неизменными остаются амплитуда, частота и фаза исходного сигнала. Изменению под действием информационного сигнала подвергается длительность (ширина) прямоугольного импульса. В англоязычной технической литературе обозначается аббревиатурой PWM – pulse-width modulation.

Принцип работы ШИМ

Сигнал, промодулированный по ширине импульса, формируется двумя способами:

аналоговым;
цифровым.

При аналоговом способе создания ШИМ-сигнала несущая в виде пилообразного или треугольного сигнала подается на инвертирующий вход компаратора, а информационный – на неинвертирующий. Если мгновенный уровень несущей выше модулирующего сигнала, то на выходе компаратора ноль, если ниже – единица. На выходе получается дискретный сигнал с частотой, соответствующей частоте несущего треугольника или пилы, и длиной импульса, пропорциональной уровню модулирующего напряжения.

В качестве примера приведена модуляция по ширине импульса треугольного сигнала линейно-возрастающим. Длительность выходных импульсов пропорциональна уровню выходного сигнала.

Аналоговые ШИМ-контроллеры выпускаются и в виде готовых микросхем, внутри которых установлен компаратор и схема генерации несущей. Имеются входы для подключения внешних частотозадающих элементов и подачи информационного сигнала. С выхода снимается сигнал, управляющий мощными внешними ключами. Также имеются входы для обратной связи – они нужны для поддержания установленных параметров регулирования. Такова, например, микросхема TL494. Для случаев, когда мощность потребителя относительно невелика, выпускаются ШИМ-контроллеры со встроенными ключами. На ток до 3 ампер рассчитан внутренний ключ микросхемы LM2596.

Цифровой способ осуществляется применением специализированных микросхем или микропроцессоров. Длина импульса регулируется внутренней программой. Во многих микроконтроллерах, включая популярные PIC и AVR, «на борту» имеется встроенный модуль для аппаратной реализации ШИМ, для получения PWM-сигнала надо активировать модуль и задать параметры его работы. Если такой модуль отсутствует, то ШИМ можно организовать чисто программным методом, это несложно. Этот способ дает более широкие возможности и предоставляет больше свободы за счёт гибкого использования выходов, но задействует большее количество ресурсов контроллера.

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, t_имп и t_паузы, причем t_имп+t_паузы=Т. Скважностью называется отношение длительности импульса к периоду – S=t_имп/T. Но на практике оказалось удобнее пользоваться обратной величиной – коэффициентом заполнения: D=1/S=T/t_имп. Еще удобнее выражать коэффициент заполнения в процентах.

В чём отличия ШИМ от ШИР

В зарубежной технической литературе нет отличия между широтно-импульсной модуляцией и широтно-импульсным регулированием (ШИР). Российские же специалисты эти понятия пытаются разграничить. На самом деле ШИМ – это вид модуляции, то есть изменения несущего сигнала под действием другого, модулирующего. Несущий сигнал выполняет роль переносчика информации, а модулирующий задает эту информацию. А широтно-импульсное регулирование – это регулирование режима нагрузки с помощью ШИМ.

Причины и области применения ШИМ

Принцип широтно-импульсной модуляции используется в регуляторах частоты вращения мощных асинхронных двигателей. В этом случае модулирующий сигнал регулируемой частоты (однофазный или трехфазный) формируется маломощным генератором синусоиды и накладывается на несущую аналоговым способом. На выходе получается ШИМ-сигнал, который подается на ключи потребной мощности. Дальше можно пропустить получившуюся последовательность импульсов через фильтр низкой частоты, например через простую RC-цепочку, и выделить исходную синусоиду. Или можно обойтись без нее – фильтрация произойдет естественным образом за счёт инерции двигателя. Очевидно, что чем выше частота несущей, тем больше форма выходного сигнала близка к исходной синусоиде.

Возникает естественный вопрос – а почему нельзя усилить сигнал генератора сразу, например, применением мощных транзисторов? Потому что регулирующий элемент, работающий в линейном режиме, будет перераспределять мощность между нагрузкой и ключом. При этом на ключевом элементе впустую рассеивается значительная мощность. Если же мощный регулирующий элемент работает в ключевом режиме (тринистор, симистор, RGBT-транзистор), то мощность распределяется во времени. Потери будут намного ниже, а КПД – намного выше.

В цифровой технике особой альтернативы широтно-импульсному регулированию нет. Амплитуда сигнала там постоянна, менять напряжение и ток можно лишь промодулировав несущую по ширине импульса и впоследствии усреднив её. Поэтому ШИМ применяют для регулирования напряжения и тока на тех объектах, которые могут усреднять импульсный сигнал. Усреднение происходит разными способами:

За счет инерции нагрузки. Так, тепловая инерция термоэлектронагревателей и ламп накаливания позволяет объектам регулирования заметно не остывать в паузах между импульсами.
За счёт инерции восприятия. Светодиод успевает погаснуть от импульса к импульсу, но человеческий глаз этого не замечает и воспринимает как постоянное свечение с различной интенсивностью. На этом принципе построено управление яркостью точек LED-мониторов. Но незаметное мигание с частотой несколько сот герц все же присутствует и служит причиной усталости глаз.
За счет механической инерции. Это свойство используется при управлении коллекторными двигателями постоянного тока. При правильно выбранной частоте регулирования двигатель не успевает затормозиться в бестоковых паузах.

Поэтому ШИМ применяют там, где решающую роль играет среднее значение напряжения или тока. Кроме упомянутых распространенных случаев, методом PWM регулируют средний ток в сварочных аппаратах и зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и т.д.

Если естественное усреднение невозможно, во многих случаях эту роль на себя может взять уже упомянутый фильтр низкой частоты (ФНЧ) в виде RC-цепочки. Для практических целей этого достаточно, но надо понимать, что без искажений выделить исходный сигнал из ШИМ с помощью ФНЧ невозможно. Ведь спектр PWM содержит бесконечно большое количество гармоник, которые неизбежно попадут в полосу пропускания фильтра. Поэтому не стоит строить иллюзий по поводу формы восстановленной синусоиды.

Очень эффективно и эффектно управление методом ШИМ RGB-светодиодом. Этот прибор имеет три p-n перехода – красный, синий, зеленый. Изменяя раздельно яркость свечения каждого канала, можно получить практически любой цвет свечения LED (за исключением чистого белого). Возможности по созданию световых эффектов с помощью PWM безграничны.

Наиболее употребительная сфера применения цифрового сигнала, промодулированного по длительности импульса – регулирование среднего тока или напряжения, протекающего через нагрузку. Но возможно и нестандартное использование этого вида модуляции. Все зависит от фантазии разработчика.

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Что такое гетеродин простыми словами и где применяется

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Что такое шедовая крыша и в чем ее преимущества?

При создании проекта кровли раньше архитекторы руководствовались больше соображениями функциональности и практичности. Сейчас же с появлением современных кровельных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками на первое место выходит эстетичность конструктивного решения. Такой инновацией стала шедвая крыша, которая выглядит очень оригинально и футуристично. В этой статье мы расскажем об устройстве такой кровли, ее преимуществах и возможностях применения.

Устройство и конструкция?

Шедовая кровля – это система параллельных взаимосвязанных моноскатных крыш, расположенных в ряд одна за другой. Устройство крыш такого вида визуально напоминает зубчатую конструкцию, скаты которой направлены в одну сторону.

Вертикальная часть строения остекляется, а на поверхность наклонного ската укладывается кровельное покрытие: черепица, гонт, мягкая кровля, металлочерепица. Этот вариант как мансардная крыша частных домов или коммерческого и производственного здания.

Читайте также:

Чем отмыть кровь с дивана

Шедовая кровля является частью архитектурного наследия Англии. Среди традиционны форм кровли она выделяется оригинальным силуэтом, который визуально напоминает огромную пилу.

Хотя изначально шедовый тип верхней конструкции здания использовался только для оборудования складов и производственных цехов, современное строительство и архитектура позволяет использовать это решение для создания энергоэффективных частных домов.

Достоинства шедовой конструкции

Шедовая крыша не просто эстетичное и оригинальное решение кровельной конструкции, она может стать очень функциональной и практичной, если правильно использовать ее сильные стороны.

Ведь не даром у практичных англичан конструкция здания с шедовой крышей использовалась именно для оборудования производственных помещений. Достоинствами это конструктивного решения считают:

Повышенная прочность. Так как большая площадь перекрытия при обустройстве шедовой кровли делится на несколько моноскатов, конструкция приобретает повышенную устойчивость к нагрузкам. Раньше каркас такой крыши даже использовали для закрепления производственного оборудования.
Эффективное использование естественного освещения. Большая площадь вертикального остекления при такой конструкции кровли позволяет максимально использовать естественный свет в течение дня, что существенно сократит затраты на электроэнергию. Частный дом с шедовыми скатами и вальмами – самый солнечный дом, который только можно себе представить.
Устойчивость к ветровым нагрузкам. Чтобы дом стал более устойчив к сильному ветру, нужно оснастить его шедовой кровлей, грамотно сориентированной по розе ветров.
Экономичность. Конструкция, состоящая из нескольких однонаправленных скатов, позволяет снизить расход кровельного материала, а также сократить затраты на обустройство кровли.

Важно! Кровля шедового типа – одна из самых оригинальных кровельных конструкций, которых вы видели. Если сориентировать ее вертикальные части строго на север, получится пользоваться естественным освещением практически весь световой день.

Недостатки конструкции

Дома с шедовыми кровлями пока еще достаточно редкое архитектурное решение для России, которое в настоящий момент чаще можно встретить на страницах иллюстрированных журналов, чем в жизни.

Считается, что шедовая конструкция – одно из выражений эксплуатируемых плоских кровель. Несмотря на экономичность и практичность такой кровли, в конкретных условиях она может иметь следующие недостатки:

Необходимость постоянного обслуживания. Из-за особенностей материала, уход за стеклянной поверхность остекленных участков может быть весьма сложным и трудозатратным. Чтобы стекло хорошо пропускало свет, его необходимо мыть хотя бы два раза в год.
Увеличение теплопотерь. В условиях холодных российских зим устройство шедовой крыши связано с большими потерями тепла через остекленные участки, из-за чего увеличиваются расходы на обогрев помещения.
Необходимость кондиционирования в летний период. Из-за того, что лето солнечные лучи беспрепятственно проходят через прозрачное стекло, в помещении становится жарко и душно. Чтобы устранить этот эффект, необходимо организовать кондиционирование, которое увеличивает затраты электроэнергии.
Ограниченный выбор кровельным материалов. Для устройства шедовой кровли подходят не все материалы, например, нельзя выполнять монтаж металлочерепицы и профнастила.

Обратите внимание! В общем и целом, эксплуатация и обслуживание шедовой кровли влетает домовладельцу в копеечку из-за необходимости мыть остекленные участки, очищать скаты от снега, а также из-за дороговизны самой конструкции.

Шатровая крыша: от плюсов и минусов конструкции до нюансов монтажа

Шатровую крышу нельзя назвать распространенной — по популярности с обычными двускатными и вальмовыми кровлями ей не сравниться. Особенно если речь не о беседках, а о частных домах. Но и совсем уж редкостью она не является. У шатровой конструкции есть свои уникальные особенности, которые делают такую кровлю отличным выбором в ряде ситуаций. И это несмотря на ее сложность.

Об этих особенностях, нюансах устройства шатровых кровель и о том, что это вообще такое — ниже.

Содержание

Что такое шатровая кровля

Самая простая крыша шатрового типа — четырехскатная. Все ее скаты представляют собой треугольники одинаковых размеров, вершины которых сходятся в одной точке — коньковом узле. Свое название этот вид кровли получил из-за очевидной схожести с шатром. И чем больше у нее скатов, тем эта схожесть сильнее.

Чаще всего у частных домов делают обычные четырехскатные шатровые кровли. Но если у коттеджа есть башенки или круглые в сечении элементы, например, лестничные пролеты, дом могут крыть шатровой крышей с большим количеством скатов. Особенно популярны кровли на 8, 12 и 16 скатов.

Желательно, чтобы количество скатов шатровой кровли без остатка делилось на четыре. Иначе крышу сложно будет сделать даже профессиональным квалифицированным кровельщикам. Не говоря уже о самостоятельном монтаже.

Независимо от количества скатов, все виды шатровых конструкций абсолютно симметричны относительно центральной оси. Она проходит через коньковый узел. Это значит, что перекрыть такой крышей можно только здания (или их участки) правильной формы со стенами одинаковой длины.

Исключение — пристройки к дому. На них часто делают неполную шатровую кровлю, смещая коньковый узел к стене, к которой примыкает пристройка. Получается как бы срезанная наполовину крыша, которая, тем не менее, по конструкции является шатровой. Пример такой «половинной» шатровой крыши — на фото ниже.

Особенности шатровых крыш

У шатровой крыши нет конька, и это ее ключевая особенность. Вместо него — коньковый узел, в котором сходятся стропила. Все преимущества и недостатки шатровой кровли — следствие этой особенности.

Преимущества шатровой крыши

Любая шатровая кровля, независимо от количества скатов:

Отлично держит ветровую нагрузку. У нее прекрасная аэродинамика. Если точнее — лучшая среди всех некупольных крыш. У шатровой кровли обтекаемая форма, нет фронтонов или конькового прогона, куда может «упереться» ветер, поэтому ей не страшен ураган.
Смотрится необычно. На фоне стандартных двускатных и вальмовых крыш шатровая кровля сильно выделяется. Поэтому такая конструкция — отличный выбор для тех, кто не хочет быть как все.
Эстетичная. Шатровая крыша аккуратная и смотрится на доме очень пропорционально и гармонично. Сходящиеся в одной точке скаты скрадывают высоту кровли, из-за чего она не нависает над нижними этажами, как, например, двускатная крыша.
Меньше накапливает снег. Из-за все той же обтекаемой формы кровли существенную часть снега просто сдувает ветер.
Надежная. Нагрузка по шатровой кровле распределяется равномерно, а весь каркас связан в единое целое, поэтому он жесткий и устойчивый к деформации.

Словом, шатровая крыша — отличный выбор, но только если у вас не сильно ограничен бюджет и нет в планах мансардного этажа. Почему? Рассказываем дальше.

В чем ее недостатки

Серьезных минусов у шатровой крыши столько же, сколько и плюсов, так что это самый неоднозначный вид кровли. Итак, что плохого:

Сложная. Монтаж любой четырехскатной крыши — нетривиальная задача, а шатровая крыша уступает по сложности только купольным и совсем уж экзотическим видам кровель вроде луковичных.
Дорогая. Это прямое следствие сложности монтажа крыши. У кровельщиков есть специальные коэффициенты для разных видов кровель, на которые они умножают стандартную стоимость работ. У шатровой кровли этот коэффициент один из самых высоких.
Нет гибкости. Если не прибегать к особым ухищрениям, шатровой кровлей можно покрыть только дома, стены которых в плане образуют правильные фигуры: квадрат, круг, шестиугольник и подобные. При этом стены обязательно должны быть одной длины.
Маленькая мансарда. Полезная площадь мансарды у шатровой кровли наименьшая. Высота, достаточная для создания жилого пространства, только у небольшого квадрата под коньковым узлом.
Сложно осветить. У шатровой крыши нет ни полноценных фронтонов, ни небольших вертикальных участков, как у полувальмовых кровель. Поэтому осветить ее можно только с помощью дорогих мансардных окон, которые еще нужно правильно установить и загерметизировать, чтобы стык между рамой и крышей не стал источником течи.

Проще говоря, шатровая крыша на любителя. В основном она подходит тем, кто ради эстетики и оригинальности готов пожертвовать площадью мансардного этажа и значительной суммой. Ну и еще она хороша для районов с сильным ветром.

Конструкция шатровой крыши

Стропильная система шатровой крыши состоит из:

конькового узла, в котором сходятся стропила;
центральной стойки — опоры для конькового узла;
мауэрлата — он образует замкнутый контур и поэтому обеспечивает кровле жесткую опору;
центральных стропил, которые проходят посередине скатов;
диагональных (угловых, накосных) стропил, которые соединяют коньковый узел с углами дома;
нарожников — коротких стропильных ног, которые одной стороной опираются на мауэрлат, а другой — на накосные стропила;
промежуточных стоек и подкосов, которые нужны для разгрузки отдельных узлов стропильной системы;
выносов — балок, которые формируют карнизный свес на сторонах крыши, параллельных балкам перекрытия;
ригелей и затяжек, компенсирующих распирающее усилие от стропил.

Кроме того, иногда к стропильной системе относят балки перекрытия, но это сомнительно. Во-первых, перекрытие может быть железобетонным, это никак не помешает сделать шатровую кровлю. Во-вторых, есть конструкции шатровых крыш, в которых все их элементы опираются только на мауэрлат и напрямую на несущие стены.

Как правильно крыть шатровую крышу: основные нюансы

Стропильную систему шатровой кровли сложно сделать самостоятельно. Особенно если опыта в устройстве каркаса крыши нет. Поэтому для ее расчета и монтажа желательно привлечь профессиональных кровельщиков и проектировщика. При этом важно, чтобы:

Пиломатериалы былихорошо высушены. Шатровая кровля намного восприимчивее к качеству строительного леса, чем двускатная или односкатная крыша, из-за больших нагрузок и их сложного распределения. Особенно критична влажность древесины, поскольку если накосные или центральные стропила выгнет, вся конструкция резко потеряет в надежности.
Стропила ставились с вырубками. Это сделает каркас более жестким и надежным.
Нарожники крепились к мауэрлату и диагональным стропилам. Их крепление к стойкам и подкосам нарушит распределение нагрузки по конструкции.

Перед тем как покрыть шатровую крышу, рекомендуем пригласить эксперта-кровельщика, чтобы он оценил качество готовой стропильной системы. Неспециалист сможет заметить только базовые ошибки, а для шатровой кровли даже небольшие недочеты имеют значение. Кроме того, требовать у строительной бригады исправление ошибок намного проще, если у вас есть заключение эксперта.

А вот со всеми остальными этапами вполне можно справиться самостоятельно. Кровельный пирог, как и порядок его устройства, одинаков для всех крыш одного типа. Разве что при работе с четырехскатными кровлями больше отходов.

Итак, как крыть шатровую крышу:

С внутренней части стропил крепят пароизоляцию с помощью строительного степлера. Нахлест между соседними полотнищами должен быть 10-15 см. Стык между ними, а также места, где пароизоляция заходит на стены, вентиляционные шахты, дымоход и другие препятствия, герметизируют специальной клеящей лентой.
Поверх пароизоляции набивают внутреннюю обрешетку. Это не только основа для отделки крыши, но и опора для утеплителя.
Между стропилами враспор укладывают плиты утеплителя.
Поверх стропил крепят гидробарьер, тоже с проклейкой стыков и нахлестом полотнищ.
Вдоль стропил набивают небольшие бруски контробрешетки. Она дополнительно фиксирует гидроизоляцию и обеспечивает вентиляционный зазор между кровельным материалом и гидробарьером.
Поверх контробрешетки крепят обрешетку: бруски, доски, плиты OSB или листы влагостойкой фанеры.
На обрешетку монтируют кровельное покрытие.

Важный нюанс: шатровая крыша симметрична. Это значит, что в большинстве случаев обрезки материалов с одного ската можно использовать на соседнем. Поэтому продумывайте раскладку материалов, особенно кровельных листов, заранее.

Еще одна тонкость тоже связана с отходами. Парадоксально, но при монтаже шатровой кровли натуральная черепица и тем более недорогая цементно-песчаная могут оказаться выгоднее листовых материалов. Причина — при укладке штучных материалов почти нет отходов, в то время как у листовых покрытий в утиль может уходить до 30%.

И последнее: не забывайте о герметизации конькового узла и стыков между скатами. Даже если по технологии можно обойтись без герметика, в этих местах им лучше пройтись. Это почти никак не скажется на бюджете, зато прибавит надежности кровле и поможет компенсировать мелкие недочеты монтажа кровельного покрытия в этих узлах.

Шатровая крыша своими руками

Последним этапом строительства каркаса здания является возведение крыши. В квадратных домах чаще всего монтируют шатровую кровлю. В настоящее время это довольно популярная конструкция. «Шатёр», возведённый вверху здания, имеет свои преимущества и недостатки. Один из положительных моментов — шатровую кровлю можно соорудить самостоятельно, не прибегая к помощи специалистов.

Особенности устройства шатровой кровли

Конструкция шатровой крыши — это сочетание нескольких скатов треугольной (реже — трапециевидной) формы. Количество их может меняться в зависимости от архитектурных особенностей строения. Чаще всего встречаются четырёхскатные шатровые кровли, но владельцы зданий могут построить крышу и с большим количеством скатов.

Архитектура постройки определяет форму крыши с шестью скатами

Историки утверждают, что шатровый вариант крыши появился в глубокой древности. Шалашные постройки первобытного человека похожи на шатёр. Крыши в виде шатров находят археологии в Мессопотамии, где проживали древние шумеры. Такие конструкции верхней части строений применялись в храмовых и других религиозных сооружениях и в более поздние исторические периоды.

Классический вариант шатровой крыши — это пирамида с квадратным основанием. Опора скатов кровли идёт в основном на стены постройки, иногда выходя за их границы. Свесы могут выступать за пределы здания на 400–500 мм, тем самым предохраняя архитектурное сооружение от неблагоприятного воздействия погоды.

Чаще всего в индивидуальном строительстве применяют классический вариант четырёхскатной шатровой крыщши

Отличия вальмовой и шатровой кровли

Ещё одно название шатровой кровли — крыша конвертом. Такой тип является разновидностью вальмовой крыши. Конверт с прямоугольным основанием — основа вальмового типа кровли, а квадрат чаще используется в шатровом варианте.

Вальмовая конструкция — это сочетание двух скатов в виде трапеции и двух скатов в треугольной форме. В кровле-шатре соединяются треугольные скаты.

Типичный вариант вальмовой кровли состоит из двух треугольных и двух трапециевидных скатов

Если в вальмовой крыше есть конёк, то кровля шатровая монтируется без этого элемента. Вершины всех скатов шатровой конструкции соединяются в единой точке. Это происходит в виде их наслоения друг на друга или крепления к отдельной опоре. Конёк как таковой в этом случае отсутствует.

Плюсы и минусы шатровой конструкции

Основное преимущество шатровой кровельной конструкции — её уверенное противостояние порывистым ветрам. Аэродинамические «способности» крыши проявляются в том, что воздушные потоки практически не попадают в чердачную часть, они уходят вниз по треугольным скатам.
Ещё один большой плюс шатровой крыши состоит в отсутствии фронтонов. Это отличный повод для экономии, ведь строительных и отделочных материалов для кровли понадобится гораздо меньше.
Многие пользователи строений с шатровой крышей отмечают быструю прогреваемость помещений именно благодаря такой конструкции кровли. Дождевые и сточные воды не задерживаются на конверте из треугольных скатов, а стекают вниз. Это продлевает срок бесперебойной службы крыши.

Но есть в шатровой кровле и отрицательные моменты:

Сложная конструкция каркаса.
Малые размеры мансарды.
Большое количество отходов строительных материалов из-за конструктивных особенностей кровли.

Схема конструкции шатровой крыши

При расчёте и строительстве шатровой кровли обязательно нужно располагать основными сведениями о её составляющих элементах.

Опорная часть кровли — мауэрлат, размещаемый по периметру строения. Он крепится на стены постройки с наружной стороны. В кирпичных домах мауэрлат может монтироваться с внутренней стороны. Материалом для этого элемента кровельной системы служит брус с большим сечением. Накосные стропила предназначены для образования кровельного угла, собственно благодаря им и получается пирамидальная форма крыши. Самым сложным в конструкции шатровой крыши считается коньковый узел. В коньковом узле вместе с накосными стропилами соединяются стропила центральные, которые регулируют высоту каждого ската. Параллельно центральным стропилам устанавливают нарожники. Они всегда короче центральных стропил и укладываются на определённом расстоянии друг от друга.

Фотогалерея: варианты устройства шатровой кровли

Подготовка к работе

Перед началом сооружения шатровой крыши следует внимательно изучить всю имеющуюся информацию о строительстве такой кровли, подготовить все материалы и инструменты, предварительно сделав расчёты.

Расчёт материалов

Чтобы произвести расчёты, нужно обзавестись специальной рейкой для замеров. Её можно соорудить из фанеры шириной в пять сантиметров. Нам понадобятся такие параметры:

длина и ширина строения;
высота коньковой части.

Сами расчёты не так сложны, как могут показаться на первый взгляд:

Суммарную длину балок мауэрлата вычисляют простым суммированием удвоенной длины и удвоенной ширины основания, если дом имеет прямоугольную форму. Если в основе строения квадрат, то его сторону просто умножают на 4.
Размер центрального стропила находят, применяя теорему Пифагора. Центральное стропило есть не что иное, как гипотенуза прямоугольного треугольника, и её значение можно получить, извлекая квадратный корень из суммы квадратов двух величин (высоты коньковой части и половины стороны дома).

При расчётах кровель очень часто используется известная теорема Пифагора

Длину накосного стропила вычисляют аналогичным образом. Разница лишь в том, что стороны прямоугольного треугольника теперь — половина ширины дома и центральное стропило.

Все необходимые параметры шатровой кровли можно рассчитать, обратившись к одному из онлайн-калькуляторов, которые нетрудно найти в интернете.

Необходимые инструменты и материалы

Для монтажа шатровой кровли следует приготовить следующие инструменты:

Болгарку.
Пилу ручную и бензиновую.
Электролобзик.
Молоток.
Рубанок.
Электродрель.

Для строительства шатровой крыши рекомендуется использовать древесину только одной породы. Для крепления элементов кровли необходимы гвозди, дюбели, стальные скобы и саморезы. Следует позаботиться и о кровельном материале, выбор которого зависит от предпочтений застройщика и его материальных возможностей.

Делаем сами шатровую крышу

Несмотря на всю сложность конструкции шатровой кровли, сделать такой тип крыши самостоятельно вполне возможно.

Порядок сооружения шатровой крыши включает в себя несколько последовательно выполняемых действий:

Создание проекта шатровой кровли и проведение всех необходимых расчётов.
Приобретение требуемых материалов и приготовление инструмента.
Крепление мауэрлата по всему периметру основания строения.
Установка опорной балки для стропил параллельно мауэрлату (допустимое расстояние между ними 450 см).
Крепление диагональных элементов, раскосов, подкосов к основе стропил.
Утепление крыши.
Монтаж финишной кровли и дополнительных элементов для стока, вентиляции и др.

Полезные советы по строительству шатровой кровли

Профессионалы плотницкого дела делятся советами, которые обязательно нужно принимать во внимание при строительстве шатровой крыши:

не использовать древесину разных пород;
не собирать несущие элементы кровли из реек размером менее 150 на 50 мм;
не крепить к опорной стойке коньковой части короткие детали, их закрепляют по углам;
обязательно применять промежуточные стропильные ноги (в центре кровли).

Пошаговая инструкция по возведению шатровой крыши

Рассмотрим строительство шатровой восьмискатной кровли на конкретном примере. Крыша будет предназначена для постройки размерами 10 на 10 метров с перегородкой посередине (несущая конструкция).

Мауэрлат укладывается по периметру строения и крепится на шпильки

Укладываем балки перекрытия и выноса, двигаясь от центра к краям и сохраняя одинаковое расстояние между ними (не меньше одного метра или восьмидесяти сантиметров).

Применяя брус 150 на 150 мм, монтируем центральную опорную стойку в коньковой части крыши. При этом обязательно проверяем вертикальность при помощи отвеса и рейки. Фиксируем стойку при помощи временных укосин, которые демонтируются после установки центральных стропил.

На центральной опоре размещаются крепёжные устройства для установки центральных и диагональных стропил

Прикрепляем четыре центральных стропила. «Сшивают» эти элементы металлическими уголками или при помощи гвоздей.

Монтируем диагональные стропила, соблюдая необходимый уклон. Если эти элементы стыкуют из двух частей, то в месте соединения деталей делается дополнительная опора. Чтобы снизить нагрузки на балки, крепёж таких стоек желательно сместить к несущим стенам.

Укладываем и крепим рядовые стропила, опора при этом идёт на мауэрлаты и опорный брус коньковой части. Расстояние между стропилами — около 600 мм.

Прикрепляем нарожники, стараясь сохранять параллельность между ними и стропилами. Если крыша монтируется с выносами, то под нарожники в этой части кровли делаем подпорки.

Для страховки и укрепления конструкции в местах крепления нарожников используются дополнительные стойки

Делаем обрешётку, применяя бруски (50 на 50 мм) или доски толщиной 20–25 см.

Укладываем материалы для тепло- и гидроизоляции.

Утеплитель кладётся в каркас, образованный стропилами и обрешёткой

Пришиваем при помощи саморезов к обрешётке кровельный материал.

Подшиваем карнизы, устанавливаем водостоки, вентиляционные элементы.

Подшивка карнизных свесов выполняется на завершающей стадии строительства шатровой кровли

Видео: строим сами шатровую крышу

Взвесив все положительные и отрицательные моменты в эксплуатации шатровой крыши, можно решиться на её постройку своими силами. Главное — всё просчитать и следовать чётким инструкциям, которые дают профессионалы строительного дела.