Все про широтно-импульсную модуляцию (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.

Область применения

С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.

Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана здесь.

Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.

Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.

Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.

Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.

ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:

обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
контролирует уровень входного напряжения;
защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
при необходимости переводит устройство в дежурный режим.

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

высокой эффективности преобразования сигнала;
стабильность работы;
экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
низкой стоимости;
высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Пример использования ШИМ регулятора

Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в этой статье. Он построен на базе микросхемы NE555 и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.

Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция?

Микропроцессоры работают исключительно с цифровыми сигналами: с логическим нулем (0В) или с логической единицей (5В или 3.3В). По этой причине на выходе микропроцессор не может сформировать промежуточное напряжение. Применение для решения таких задач внешних ЦАП нецелесообразно из-за сложности. Специально для этого разработана широтно-импульсная модуляция — определенный процесс управления мощностью, идущей к нагрузке, методом изменения скважности импульсов постоянной частотности.

Что такое шим (широтно-импульсная модуляция)?

Это современный метод управления уровнем мощности подаваемой к нагрузке, заключающийся в изменении продолжительности импульса при постоянной частоте их следования. Это технология модуляции сигнала за счет вариативного изменения ширины импульсов, а не выходного напряжения. ШИМ преобразователь может быть аналоговый, цифровой и пр.

Читайте также:

Угловые полки из гипсокартона

Широтно-импульсная модуляция — важнейшие параметры:

Т -период тактирования — промежутки времени, через которые подаются импульсы.
Длительность импульса — время пока подается сигнал.
Скважность — рассчитанное по формуле соотношение длины импульса к импульсному Т периоду тактирования.
D коэффициент заполнения — показатель обратный скважности.

Область применения

Применение ШИМ позволяет увеличить и намного коэффициент полезного действия электрических преобразователей. Тем более это относится к импульсным преобразователям, которые сегодня преимущественно применяются во вторичных источниках питания разных электронных аппаратов. Импульсные преобразователи обратноходовые, прямоходовые 1-тактные, 2-тактные, полумостовые, резонансные управляются с участием ШИМ.

Принцип ШИМ сегодня стал основным для электронных устройств, которым требуется поддержание на заданном уровне выходных параметров и их регулировка. Метод применяется для изменения скорости вращения двигателей, яркости света, управления силовым транзистором БП импульсного типа.

Используется ЩИМ модуляция и в системах управления яркостью светодиодов. Светодиод, благодаря низкой инерционности, успевает мигнуть на частоте всего в несколько десятков кГц. Для человеческого глаза работа светодиода в импульсном режиме воспринимается как свечение. Яркость светодиода зависит от продолжительности импульса в течение одного периода. При коэффициенте заполнения в 50%, то есть, если время свечения равно времени паузы, яркость светодиода составляет одну вторую номинальной величины. Когда появились светодиодные лампы 220В, нашлась проблема повышения их надёжности при нестабильном входном напряжении. Задача была решена разработкой драйвера питания, функционирующего по принципу ШИМ.

Распространение устройств, функционирующих по принципу ШИМ, позволило уйти от линейных трансформаторных БП. В результате чего повысилось КПД и уменьшились масса и габариты источников питания. Поэтому сегодня ШИМ-контроллер является сегодня неотъемлемой частью импульсного БП. Он управляет силовым транзистором и напряжение на выходе блока питания всегда остаётся стабильным. Кроме этого, ШИМ-контроллер:

обеспечивает плавный пуск преобразователя;
ограничивает скважность и амплитуду управляющих импульсов;
контролирует входное напряжение;
защищает от КЗ силового ключа;
в аварийной ситуации переводит устройство в деж. режим.

Сегодня широтно-импульсная модуляция применяется повсеместно и позволяет управлять яркостью подсветки ЖК дисплеев мобильных телефонов, смартфонов, ноутбуков. Реализована микросхема ШИМ в сварочных аппаратах, в автоинверторах, в зарядных устройствах и пр. В любом зарядном устройстве используется сегодня ШИМ.

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.

Принцип шим-регулятора

Работа ШИМ регулятора сложностью не отличается. ШИМ-регулятор — устройство, выполняющее такую же функцию, что и традиционный линейный регулятор мощности (то есть, меняет напряжение или ток за счёт силового транзистора, рассеивающего значительную мощность на себе). Но ШИМ-регулятор отличается намного большим КПД. Достигается это благодаря тому, что управляющий силовой транзистор функционирует в ключевом режиме (либо включен, тогда пропускает большой ток, но мало падение напряжения, либо выключен — ток не проходит). В результате на таких силовых транзисторах мощность практически не рассеивается и энергия впустую не тратится.

После силового транзистора напряжение выходит как прямоугольные импульсы с изменяющейся скважностью в зависимости от необходимой мощности. Но сигнал нужно демодулировать (то есть, выделить среднее напряжение). Этот процесс происходит или в самой нагрузке (когда она индуктивного характера) или если между нагрузкой и силовым каскадом располагают фильтр нижних частот.

Пример использования шим регулятора

Самый простой пример использования регулятора напряжения ШИМ — ШИМ микросхема NE555, с которой знаком каждый радио-любитель. Благодаря ее универсальности можно конструировать самые разнообразные детали: от простейшего одновибратора импульсов с 2 в обвязке до модулятора, состоящего из большого числа компонентов. ШИМ регулятор напряжения имеет широкую область применения — это схемы регулировки яркости светодиодов и лент, а также регулировка скорости вращения движков.

В чем отличие между шим и шир?

На Западе понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и ШИМ практически не различаются. Однако у нас между ними все же существует различие. Во многих микросхемах реализован принцип ШИР, однако при этом они все равно называются ШИМ контроллеры. Таким образом различий в названии этих двух способов практически нет.

Единственное отличие между ШИР и ШИМ — при ШИР время импульса и паузы постоянны. А при ШИМ их длительности изменяются, что позволяет сформировать выходной ШИМ сигнал заданной формы.

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.

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 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.

Чтобы правильно спроектировать шатровую крышу, нужно знать все основные элементы её конструкции

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.

Читайте также:

Угловой встроенный шкаф-купе

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

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

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

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

Утеплитель кладётся в каркас, образованный стропилами и обрешёткой

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.

Пилообразная (шедовая) крыша достоинства и недостатки

Устройство и конструкция

Что такое шедовая конструкция крыши

Устройство

Достоинства шедовой конструкции

1.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.

2.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.

3.Устойчивость к ветровым нагрузкам. Чтобы дом стал более устойчив к сильному ветру, нужно оснастить его шедовой кровлей, грамотно сориентированной по розе ветров.

4.Экономичность. Конструкция, состоящая из нескольких однонаправленных скатов, позволяет снизить расход кровельного материала, а также сократить затраты на обустройство кровли.

Эффективность естественного освещения шедовой конструкции

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

-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.

Шедовая крыша

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.

Что такое шедовая крыша и в чем ее преимущества?

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.

Что такое шедовая конструкция крыши. 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.

Эффективность естественного освещения шедовой конструкции. 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.

Крыша: виды, особенности, нюансы выбора

Зачастую, говоря о выборе крыши, имеют в виду только кровельное покрытие, а говоря о кровле, подразумевают крышу в целом. И хотя такая подмена понятий вполне допустима, все же исходные значения у терминов разные. И если выбор типа кровли пусть и нежелателен, но допустим уже в процессе строительства, то сама крыша, как один из важнейших конструктивных элементов дома, должна тщательно просчитываться и проектироваться. В данном материале рассмотрим основные типы крыш, составляющие конструкции и особенности выбора.

Содержание

Крыша – это…
Основные типы крыш
Устройство крыш
На что обратить внимание при выборе крыши

Что такое крыша

Крыша – верхний элемент в конструкции дома, выполняющий основную защитно-декоративную функцию. Она не только защищает дом от всех внешних влияний и предотвращает отток тепла, но и обеспечивает привлекательность здания за счет формы, габаритов и кровельного покрытия. Крышу еще называют пятым фасадом, подразумевая именно ее эстетические параметры, в идеале, соответствующие выбранному архитектурному стилю. Иногда именно крыша «вытягивает» скучную типовую коробку, например, за счет высоты, непропорциональных скатов или удлиненных свесов.

Что касается разницы между крышей и кровлей, то конструктивно, крыша, это сложная, сборная система из различных элементов.

А кровля – именно финишное покрытие крыши с защитно-декоративными функциями. И, как уже говорилось, в обиходе эти понятия взаимозаменяемые. Но если крыша без кровли под временным покрытием (баннеры, рубероид, пленки и др.) при необходимости простоять может, то полноценная кровля отдельно от крыши невозможна в принципе.

Большинство кровельных материалов универсально и подходит практически под все виды крыш, варьироваться будет только сложность работ и количество отходов, то есть – цена вопроса. Однако есть и покрытия, требующие особого конструктива, закладываемого в проект, поэтому в любом случае, оптимальный вариант, когда и тип кровли определяется сразу, на этапе проектирования, особенно, если речь о больших домах и сложных крышах.

На практике же и дома до сих пор сплошь и рядом строят без проекта, «из головы», что уж говорить о крышах, но при таком подходе увеличивается риск получить недострой разной степени готовности. Тем более что при нынешнем обилии специализированных графических редакторов и онлайн-калькуляторов, даже не самый продвинутый пользователь в состоянии выполнить хотя бы примитивный эскиз и просчитать нагрузки, было бы желание.

Основные типы крыш

Все крыши условно можно поделить на два основных типа:

плоские;
скатные.

Плоские крыши

Многослойные горизонтальные конструкции практически без уклона, 1-2⁰ (до 4⁰) необходимые для отвода осадков визуально практически незаметны. Подразделяются на эксплуатируемые и неэксплуатируемые, актуальны для домов в современном и минималистском стиле. При кажущейся простоте конструкции, сложность реализации обусловлена повышенными требованиями к гидроизоляции.

Скатные крыши

Внутри категории подразделяются на несколько разновидностей, отличающихся количеством и геометрической формой скатов и уровнем сложности реализации.

Односкатная крыша – в исходном варианте самый упрощенный подвид, представленный одной наклонной плоскостью, опираемой на несущие стены, расположенные на разном уровне по высоте. Угол наклона ската варьируется в диапазоне от 10 до 60⁰, оптимальным считается уклон односкатной крыши в 30-35⁰. Для повышения декоративности односкатной крыши конструкцию усложняют, несколько закругляя, изгибая плоскость или комбинируя направленность.

Двускатная (щипцовая) крыша – одна из самых распространенных конструкций, состоит из двух наклонных плоскостей, разделенных коньком (ребром). В этом типе конструкции появляются фронтоны – боковые части стен в виде треугольников, формируемые из основных стеновых материалов или отличных от них. В зависимости от архитектурного замысла, скаты могут быть как одинаковыми, образовывая в поперечнике равнобедренный треугольник, так и с разными углами наклона и длиной свеса. Минимально допустимый угол наклона скатов – 20⁰, оптимальный – 40-60⁰.

Остальные подвиды, за исключением нестандартных конструкций, являются производным двускатной крыши.

Четырехскатные (вальмовые или шатровые) крыши образуются из двухскатных крыш. Их фронтоны срезаются наклонными плоскостями на всю высоту. Треугольные скаты шатровых крыш называются вальмами. Полувальмовые крыши отличаются от четырехскатных тем, что наклонными плоскостями у них срезаются лишь часть фронтонов. Четырехщипцовые крыши образуются от соединения четырех двускатных плоскостей.

Если под крышей запланирован не чердак, а жилое помещение, сезонное или круглогодичного проживания (отапливаемое), строится крыша мансардного типа. Она может быть как упрощенной двускатной, так и вальмовой, и полувальмовой, ее особенностью является не форма скатов, а наличие теплоизоляции в кровельном пироге. Зачастую при нехватке жилой площади в мансарду преобразуют холодный чердак или выполняют капитальную реконструкцию, надстраивая мансардную крышу с большей квадратурой.

К оригинальным же крышам можно отнести круглые (купольные, конические) – они возводятся преимущественно на домах круглой формы, а так же над башенками, на домах с «замковой» архитектурой. От обычных, скатных, они отличаются не только формой, но особым строением стропильной системы.

Устройство крыш

Крыша – многослойная сборная конструкция, даже если речь об односкатном типе. За редким исключением, когда основанием плоской эксплуатируемой крыши является железобетонная плита перекрытия, состоит из следующих базовых элементов.

Мауэрлат – необходим для жесткой фиксации крыши к основанию и равномерного распределения точечных нагрузок от элементов конструкции на стены. Представляет собой силовую раму, располагаемую по верхнему контуру несущих стен. В деревянных и брусовых домах в качестве мауэрлата выступает верхний венец, в каркасных, верхняя обвязка, в остальных – антисептированный деревянный брус, сечением 100х150 мм, 150х150 мм. Также допустимо применение в качестве мауэрлата сдвоенной доски (50×150 мм).
Стропильная система – несущий силовой каркас, определяющий форму крыши, сформированный из наклонных балок (лаг), вертикальных стоек и подкосов. Собирается как из отдельных деталей по месту, так и из готовых стропильных ферм, заводского изготовления или самодельных. В частных домах стропильная система преимущественно деревянная, исключение составляют металлические каркасные конструкции (ЛСТК). Важнейшим параметром стропильной системы является расстояние между стропилами (шаг).

Шаг установки стропил зависит от сечения используемой доски (бруса) и длины стропильного элемента, так же расчетной величины нагрузок для данного региона. Данные, представленные в таблице, не заменяют полноценного расчета несущей способности стропильной системы, их можно рассматривать как рекомендательные для достаточно простых кровель. В таблице даны значения, соответствующие возможным максимальным нагрузкам на стропильную конструкцию для среднеевропейской зоны. Также данные таблицы подготовлены с учетом ассортимента пиломатериалов, которые выпускают российские предприятия, согласно ГОСТ 24454-80 (Необработанная древесина).