Mi az a PWM – impulzusszélesség-moduláció

A moduláció egy nemlineáris elektromos folyamat, amelyben az egyik jel (vivő) paramétereit egy másik jel (modulálás, információ) segítségével megváltoztatják. A kommunikációs technológiában széles körben használják a frekvencia-, amplitúdó- és fázismodulációt. A teljesítményelektronikában és a mikroprocesszoros technológiában az impulzusszélesség-moduláció széles körben elterjedt.

Mi az a PWM (impulzusszélesség-moduláció)

Az eredeti jel impulzusszélesség-modulációjával az eredeti jel amplitúdója, frekvenciája és fázisa változatlan marad. A téglalap alakú impulzus időtartama (szélessége) változhat az információs jel hatására. Az angol szakirodalomban PWM - impulzusszélesség-modulációnak nevezik.

Hogyan működik a PWM

Az impulzusszélesség-modulált jel kétféleképpen jön létre:

• analóg;
• digitális.

A PWM jel létrehozásának analóg módszerével egy fűrészfog vagy háromszög jel formájában lévő vivőt táplálunk az invertálóba. összehasonlító bemenet, és információ - a nem invertálásról. Ha a pillanatnyi vivőszint magasabb, mint a moduláló jel, akkor a komparátor kimenete nulla, ha alacsonyabb - egy. A kimenet egy diszkrét jel, amelynek frekvenciája megfelel a hordozóháromszög vagy fűrész frekvenciájának, és impulzushossza arányos a moduláló feszültség szintjével.

Például egy háromszög alakú jel impulzusszélesség-modulációja lineárisan növekszik. A kimenő impulzusok időtartama arányos a kimeneti jel szintjével.

Az analóg PWM vezérlők kész mikroáramkörök formájában is kaphatók, amelyekbe egy komparátor és egy vivőgeneráló áramkör van beépítve. Vannak bemenetek a külső frekvencia-beállító elemek csatlakoztatására és az információs jel ellátására. A jel eltávolításra kerül a kimenetről, amely az erős idegen kulcsokat vezérli. Vannak visszacsatolási bemenetek is – ezek a beállított vezérlési paraméterek fenntartásához szükségesek. Ilyen például a TL494 chip. Olyan esetekben, amikor a fogyasztó teljesítménye viszonylag kicsi, beépített kulcsokkal rendelkező PWM vezérlők állnak rendelkezésre. Az LM2596 mikroáramkör belső kulcsát 3 amperig terjedő áramerősségre tervezték.

A digitális módszert speciális mikroáramkörök vagy mikroprocesszorok segítségével hajtják végre. Az impulzus hosszát a belső program szabályozza. Sok mikrokontroller, köztük a népszerű PIC és AVR, rendelkezik beépített modullal a PWM hardveres megvalósításához „a fedélzeten”, a PWM jel fogadásához aktiválnia kell a modult és be kell állítania működési paramétereit.Ha ilyen modul nem áll rendelkezésre, akkor a PWM tisztán szoftveresen megszervezhető, ez nem nehéz. Ez a módszer nagyobb teljesítményt és szabadságot biztosít a kimenetek rugalmas felhasználásával, de több vezérlő erőforrást használ.

A PWM jel jellemzői

A PWM jel fontos jellemzői a következők:

• amplitúdó (U);
• frekvencia (f);
• munkaciklus (S) vagy D munkaciklus.

Az amplitúdó voltban a terhelés függvényében van beállítva. Biztosítania kell a fogyasztó névleges tápfeszültségét.

Az impulzusszélességgel modulált jel frekvenciáját a következő szempontok közül választjuk ki:

1. Minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb a szabályozási pontosság.
2. A frekvencia nem lehet alacsonyabb, mint a PWM által vezérelt eszköz válaszideje, különben a szabályozott paraméter észrevehető hullámzása lép fel.
3. Minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb a kapcsolási veszteség. Ez abból adódik, hogy a kulcs kapcsolási ideje véges. Zárt állapotban az összes tápfeszültség leesik a kulcselemen, de áram szinte nincs. Nyitott állapotban a teljes terhelési áram átfolyik a kulcson, de a feszültségesés kicsi, mivel az áteresztő ellenállás néhány ohm. A teljesítmény disszipáció mindkét esetben elhanyagolható. Az egyik állapotból a másikba való átmenet gyorsan megtörténik, de nem azonnal. A feloldás-reteszelés során egy részben nyitott elemen nagy feszültség esik le, és ugyanakkor jelentős áram folyik át rajta. Ekkor a disszipált teljesítmény eléri a magas értékeket. Ez az időszak rövid, a kulcsnak nincs ideje jelentősen felmelegedni.De az időegységenkénti időintervallumok gyakoriságának növekedésével ez egyre több lesz, és nő a hőveszteség. Ezért kulcsok felépítéséhez fontos a gyors elemek használata.
4. Vezetéskor elektromos motor a frekvenciát el kell távolítani az ember számára hallható területről - 25 kHz és afeletti. Mert alacsonyabb PWM frekvenciánál kellemetlen fütyülés lép fel.

Ezek a követelmények gyakran ütköznek egymással, így a gyakoriság megválasztása bizonyos esetekben kompromisszum.

A modulációs érték jellemzi a munkaciklust. Mivel az impulzus ismétlési gyakorisága állandó, a periódus időtartama is állandó (T=1/f). Az időszak egy impulzusból és egy szünetből áll, amelyek időtartama t_manó és t_{szüneteket tart}, és t_manó+t_{szüneteket tart}=T. A munkaciklus az impulzus időtartamának és az időszaknak az aránya - S \u003d t_manó/T. De a gyakorlatban kényelmesebbnek bizonyult a reciprok értéke - a kitöltési tényező: D=1/S=T/t_manó. Még kényelmesebb a kitöltési tényezőt százalékban kifejezni.

Mi a különbség a PWM és a SIR között?

A külföldi szakirodalomban nincs különbség az impulzusszélesség-moduláció és az impulzusszélesség-szabályozás (PWR) között. Az orosz szakemberek megpróbálják megkülönböztetni ezeket a fogalmakat. Valójában a PWM a moduláció egy fajtája, vagyis a vivőjel megváltozása egy másik, moduláló jel hatására. A vivőjel információhordozóként működik, és a moduláló jel állítja be ezt az információt. Az impulzusszélesség-szabályozás pedig a terhelési mód szabályozása PWM segítségével.

A PWM okai és alkalmazásai

Az impulzusszélesség moduláció elvét alkalmazzák nagy teljesítményű aszinkron motorok fordulatszám-szabályozói. Ebben az esetben az állítható frekvenciamoduláló jelet (egyfázisú vagy háromfázisú) egy kis teljesítményű szinuszgenerátor állítja elő, és analóg módon szuperponálja a vivőre. A kimenet egy PWM jel, amely a kívánt teljesítményű gombokhoz kerül. Ezután az így kapott impulzussorozatot egy aluláteresztő szűrőn, például egy egyszerű RC áramkörön keresztül továbbíthatja, és kiválaszthatja az eredeti szinuszoidot. Vagy nélküle is megteheti - a szűrés természetesen megtörténik a motor tehetetlensége miatt. Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb a vivőfrekvencia, annál jobban közelít a kimeneti hullámforma az eredeti szinuszhoz.

Felmerül egy természetes kérdés - miért nem lehet azonnal felerősíteni a generátor jelét, például erős tranzisztorok használatával? Mivel a lineáris üzemmódban működő szabályozóelem újraelosztja a teljesítményt a terhelés és a kulcs között. Ebben az esetben jelentős erő pazarol a kulcselemre. Ha egy nagy teljesítményű vezérlőelem kulcs módban működik (trinistor, triac, RGBT tranzisztor), akkor a teljesítmény időben eloszlik. A veszteségek sokkal kisebbek lesznek, és a hatékonyság sokkal nagyobb.

A digitális technológiában nincs különösebb alternatíva az impulzusszélesség szabályozására. A jel amplitúdója ott állandó, a feszültséget és az áramerősséget csak a vivő impulzusszélesség mentén történő modulálásával, majd ezt követő átlagolásával lehet változtatni. Ezért a PWM-et arra használják, hogy szabályozzák a feszültséget és az áramerősséget azokon az objektumokon, amelyek képesek átlagolni az impulzusjelet. Az átlagolás többféleképpen történik:

1. a terhelési tehetetlenség miatt.Így a termoelektromos fűtőtestek és izzólámpák hőtehetetlensége lehetővé teszi, hogy a szabályozott tárgyak ne hűljenek le észrevehetően az impulzusok közötti szünetekben.
2. Az érzékelés tehetetlensége miatt. A LED-nek van ideje impulzusról impulzusra kialudni, de az emberi szem ezt nem veszi észre, és változó intenzitású állandó fényként érzékeli. Ez az elv a LED-monitorok pontjainak fényerejének szabályozására szolgál. De az észrevehetetlen, több száz hertzes frekvenciájú pislogás továbbra is jelen van, és szemfáradtságot okoz.
3. mechanikai tehetetlenség miatt. Ezt a tulajdonságot a kefés egyenáramú motorok vezérlésére használják. Helyesen kiválasztott szabályozási frekvenciával a motornak nincs ideje lelassulni holt szünetekben.

Ezért a PWM-et ott használják, ahol a feszültség vagy az áram átlagos értéke döntő szerepet játszik. Az említett gyakori eseteken kívül a PWM módszer szabályozza az átlagos áramerősséget a hegesztőgépekben, akkumulátortöltőkben stb.

Ha a természetes átlagolás nem lehetséges, akkor ezt a szerepet sok esetben átveheti a már említett aluláteresztő szűrő (LPF) RC lánc formájában. Gyakorlati célokra ez elég, de meg kell érteni, hogy az eredeti jelet a PWM-től lehetetlen aluláteresztő szűrővel torzítás nélkül elkülöníteni. Végül is a PWM spektrum végtelen számú harmonikust tartalmaz, amelyek elkerülhetetlenül a szűrő átviteli sávjába esnek. Ezért nem szabad illúziókat építeni a rekonstruált szinusz alakjával kapcsolatban.

Nagyon hatékony és hatékony PWM RGB LED vezérlés. Ennek az eszköznek három p-n csomópontja van - piros, kék, zöld.Az egyes csatornák fényerejének külön változtatásával a LED szinte bármilyen színét megkaphatja (a tiszta fehér kivételével). A fényeffektusok PWM segítségével történő létrehozásának lehetőségei végtelenek.

Az impulzusszélesség-modulált digitális jel leggyakoribb alkalmazása a terhelésen átfolyó átlagos áram vagy feszültség szabályozása. De az ilyen típusú moduláció nem szabványos használata is lehetséges. Minden a fejlesztő képzeletétől függ.

Hasonló cikkek: