Što je PWM - Pulse Width Modulation

Modulacija je nelinearni električni proces u kojem se parametri jednog signala (nosača) mijenjaju korištenjem drugog signala (modulacijskog, informacijskog). U komunikacijskoj tehnologiji široko se koristi frekvencijska, amplituda i fazna modulacija. U energetskoj elektronici i mikroprocesorskoj tehnologiji, pulsno-širinska modulacija je postala široko rasprostranjena.

Što je PWM (Pulse Width Modulation)

Kod pulsno-širinske modulacije izvornog signala, amplituda, frekvencija i faza izvornog signala ostaju nepromijenjeni. Trajanje (širina) pravokutnog impulsa podložno je promjeni pod djelovanjem informacijskog signala. U engleskoj tehničkoj literaturi skraćeno je PWM - pulsno-width modulation.

Kako PWM radi

Širinski modulirani signal formira se na dva načina:

• analog;
• digitalni.

Analognom metodom stvaranja PWM signala, nosač u obliku pilastog ili trokutastog signala dovodi se na invertirajući komparator ulaz, a informacije - o neinvertiranju. Ako je trenutna razina nosioca viša od modulirajućeg signala, tada je izlaz komparatora nula, ako je niža - jedan. Izlaz je diskretni signal s frekvencijom koja odgovara frekvenciji nosećeg trokuta ili pile, a duljina impulsa je proporcionalna razini modulirajućeg napona.

Na primjer, modulacija širine impulsa trokutastog signala linearno raste. Trajanje izlaznih impulsa proporcionalno je razini izlaznog signala.

Analogni PWM kontroleri također su dostupni u obliku gotovih mikrosklopova, unutar kojih su ugrađeni komparator i krug za generiranje nosača. Postoje ulazi za spajanje vanjskih elemenata za podešavanje frekvencije i dovod informacijskog signala. Iz izlaza se uklanja signal koji kontrolira moćne strane ključeve. Tu su i ulazi za povratne informacije - potrebni su za održavanje postavljenih parametara upravljanja. Takav je, na primjer, TL494 čip. Za slučajeve gdje je snaga potrošača relativno mala, dostupni su PWM kontroleri s ugrađenim tipkama. Unutarnji ključ mikrokruga LM2596 dizajniran je za struju do 3 ampera.

Digitalna metoda se provodi pomoću specijaliziranih mikro krugova ili mikroprocesora. Duljinu impulsa kontrolira interni program. Mnogi mikrokontroleri, uključujući popularni PIC i AVR, imaju ugrađeni modul za hardversku implementaciju PWM-a "na ploči", da biste primili PWM signal, morate aktivirati modul i postaviti njegove radne parametre.Ako takav modul nije dostupan, tada se PWM može organizirati isključivo softverom, to nije teško. Ova metoda daje više snage i slobode kroz fleksibilnu upotrebu izlaza, ali koristi više resursa kontrolera.

Karakteristike PWM signala

Važne karakteristike PWM signala su:

• amplituda (U);
• frekvencija (f);
• radni ciklus (S) ili radni ciklus D.

Amplituda u voltima postavlja se ovisno o opterećenju. Mora osigurati nazivni napon napajanja potrošača.

Frekvencija signala moduliranog širinom impulsa odabire se iz sljedećih razmatranja:

1. Što je frekvencija veća, to je veća točnost upravljanja.
2. Frekvencija ne smije biti niža od vremena odziva uređaja kojim upravlja PWM, inače će doći do primjetnih mreškanja kontroliranog parametra.
3. Što je viša frekvencija, to su veći komutacijski gubici. To proizlazi iz činjenice da je vrijeme prebacivanja ključa konačno. U zaključanom stanju, sav napon napajanja pada na ključnom elementu, ali struje gotovo da nema. U otvorenom stanju struja punog opterećenja teče kroz ključ, ali je pad napona mali, budući da je propusni otpor nekoliko ohma. U oba slučaja, rasipanje snage je zanemarivo. Prijelaz iz jednog stanja u drugo događa se brzo, ali ne odmah. U procesu otključavanja-zaključavanja na djelomično otvorenom elementu pada veliki napon i istovremeno kroz njega teče značajna struja. U ovom trenutku, disipirana snaga doseže visoke vrijednosti. Ovo razdoblje je kratko, ključ nema vremena za značajno zagrijavanje.Ali s povećanjem učestalosti takvih vremenskih intervala po jedinici vremena, postaje sve više, a gubici topline se povećavaju. Stoga je za izradu ključeva važno koristiti brze elemente.
4. Prilikom vožnje električni motor frekvencija se mora oduzeti od područja koje čovjek može čuti - 25 kHz i više. Jer pri nižoj PWM frekvenciji javlja se neugodan zvižduk.

Ovi zahtjevi su često u međusobnom sukobu, pa je izbor frekvencije u nekim slučajevima kompromis.

Vrijednost modulacije karakterizira radni ciklus. Budući da je brzina ponavljanja impulsa konstantna, trajanje perioda je također konstantno (T=1/f). Razdoblje se sastoji od impulsa i stanke, koji imaju trajanje, odnosno t_imp i T_stanke, i T_imp+t_stanke=T. Radni ciklus je omjer trajanja impulsa i razdoblja - S \u003d t_imp/T. Ali u praksi se pokazalo prikladnijim koristiti recipročnu vrijednost - faktor punjenja: D=1/S=T/t_imp. Još je prikladnije faktor punjenja izraziti u postocima.

Koja je razlika između PWM-a i SIR-a

U inozemnoj tehničkoj literaturi ne postoji razlika između pulsno-širinske modulacije i pulsno-širinske regulacije (PWR). Ruski stručnjaci pokušavaju razlikovati ove koncepte. Zapravo, PWM je vrsta modulacije, odnosno promjene u signalu nosača pod utjecajem drugog, modulirajućeg. Signal nosača djeluje kao nositelj informacije, a modulirajući signal postavlja tu informaciju. A regulacija širine impulsa je regulacija načina opterećenja pomoću PWM-a.

Razlozi i primjena PWM

Primjenjuje se princip modulacije širine impulsa regulatori brzine snažnih asinkronih motora. U ovom slučaju, podesivi frekvencijski modulirajući signal (jednofazni ili trofazni) generira se generatorom sinusnih valova male snage i na analogni način se postavlja na nosač. Izlaz je PWM signal, koji se dovodi na tipke potrebne snage. Zatim možete proći rezultirajući slijed impulsa kroz niskopropusni filtar, na primjer, kroz jednostavan RC krug, i odabrati izvornu sinusoidu. Ili možete bez njega - filtracija će se dogoditi prirodno zbog inercije motora. Očito, što je veća frekvencija nosioca, to je izlazni valni oblik bliži izvornoj sinusoidi.

Postavlja se prirodno pitanje - zašto je nemoguće odmah pojačati signal generatora, na primjer, koristeći moćne tranzistore? Budući da će regulacijski element koji radi u linearnom načinu preraspodijeliti snagu između opterećenja i ključa. U ovom slučaju, značajna snaga se gubi na ključni element. Ako snažan upravljački element radi u ključnom načinu rada (trinistor, triac, RGBT tranzistor), tada se snaga raspoređuje tijekom vremena. Gubici će biti puno manji, a učinkovitost puno veća.

U digitalnoj tehnologiji ne postoji posebna alternativa regulaciji širine impulsa. Tu je amplituda signala konstantna, napon i struja se mogu mijenjati samo moduliranjem nosioca duž širine impulsa i naknadnim usrednjavanjem. Stoga se PWM koristi za regulaciju napona i struje na onim objektima koji mogu prosječiti impulsni signal. Prosječenje se događa na različite načine:

1. zbog inercije opterećenja.Dakle, toplinska inercija termoelektričnih grijača i žarulja sa žarnom niti omogućuje da se regulirani objekti osjetno ne ohlade u pauzama između impulsa.
2. Zbog inercije percepcije. LED ima vremena da se ugasi od pulsa do pulsa, ali ljudsko oko to ne primjećuje i percipira kao stalni sjaj različitog intenziteta. Ovaj princip se koristi za kontrolu svjetline točaka LED monitora. No, neprimjetno treptanje s frekvencijom od nekoliko stotina herca i dalje je prisutno i uzrokuje zamor očiju.
3. zbog mehaničke inercije. Ovo svojstvo se koristi u upravljanju brušenim istosmjernim motorima. S pravilno odabranom frekvencijom regulacije, motor nema vremena za usporavanje u mrtvim pauzama.

Stoga se PWM koristi tamo gdje prosječna vrijednost napona ili struje igra odlučujuću ulogu. Osim navedenih uobičajenih slučajeva, PWM metoda regulira prosječnu struju u aparatima za zavarivanje i punjačima baterija itd.

Ako prirodno usrednjavanje nije moguće, u mnogim slučajevima tu ulogu može preuzeti već spomenuti niskopropusni filtar (LPF) u obliku RC lanca. Za praktične svrhe, to je dovoljno, ali se mora shvatiti da je nemoguće izolirati izvorni signal od PWM pomoću niskopropusnog filtra bez izobličenja. Uostalom, PWM spektar sadrži beskonačan broj harmonika koji će neizbježno pasti u propusni pojas filtera. Stoga ne treba stvarati iluzije o obliku rekonstruirane sinusoide.

Vrlo učinkovita i učinkovita PWM RGB LED kontrola. Ovaj uređaj ima tri p-n spoja - crveno, plavo, zeleno.Zasebnom promjenom svjetline sjaja svakog kanala, možete dobiti gotovo bilo koju boju LED sjaja (s izuzetkom čiste bijele). Mogućnosti za stvaranje svjetlosnih efekata s PWM-om su beskrajne.

Najčešća primjena digitalnog signala moduliranog širinom impulsa je kontrola prosječne struje ili napona koji teče kroz opterećenje. No moguća je i nestandardna uporaba ove vrste modulacije. Sve ovisi o mašti programera.

Slični članci: