Kas ir PWM — impulsa platuma modulācija

Modulācija ir nelineārs elektrisks process, kurā viena signāla (nesēja) parametri tiek mainīti, izmantojot citu signālu (modulēšana, informācija). Sakaru tehnoloģijās plaši izmanto frekvences, amplitūdas un fāzes modulāciju. Jaudas elektronikā un mikroprocesoru tehnoloģijā impulsa platuma modulācija ir kļuvusi plaši izplatīta.

Kas ir PWM (impulsa platuma modulācija)

Ar sākotnējā signāla impulsa platuma modulāciju sākotnējā signāla amplitūda, frekvence un fāze paliek nemainīga. Taisnstūra impulsa ilgums (platums) var mainīties informācijas signāla ietekmē. Angļu tehniskajā literatūrā tas ir saīsināts kā PWM - impulsa platuma modulācija.

Kā darbojas PWM

Impulsa platuma modulētais signāls tiek veidots divos veidos:

• analogs;
• digitāls.

Izmantojot analogo PWM signāla izveides metodi, nesējs zāģa zoba vai trīsstūrveida signāla veidā tiek padots uz invertējošu salīdzinājuma ievade, un informācija - par neinvertēšanu. Ja momentānais nesēja līmenis ir augstāks par modulējošo signālu, tad komparatora izeja ir nulle, ja zemāka - viens. Izvade ir diskrēts signāls ar frekvenci, kas atbilst nesēja trīsstūra vai zāģa frekvencei, un impulsa garumu, kas ir proporcionāls modulējošā sprieguma līmenim.

Piemēram, trīsstūrveida signāla impulsa platuma modulācija lineāri palielinās. Izejas impulsu ilgums ir proporcionāls izejas signāla līmenim.

Analogie PWM kontrolieri ir pieejami arī gatavu mikroshēmu veidā, kurās ir uzstādīts komparators un nesēja ģenerēšanas ķēde. Ir ieejas ārējo frekvences iestatīšanas elementu pievienošanai un informācijas signāla padevei. No izejas tiek noņemts signāls, kas kontrolē jaudīgas ārējās atslēgas. Ir arī ievades atgriezeniskajai saitei - tās nepieciešamas, lai uzturētu iestatītos vadības parametrus. Tāda, piemēram, ir TL494 mikroshēma. Gadījumiem, kad patērētāja jauda ir salīdzinoši maza, ir pieejami PWM kontrolleri ar iebūvētiem taustiņiem. LM2596 mikroshēmas iekšējā atslēga ir paredzēta strāvai līdz 3 ampēriem.

Digitālā metode tiek veikta, izmantojot specializētas mikroshēmas vai mikroprocesorus. Impulsa garumu kontrolē iekšējā programma. Daudziem mikrokontrolleriem, tostarp populārajiem PIC un AVR, ir iebūvēts modulis PWM aparatūras ieviešanai “uz klāja”, lai saņemtu PWM signālu, ir jāaktivizē modulis un jāiestata tā darbības parametri.Ja šāds modulis nav pieejams, tad PWM var organizēt tikai ar programmatūru, tas nav grūti. Šī metode nodrošina lielāku jaudu un brīvību, elastīgi izmantojot izejas, bet izmanto vairāk kontroliera resursu.

PWM signāla raksturojums

Svarīgi PWM signāla raksturlielumi ir:

• amplitūda (U);
• frekvence (f);
• darba cikls (S) vai darba cikls D.

Amplitūda voltos tiek iestatīta atkarībā no slodzes. Tam jānodrošina patērētāja nominālais barošanas spriegums.

Ar impulsa platumu modulētā signāla frekvenci izvēlas no šādiem apsvērumiem:

1. Jo augstāka frekvence, jo augstāka ir vadības precizitāte.
2. Frekvence nedrīkst būt zemāka par PWM kontrolētās ierīces reakcijas laiku, pretējā gadījumā radīsies pamanāmi kontrolētā parametra viļņi.
3. Jo augstāka frekvence, jo lielāki pārslēgšanās zudumi. Tas izriet no tā, ka atslēgas pārslēgšanas laiks ir ierobežots. Bloķētā stāvoklī viss barošanas spriegums nokrīt uz atslēgas elementa, bet gandrīz nav strāvas. Atvērtā stāvoklī pilnas slodzes strāva plūst caur atslēgu, bet sprieguma kritums ir neliels, jo caurlaides pretestība ir daži omi. Abos gadījumos jaudas izkliede ir niecīga. Pāreja no viena stāvokļa uz otru notiek ātri, bet ne uzreiz. Atbloķēšanas-bloķēšanas procesā uz daļēji atvērta elementa nokrīt liels spriegums un tajā pašā laikā caur to plūst ievērojama strāva. Šajā laikā izkliedētā jauda sasniedz augstas vērtības. Šis periods ir īss, atslēgai nav laika būtiski iesildīties.Bet, palielinoties šādu laika intervālu biežumam laika vienībā, to kļūst vairāk, un siltuma zudumi palielinās. Tāpēc, lai izveidotu atslēgas, ir svarīgi izmantot ātrus elementus.
4. Braucot elektriskais motors frekvence ir jānoņem no cilvēka dzirdamās zonas - 25 kHz un vairāk. Jo pie zemākas PWM frekvences rodas nepatīkama svilpe.

Šīs prasības bieži ir pretrunā viena ar otru, tāpēc frekvences izvēle dažos gadījumos ir kompromiss.

Modulācijas vērtība raksturo darba ciklu. Tā kā pulsa atkārtošanās ātrums ir nemainīgs, tad arī perioda ilgums ir nemainīgs (T=1/f). Periods sastāv no impulsa un pauzes, kuru ilgums ir attiecīgi t_imp un t_pauzes, un t_imp+t_pauzes=T. Darba cikls ir impulsa ilguma attiecība pret periodu - S \u003d t_imp/T. Bet praksē izrādījās ērtāk izmantot reciprokālo vērtību - aizpildījuma koeficientu: D=1/S=T/t_imp. Vēl ērtāk ir aizpildījuma koeficientu izteikt procentos.

Kāda ir atšķirība starp PWM un SIR

Ārvalstu tehniskajā literatūrā nav atšķirības starp impulsa platuma modulāciju un impulsa platuma regulēšanu (PWR). Krievu speciālisti cenšas atšķirt šos jēdzienus. Faktiski PWM ir modulācijas veids, tas ir, nesēja signāla izmaiņas cita, modulējoša signāla ietekmē. Nesējsignāls darbojas kā informācijas nesējs, un modulējošais signāls nosaka šo informāciju. Un impulsa platuma regulēšana ir slodzes režīma regulēšana, izmantojot PWM.

PWM iemesli un pielietojums

Tiek izmantots impulsa platuma modulācijas princips jaudīgu asinhrono motoru ātruma regulatori. Šajā gadījumā regulējamo frekvenču modulējošo signālu (vienfāzes vai trīsfāžu) ģenerē mazjaudas sinusoidālā viļņa ģenerators un analogā veidā uzklāj uz nesēja. Izvade ir PWM signāls, kas tiek padots uz vajadzīgās jaudas taustiņiem. Pēc tam jūs varat izlaist iegūto impulsu secību caur zemas caurlaidības filtru, piemēram, caur vienkāršu RC ķēdi, un atlasīt sākotnējo sinusoīdu. Vai arī jūs varat iztikt bez tā - filtrēšana notiks dabiski, pateicoties dzinēja inercei. Acīmredzot, jo augstāka ir nesējfrekvence, jo vairāk izejas viļņu forma ir tuvāka sākotnējai sinusoīdai.

Rodas dabisks jautājums - kāpēc nav iespējams uzreiz pastiprināt ģeneratora signālu, piemēram, izmantojot jaudīgus tranzistorus? Tā kā regulēšanas elements, kas darbojas lineārā režīmā, pārdalīs jaudu starp slodzi un atslēgu. Šajā gadījumā ievērojama jauda tiek iztērēta galvenajam elementam. Ja jaudīgs vadības elements darbojas atslēgas režīmā (trinistors, triac, RGBT tranzistors), tad jauda tiek sadalīta laikā. Zaudējumi būs daudz mazāki, un efektivitāte būs daudz augstāka.

Digitālajā tehnoloģijā impulsa platuma regulēšanai nav īpašas alternatīvas. Signāla amplitūda tur ir nemainīga, spriegumu un strāvu var mainīt, tikai modulējot nesēju gar impulsa platumu un pēc tam to vidējo. Tāpēc PWM tiek izmantots, lai regulētu spriegumu un strāvu tajos objektos, kas var vidējo impulsa signālu. Vidējā aprēķināšana notiek dažādos veidos:

1. slodzes inerces dēļ.Tādējādi termoelektrisko sildītāju un kvēlspuldžu termiskā inerce ļauj regulējamajiem objektiem pauzēs starp impulsiem manāmi neatdzist.
2. Uztveres inerces dēļ. Gaismas diodei ir laiks iziet no pulsa uz impulsu, taču cilvēka acs to nepamana un uztver kā pastāvīgu spīdumu ar mainīgu intensitāti. Šis princips tiek izmantots, lai kontrolētu LED monitoru punktu spilgtumu. Bet nemanāma mirkšķināšana ar vairāku simtu hercu frekvenci joprojām pastāv un izraisa acu nogurumu.
3. mehāniskās inerces dēļ. Šo īpašību izmanto matētu līdzstrāvas motoru vadīšanai. Ar pareizi izvēlētu regulēšanas biežumu motoram nav laika palēnināt mirgos pauzēs.

Tāpēc PWM tiek izmantots, ja sprieguma vai strāvas vidējai vērtībai ir izšķiroša nozīme. Papildus bieži minētajiem gadījumiem, PWM metode regulē vidējo strāvu metināšanas iekārtās un akumulatoru lādētājos utt.

Ja dabiskā vidējā noteikšana nav iespējama, daudzos gadījumos šo lomu var pārņemt jau minētais zemfrekvences filtrs (LPF) RC ķēdes veidā. Praktiskiem nolūkiem tas ir pietiekami, taču ir jāsaprot, ka nav iespējams izolēt sākotnējo signālu no PWM, izmantojot zemas caurlaidības filtru bez traucējumiem. Galu galā PWM spektrs satur bezgalīgu skaitu harmoniku, kas neizbēgami nonāks filtra caurlaides joslā. Tāpēc nevajadzētu celt ilūzijas par rekonstruētā sinusoīda formu.

Ļoti efektīva un efektīva PWM RGB LED vadība. Šai ierīcei ir trīs p-n krustojumi - sarkans, zils, zaļš.Atsevišķi mainot katra kanāla mirdzuma spilgtumu, jūs varat iegūt gandrīz jebkuru LED spīduma krāsu (izņemot tīri baltu). Iespējas radīt apgaismojuma efektus ar PWM ir bezgalīgas.

Visizplatītākais impulsa platuma modulēta digitālā signāla pielietojums ir kontrolēt vidējo strāvu vai spriegumu, kas plūst caur slodzi. Bet ir iespējama arī šāda veida modulācijas nestandarta izmantošana. Tas viss ir atkarīgs no izstrādātāja iztēles.

Līdzīgi raksti: