Čo je PWM - Pulse Width Modulation

Modulácia je nelineárny elektrický proces, pri ktorom sa parametre jedného signálu (nosnej) menia pomocou iného signálu (modulácia, informácia). V komunikačnej technike sa široko používa frekvenčná, amplitúdová a fázová modulácia. Vo výkonovej elektronike a mikroprocesorovej technológii sa modulácia šírky impulzu rozšírila.

Čo je PWM (modulácia šírky impulzu)

Pri modulácii šírky impulzov pôvodného signálu zostávajú amplitúda, frekvencia a fáza pôvodného signálu nezmenené. Trvanie (šírka) pravouhlého impulzu sa mení pôsobením informačného signálu. V anglickej technickej literatúre sa označuje skratkou PWM – pulse-width modulation.

Ako funguje PWM

Signál modulovaný šírkou impulzu sa vytvára dvoma spôsobmi:

• analóg;
• digitálny.

Pri analógovej metóde vytvárania signálu PWM sa nosič vo forme pílovitého alebo trojuholníkového signálu privádza do invertujúceho vstup komparátora, a informácie - o neinvertovaní. Ak je okamžitá úroveň nosnej vlny vyššia ako modulačný signál, potom je výstup komparátora nula, ak je nižšia - jedna. Výstupom je diskrétny signál s frekvenciou zodpovedajúcou frekvencii nosného trojuholníka alebo píly a dĺžkou impulzu úmernou úrovni modulačného napätia.

Napríklad modulácia šírky impulzov trojuholníkového signálu sa lineárne zvyšuje. Trvanie výstupných impulzov je úmerné úrovni výstupného signálu.

Analógové regulátory PWM sú k dispozícii aj vo forme hotových mikroobvodov, vo vnútri ktorých je nainštalovaný komparátor a obvod generovania nosiča. K dispozícii sú vstupy pre pripojenie externých prvkov na nastavenie frekvencie a privádzanie informačného signálu. Z výstupu sa odstráni signál, ktorý ovláda silné cudzie kľúče. Nechýbajú ani vstupy pre spätnú väzbu – sú potrebné na udržanie nastavených parametrov riadenia. Takým je napríklad čip TL494. Pre prípady, keď je výkon spotrebiteľa relatívne malý, sú k dispozícii regulátory PWM so vstavanými kľúčmi. Vnútorný kľúč mikroobvodu LM2596 je navrhnutý pre prúd do 3 ampérov.

Digitálna metóda sa vykonáva pomocou špecializovaných mikroobvodov alebo mikroprocesorov. Dĺžka impulzu je riadená interným programom. Mnoho mikrokontrolérov, vrátane populárnych PIC a AVR, má zabudovaný modul pre hardvérovú implementáciu PWM „na doske“, pre príjem PWM signálu je potrebné modul aktivovať a nastaviť jeho prevádzkové parametre.Ak takýto modul nie je k dispozícii, potom je možné PWM organizovať čisto softvérovo, nie je to ťažké. Táto metóda poskytuje viac výkonu a slobody vďaka flexibilnému využívaniu výstupov, ale využíva viac zdrojov regulátora.

Charakteristika PWM signálu

Dôležité charakteristiky signálu PWM sú:

• amplitúda (U);
• frekvencia (f);
• pracovný cyklus (S) alebo pracovný cyklus D.

Amplitúda vo voltoch sa nastavuje v závislosti od zaťaženia. Musí poskytovať menovité napájacie napätie spotrebiteľa.

Frekvencia signálu modulovaného šírkou impulzu sa vyberá z nasledujúcich faktorov:

1. Čím vyššia je frekvencia, tým vyššia je presnosť riadenia.
2. Frekvencia nesmie byť nižšia ako doba odozvy zariadenia riadeného PWM, inak dôjde k citeľnému vlneniu riadeného parametra.
3. Čím vyššia je frekvencia, tým vyššie sú spínacie straty. Vyplýva to zo skutočnosti, že čas zopnutia kľúča je konečný. V uzamknutom stave všetko napájacie napätie klesne na kľúčový prvok, ale nie je takmer žiadny prúd. V otvorenom stave preteká kľúčom prúd plného zaťaženia, ale pokles napätia je malý, pretože priepustný odpor je niekoľko ohmov. V oboch prípadoch je strata výkonu zanedbateľná. Prechod z jedného stavu do druhého nastáva rýchlo, ale nie okamžite. V procese odomykania-uzamykania na čiastočne otvorenom prvku klesá veľké napätie a zároveň ním preteká značný prúd. V tomto čase rozptýlený výkon dosahuje vysoké hodnoty. Toto obdobie je krátke, kľúčik sa nestihne výrazne zahriať.Ale s nárastom frekvencie takýchto časových intervalov za jednotku času sa to stáva viac a tepelné straty sa zvyšujú. Preto je pri zostavovaní kľúčov dôležité používať rýchle prvky.
4. Pri jazde elektrický motor frekvencia sa musí odobrať z oblasti počuteľnej osobou - 25 kHz a viac. Pretože pri nižšej frekvencii PWM dochádza k nepríjemnému pískaniu.

Tieto požiadavky sú často vo vzájomnom rozpore, takže voľba frekvencie je v niektorých prípadoch kompromisom.

Hodnota modulácie charakterizuje pracovný cyklus. Keďže frekvencia opakovania impulzov je konštantná, je konštantná aj doba trvania periódy (T=1/f). Obdobie pozostáva z impulzu a pauzy, ktoré majú trvanie, resp_imp a t_pauzya t_imp+t_pauzy=T. Pracovný cyklus je pomer trvania impulzu k obdobiu - S \u003d t_imp/T. Ale v praxi sa ukázalo ako vhodnejšie použiť recipročnú hodnotu - faktor plnenia: D=1/S=T/t_imp. Ešte pohodlnejšie je vyjadriť faktor plnenia v percentách.

Aký je rozdiel medzi PWM a SIR

V zahraničnej odbornej literatúre nie je rozdiel medzi pulznou šírkovou moduláciou a pulznou šírkovou reguláciou (PWR). Ruskí špecialisti sa snažia rozlišovať medzi týmito pojmami. V skutočnosti je PWM typ modulácie, to znamená zmeny nosného signálu pod vplyvom iného, ​​modulujúceho. Nosný signál pôsobí ako nosič informácie a modulačný signál túto informáciu nastavuje. A pulzno-šírková regulácia je regulácia režimu záťaže pomocou PWM.

Dôvody a aplikácie PWM

Využíva sa princíp pulznej šírkovej modulácie regulátory otáčok výkonných asynchrónnych motorov. V tomto prípade je modulačný signál s nastaviteľnou frekvenciou (jednofázový alebo trojfázový) generovaný nízkovýkonovým generátorom sínusových vĺn a superponovaný na nosnú vlnu analógovým spôsobom. Výstupom je PWM signál, ktorý je privedený na klávesy požadovaného výkonu. Potom môžete výslednú sekvenciu impulzov preniesť cez dolnopriepustný filter, napríklad cez jednoduchý RC obvod, a vybrať pôvodnú sínusoidu. Alebo to môžete urobiť bez neho - k filtrácii dôjde prirodzene v dôsledku zotrvačnosti motora. Je zrejmé, že čím vyššia je nosná frekvencia, tým viac je výstupný tvar vlny bližšie k pôvodnej sínusoide.

Vzniká prirodzená otázka - prečo nie je možné okamžite zosilniť signál generátora, napr. pomocou výkonných tranzistorov? Pretože regulačný prvok pracujúci v lineárnom režime prerozdelí výkon medzi záťaž a kľúč. V tomto prípade sa na kľúčový prvok míňa významná sila. Ak výkonný ovládací prvok pracuje v kľúčovom režime (trinistor, triak, RGBT tranzistor), potom sa výkon rozloží v čase. Straty budú oveľa nižšie a účinnosť bude oveľa vyššia.

V digitálnej technológii neexistuje žiadna konkrétna alternatíva k pulznej regulácii. Amplitúda signálu je tam konštantná, napätie a prúd je možné meniť len moduláciou nosnej vlny po šírke impulzu a následným spriemerovaním. Preto sa PWM používa na reguláciu napätia a prúdu na tých objektoch, ktoré dokážu spriemerovať pulzný signál. Spriemerovanie prebieha rôznymi spôsobmi:

1. v dôsledku zotrvačnosti zaťaženia.Tepelná zotrvačnosť termoelektrických ohrievačov a žiaroviek teda umožňuje, aby regulované objekty v prestávkach medzi impulzmi výrazne nevychladli.
2. V dôsledku zotrvačnosti vnímania. LED má čas zhasnúť z impulzu na impulz, no ľudské oko si to nevšimne a vníma to ako neustálu žiaru s rôznou intenzitou. Tento princíp sa používa na ovládanie jasu bodov LED monitorov. Ale nepostrehnuteľné žmurkanie s frekvenciou niekoľkých stoviek hertzov je stále prítomné a spôsobuje únavu očí.
3. v dôsledku mechanickej zotrvačnosti. Táto vlastnosť sa využíva pri riadení kartáčovaných jednosmerných motorov. Pri správne zvolenej frekvencii regulácie nestihne motor v mŕtvych prestávkach spomaliť.

Preto sa PWM používa tam, kde rozhodujúcu úlohu zohráva priemerná hodnota napätia alebo prúdu. Okrem spomenutých bežných prípadov sa metódou PWM reguluje priemerný prúd vo zváračkách a nabíjačkách akumulátorov atď.

Ak prirodzené spriemerovanie nie je možné, v mnohých prípadoch môže túto úlohu prevziať už spomínaný dolnopriepustný filter (LPF) vo forme RC reťaze. Pre praktické účely to stačí, ale treba pochopiť, že nie je možné izolovať pôvodný signál od PWM pomocou dolnopriepustného filtra bez skreslenia. Koniec koncov, spektrum PWM obsahuje nekonečný počet harmonických, ktoré nevyhnutne spadnú do priepustného pásma filtra. Preto si netreba robiť ilúzie o tvare rekonštruovanej sínusoidy.

Veľmi efektívne a efektívne PWM RGB LED ovládanie. Toto zariadenie má tri p-n križovatky - červené, modré, zelené.Samostatnou zmenou jasu žiaru každého kanála môžete získať takmer akúkoľvek farbu LED žiary (s výnimkou čisto bielej). Možnosti vytvárania svetelných efektov pomocou PWM sú nekonečné.

Najbežnejšou aplikáciou digitálneho signálu s modulovanou šírkou impulzu je riadenie priemerného prúdu alebo napätia pretekajúceho záťažou. Ale je možné aj neštandardné použitie tohto typu modulácie. Všetko závisí od fantázie vývojára.

Podobné články: