Kas yra PWM – impulso pločio moduliavimas

Moduliacija – tai nelinijinis elektrinis procesas, kurio metu vieno signalo (nešiklio) parametrai keičiami naudojant kitą signalą (moduliuojant, informuojant). Ryšių technologijose plačiai naudojama dažnio, amplitudės ir fazės moduliacija. Galios elektronikos ir mikroprocesorių technologijose plačiai paplito impulsų pločio moduliavimas.

Kas yra PWM (impulso pločio moduliacija)

Moduliuojant pradinio signalo impulso plotį, pradinio signalo amplitudė, dažnis ir fazė išlieka nepakitę. Stačiakampio impulso trukmė (plotis) gali keistis veikiant informaciniam signalui. Anglų techninėje literatūroje jis sutrumpintai vadinamas PWM – impulso pločio moduliacija.

Kaip veikia PWM

Impulso pločio moduliuotas signalas formuojamas dviem būdais:

• analoginis;
• skaitmeninis.

Taikant analoginį PWM signalo kūrimo metodą, nešiklis pjūklo arba trikampio signalo pavidalu tiekiamas į invertuojamą lyginamoji įvestis, o informacija – apie neinvertavimą. Jei momentinio nešiklio lygis yra aukštesnis už moduliacinį signalą, tai komparatoriaus išvestis lygi nuliui, jei žemesnė – vienetas. Išvestis yra atskiras signalas, kurio dažnis atitinka nešiklio trikampio arba pjūklo dažnį, o impulso ilgis yra proporcingas moduliuojančios įtampos lygiui.

Pavyzdžiui, trikampio signalo impulso pločio moduliacija tiesiškai didėja. Išėjimo impulsų trukmė yra proporcinga išėjimo signalo lygiui.

Analoginiai PWM valdikliai taip pat yra paruoštų mikroschemų pavidalu, kurių viduje yra sumontuotas lygintuvas ir nešiklio generavimo grandinė. Yra įėjimai, skirti prijungti išorinius dažnio nustatymo elementus ir tiekti informacinį signalą. Iš išvesties pašalinamas signalas, valdantis galingus svetimus raktus. Taip pat yra įvesčių, skirtų grįžtamajam ryšiui – jie reikalingi nustatytiems valdymo parametrams palaikyti. Toks, pavyzdžiui, yra TL494 lustas. Tais atvejais, kai vartotojo galia yra santykinai maža, galimi PWM valdikliai su įmontuotais klavišais. LM2596 mikroschemos vidinis raktas skirtas iki 3 amperų srovei.

Skaitmeninis metodas atliekamas naudojant specializuotas mikroschemas arba mikroprocesorius. Pulso ilgį valdo vidinė programa. Daugelis mikrovaldiklių, įskaitant populiarųjį PIC ir AVR, turi įmontuotą modulį, skirtą PWM aparatūros diegimui „įmontuoti“, norint gauti PWM signalą, reikia aktyvuoti modulį ir nustatyti jo veikimo parametrus.Jei tokio modulio nėra, tada PWM galima organizuoti tik programine įranga, tai nėra sunku. Šis metodas suteikia daugiau galios ir laisvės lanksčiai naudojant išėjimus, tačiau sunaudoja daugiau valdiklio išteklių.

PWM signalo charakteristikos

Svarbios PWM signalo charakteristikos yra šios:

• amplitudė (U);
• dažnis (f);
• darbo ciklas (S) arba darbo ciklas D.

Amplitudė voltais nustatoma priklausomai nuo apkrovos. Jis turi užtikrinti vardinę vartotojo maitinimo įtampą.

Signalo, moduliuojamo impulso pločiu, dažnis parenkamas iš šių aspektų:

1. Kuo didesnis dažnis, tuo didesnis valdymo tikslumas.
2. Dažnis neturi būti mažesnis už PWM valdomo įrenginio atsako trukmę, antraip bus pastebimi valdomo parametro raibuliukai.
3. Kuo didesnis dažnis, tuo didesni perjungimo nuostoliai. Tai atsiranda dėl to, kad rakto perjungimo laikas yra baigtinis. Užrakintoje būsenoje visa maitinimo įtampa nukrenta ant pagrindinio elemento, tačiau srovės beveik nėra. Atviroje būsenoje visa apkrova teka per raktą, tačiau įtampos kritimas yra mažas, nes pralaidumo varža yra keli omai. Abiem atvejais galios išsklaidymas yra nereikšmingas. Perėjimas iš vienos būsenos į kitą vyksta greitai, bet ne akimirksniu. Atrakinimo-užrakinimo procese ant iš dalies atidaryto elemento nukrenta didelė įtampa ir tuo pačiu metu per jį teka didelė srovė. Šiuo metu išsklaidyta galia pasiekia dideles vertes. Šis laikotarpis trumpas, raktas nespėja gerokai sušilti.Tačiau didėjant tokių laiko intervalų dažniui per laiko vienetą, jis tampa vis daugiau, o šilumos nuostoliai didėja. Todėl norint sukurti raktus, svarbu naudoti greitus elementus.
4. Vairuojant elektrinis variklis dažnis turi būti paimtas iš žmogaus girdimos srities – 25 kHz ir daugiau. Nes esant žemesniam PWM dažniui, atsiranda nemalonus švilpimas.

Šie reikalavimai dažnai prieštarauja vienas kitam, todėl dažnio pasirinkimas kai kuriais atvejais yra kompromisas.

Moduliacijos reikšmė apibūdina darbo ciklą. Kadangi pulso pasikartojimo dažnis yra pastovus, periodo trukmė taip pat yra pastovi (T=1/f). Laikotarpis susideda iš impulso ir pauzės, kurių trukmė atitinkamai t_imp ir t_pauzes, ir t_imp+t_pauzes=T. Darbo ciklas yra impulso trukmės ir laikotarpio santykis - S \u003d t_imp/T. Tačiau praktikoje pasirodė patogiau naudoti abipusę reikšmę – užpildymo koeficientą: D=1/S=T/t_imp. Dar patogiau užpildymo koeficientą išreikšti procentais.

Kuo skiriasi PWM ir SIR

Užsienio techninėje literatūroje nėra skirtumo tarp impulsų pločio moduliavimo ir impulsų pločio reguliavimo (PWR). Rusijos specialistai bando atskirti šias sąvokas. Tiesą sakant, PWM yra moduliavimo tipas, tai yra, nešiklio signalo pokyčiai veikiant kitam, moduliuojančiam. Nešiklio signalas veikia kaip informacijos nešėjas, o moduliuojantis signalas nustato šią informaciją. Ir impulso pločio reguliavimas yra apkrovos režimo reguliavimas naudojant PWM.

PWM priežastys ir taikymas

Naudojamas impulsų pločio moduliavimo principas galingų asinchroninių variklių greičio reguliatoriai. Šiuo atveju reguliuojamo dažnio moduliavimo signalas (vienfazis arba trifazis) generuojamas mažos galios sinusinės bangos generatoriumi ir analoginiu būdu uždedamas ant nešiklio. Išvestis yra PWM signalas, kuris tiekiamas į reikiamos galios klavišus. Tada gautą impulsų seką galite perduoti per žemųjų dažnių filtrą, pavyzdžiui, per paprastą RC grandinę, ir pasirinkti originalią sinusoidę. Arba galite apsieiti be jo – filtravimas vyks natūraliai dėl variklio inercijos. Akivaizdu, kad kuo didesnis nešlio dažnis, tuo išėjimo bangos forma yra artimesnė pradinei sinusoidei.

Kyla natūralus klausimas – kodėl neįmanoma iš karto sustiprinti generatoriaus signalo, pvz. naudojant galingus tranzistorius? Kadangi linijiniu režimu veikiantis reguliavimo elementas perskirstys galią tarp apkrovos ir rakto. Šiuo atveju pagrindiniam elementui eikvojama didelė galia. Jei galingas valdymo elementas veikia rakto režimu (trinistorius, triac, RGBT tranzistorius), tada galia paskirstoma laikui bėgant. Nuostoliai bus daug mažesni, o efektyvumas daug didesnis.

Skaitmeninėse technologijose nėra konkrečios alternatyvos impulso pločio reguliavimui. Signalo amplitudė ten yra pastovi, įtampą ir srovę galima keisti tik moduliuojant nešiklį išilgai impulso pločio ir vėliau jo vidurkį. Todėl PWM naudojamas reguliuoti įtampą ir srovę tuose objektuose, kurie gali vidutinį impulso signalą. Vidurkis vyksta įvairiais būdais:

1. dėl apkrovos inercijos.Taigi termoelektrinių šildytuvų ir kaitinamųjų lempų šiluminė inercija leidžia reguliuojamiems objektams pertraukose tarp impulsų pastebimai neatvėsti.
2. Dėl suvokimo inercijos. Šviesos diodas turi laiko užgesti nuo pulso iki impulso, tačiau žmogaus akis to nepastebi ir suvokia tai kaip nuolatinį, įvairaus intensyvumo švytėjimą. Šis principas naudojamas LED monitorių taškų ryškumui valdyti. Tačiau nepastebimas mirksėjimas kelių šimtų hercų dažniu vis dar yra ir sukelia akių nuovargį.
3. dėl mechaninės inercijos. Ši savybė naudojama valdant šlifuotus nuolatinės srovės variklius. Tinkamai pasirinkus reguliavimo dažnį, variklis nespėja sulėtėti negyvų pauzių metu.

Todėl PWM naudojamas ten, kur lemiamą vaidmenį atlieka vidutinė įtampos arba srovės vertė. Be įprastų minėtų atvejų, PWM metodas reguliuoja vidutinę srovę suvirinimo aparatuose ir akumuliatorių įkrovikliuose ir kt.

Jei natūralus vidurkis neįmanomas, daugeliu atvejų šį vaidmenį gali perimti jau minėtas žemųjų dažnių filtras (LPF) RC grandinės pavidalu. Praktiniais tikslais to pakanka, tačiau reikia suprasti, kad naudojant žemųjų dažnių filtrą be iškraipymų neįmanoma atskirti pradinio signalo nuo PWM. Juk PWM spektre yra begalė harmonikų, kurios neišvengiamai pateks į filtro pralaidumo juostą. Todėl nereikėtų kurti iliuzijų dėl rekonstruoto sinusoido formos.

Labai efektyvus ir efektyvus PWM RGB LED valdymas. Šis įrenginys turi tris p-n jungtis – raudoną, mėlyną, žalią.Atskirai keisdami kiekvieno kanalo švytėjimo ryškumą, galite gauti beveik bet kokią LED švytėjimo spalvą (išskyrus gryną baltą). Galimybės sukurti apšvietimo efektus naudojant PWM yra neribotos.

Labiausiai paplitęs impulsų pločio moduliuoto skaitmeninio signalo pritaikymas yra valdyti vidutinę srovę arba įtampą, tekančią per apkrovą. Tačiau galimas ir nestandartinis šio tipo moduliavimo naudojimas. Viskas priklauso nuo kūrėjo vaizduotės.

Panašūs straipsniai: