Co je PWM - pulzně-šířková modulace

Modulace je nelineární elektrický proces, při kterém jsou parametry jednoho signálu (nosného) měněny jiným signálem (modulačním, informačním). V komunikační technice se hojně využívá frekvenční, amplitudová a fázová modulace. Ve výkonové elektronice a mikroprocesorové technice se stále častěji používá pulzně-šířková modulace.

Co je PWM (pulzně šířková modulace)?

Při pulzně-šířkové modulaci zůstávají amplituda, frekvence a fáze původního signálu nezměněny. Trvání (šířka) čtvercového impulzu je ovlivněno informačním signálem. V anglické technické literatuře se označuje zkratkou PWM - pulse-width modulation.

Princip fungování PWM

Šířkově modulovaný signál se vytváří dvěma způsoby:

• analogové;
• digitální.

Při analogové metodě generování PWM se nosný signál ve formě pilového nebo trojúhelníkového průběhu přivádí do invertujícího obvodu. vstup komparátorua informační signál je přiveden na neinvertující vstup komparátoru. Je-li okamžitá úroveň nosné vyšší než modulační signál, je výstup komparátoru nulový, je-li nižší, je roven jedné. Výstupem je diskrétní signál s frekvencí odpovídající frekvenci nosného trojúhelníku nebo pilového zubu a délkou impulsu úměrnou úrovni modulačního napětí.

Jako příklad je uvedena pulzně šířková modulace trojúhelníkového signálu lineárním vzestupným impulzem. Doba trvání výstupních impulsů je úměrná úrovni výstupního signálu.

Analogové PWM regulátory jsou k dispozici také jako hotové integrované obvody, které obsahují komparátor a obvody pro generování nosné. K dispozici jsou vstupy pro připojení externích prvků frekvenčního snímače a informačního signálu. Výstup se používá k řízení výkonných externích spínačů. K dispozici jsou také zpětnovazební vstupy pro udržování nastavených řídicích parametrů. To je například případ čipu TL494. Pro aplikace s relativně nízkým příkonem jsou k dispozici PWM regulátory s interními spínači. Vnitřní spínač LM2596 je navržen pro proudy do 3 A.

Digitální metoda se provádí pomocí specializovaných čipů nebo mikroprocesorů. Délka pulzu je řízena interním programem. Mnoho mikrokontrolérů, včetně populárních PIC a AVR, má vestavěný modul pro hardwarovou implementaci PWM. Pro získání PWM signálu je nutné modul aktivovat a nastavit jeho provozní parametry. Pokud takový modul neexistuje, lze PWM zařídit čistě softwarovou metodou, což není obtížné. Tato metoda dává více možností a poskytuje větší volnost díky flexibilnímu využití výstupů, ale vyžaduje více prostředků regulátoru.

Charakteristiky signálu PWM

Důležité charakteristiky signálu PWM jsou:

• amplituda (U);
• frekvence (f);
• Pracovní cyklus (S) nebo faktor naplnění D.

Amplituda ve voltech se nastavuje podle zátěže. Musí zajistit jmenovité napájecí napětí pro spotřebitele.

Frekvence pulzně šířkově modulovaného signálu se volí na základě následujících úvah:

1. Čím vyšší je frekvence, tím vyšší je přesnost regulace.
2. Frekvence nesmí být nižší než doba odezvy zařízení řízeného pomocí PWM, jinak by docházelo ke znatelnému zvlnění řízeného parametru.
3. Čím vyšší je frekvence, tím vyšší jsou spínací ztráty. Důvodem je skutečnost, že doba přepnutí klíče je konečná. V uzamčeném stavu na klíčový prvek dopadá celé napájecí napětí, ale neprochází jím téměř žádný proud. V otevřeném stavu protéká klíčem plný proud zátěže, ale úbytek napětí je malý, protože průchozí odpor je několik ohmů. V obou případech je ztrátový výkon zanedbatelný. Přechod z jednoho stavu do druhého je rychlý, ale ne okamžitý. Během procesu otevírání a zavírání klesá na částečně otevřeném prvku vysoké napětí a současně jím protéká značný proud. Během této doby dosahuje ztrátový výkon vysokých hodnot. Tato doba je krátká a klíč se nestihne výrazně zahřát. S rostoucí frekvencí však takových časových intervalů za jednotku času přibývá a tepelné ztráty se zvyšují. Proto je důležité používat při konstrukci klíčů rychle působící prvky.
4. Při ovládání motory frekvence musí být vedena mimo rozsah lidsky čitelných frekvencí - 25 kHz a více. Nižší spínací frekvence totiž způsobuje nepříjemné pískání.

Tyto požadavky jsou často ve vzájemném rozporu, takže volba frekvence je v některých případech kompromisem.

Hodnota modulace je charakterizována pracovním cyklem. Jelikož je opakovací frekvence pulzů konstantní, je konstantní i délka periody (T=1/f). Perioda se skládá z impulsu a pauzy, které mají trvání t_imp a t_pauza, kde t_imp+t_pauza=Т. Poměr je poměr délky impulsu k periodě - S=t_imp/T. V praxi se však ukázalo, že je výhodnější použít inverzní hodnotu - faktor naplnění: D=1/S=T/t._imp.. Ještě výhodnější je vyjádřit faktor naplnění v procentech.

Jaký je rozdíl mezi PWM a PWM

V zahraniční odborné literatuře se nerozlišuje mezi šířkově pulzní modulací a šířkově pulzním řízením (PWM). Ruští odborníci se snaží tyto pojmy rozlišovat. PWM je vlastně typ modulace, tj. změna nosného signálu pod vlivem jiného, modulačního signálu. Nosný signál funguje jako nosný a modulační signál nastavuje informaci. A regulace šířky pulzu je regulace zátěžového režimu pomocí PWM.

Důvody a aplikace PWM

Princip pulzně-šířkové modulace se používá v. Regulace otáček pro výkonné indukční motory. V tomto případě se modulující řízený frekvenční signál (jednofázový nebo třífázový) generuje pomocí generátoru sinusových vln malého výkonu a analogově se překrývá s nosnou. Výstupem je signál PWM, který se přivádí do tlačítek pro řízení spotřeby. Výslednou posloupnost impulzů pak lze propustit přes filtr s dolní propustí, např. jednoduchý RC-řetězec, a získat původní sinusový průběh. Nebo se můžete obejít bez něj - filtrace bude probíhat přirozeně díky setrvačnosti motoru. Je zřejmé, že čím vyšší je nosná frekvence, tím více se výstupní průběh blíží původní sinusoidě.

Vyvstává přirozená otázka - proč nelze například signál oscilátoru zesílit najednou, použití výkonných tranzistorů? Protože regulační prvek pracující v lineárním režimu přerozděluje výkon mezi zátěž a spínač. To způsobí, že se na klíčový prvek vyplýtvá mnoho energie. Pokud naopak regulační prvek s velkým výkonem pracuje v klíčovém režimu (trinistor, triak, tranzistor RGBT), je výkon rozložen v čase. Ztráty budou mnohem nižší a účinnost mnohem vyšší.

V digitální technologii neexistuje žádná zvláštní alternativa k pulzně-šířkovému řízení. Amplituda signálu je zde konstantní, napětí a proud lze měnit pouze modulací šířky nosného impulsu a jeho následným průměrováním. Proto se PWM používá pro řízení napětí a proudu v aplikacích, které mohou impulzní signál průměrovat. Průměrování se provádí různými způsoby:

1. Díky setrvačnosti zátěže. Například tepelná setrvačnost termoelektrických ohřívačů a žárovek znamená, že řídicí objekty mezi jednotlivými impulsy výrazně nevychladnou.
2. Kvůli setrvačnosti vnímání. LED dioda se rozsvěcuje od impulsu k impulsu, ale lidské oko to nevnímá a vnímá ji jako stálou záři s různou intenzitou. Tento princip se používá k řízení jasu LED bodů. Několik set hertzů nepostřehnutelného blikání je však stále přítomno a způsobuje únavu očí.
3. V důsledku mechanické setrvačnosti. Tato vlastnost se využívá při řízení stejnosměrných kolektorových motorů. Při správné regulační frekvenci nemá motor v mrtvých časových pauzách čas na zastavení.

Proto se PWM používá tam, kde rozhodující roli hraje střední hodnota napětí nebo proudu. Kromě výše uvedených běžných případů se metodou PWM reguluje průměrný proud ve svářečkách, nabíječkách baterií atd.

Pokud není možné přirozené průměrování, může v mnoha případech tuto úlohu převzít již zmíněný dolnopropustný filtr (LPF) ve formě řetězce RC. Pro praktické účely to stačí, ale je třeba si uvědomit, že pomocí LPF není možné oddělit původní signál od PWM bez zkreslení. Vždyť spektrum PWM obsahuje nekonečně velký počet harmonických, které nevyhnutelně spadají do šířky pásma filtru. Nedělejte si proto iluze o tvaru rekonstruované sinusoidy.

PWM řízení RGB LED je velmi efektivní a účinné. Toto zařízení má tři p-n přechody - červený, modrý a zelený. Změnou jasu každého kanálu zvlášť lze dosáhnout téměř jakékoli barvy LED (kromě čistě bílé). Možnosti vytváření světelných efektů pomocí PWM jsou nekonečné.

Nejběžnějším použitím digitálního pulzně šířkově modulovaného signálu je řízení průměrného proudu nebo napětí protékajícího zátěží. Tento typ modulace je však možné použít i netradičními způsoby. Vše záleží na fantazii designéra.

Související články: