Τι είναι η PWM - διαμόρφωση εύρους παλμών

Η διαμόρφωση είναι μια μη γραμμική ηλεκτρική διαδικασία κατά την οποία οι παράμετροι ενός σήματος (φέρον) μεταβάλλονται από ένα άλλο σήμα (διαμόρφωση, πληροφορία). Στη μηχανική επικοινωνιών, η διαμόρφωση συχνότητας, πλάτους και φάσης χρησιμοποιείται ευρέως. Στα ηλεκτρονικά ισχύος και στην τεχνολογία μικροεπεξεργαστών, η διαμόρφωση εύρους παλμών γίνεται όλο και πιο διαδεδομένη.

Τι είναι η PWM (διαμόρφωση εύρους παλμών);

Στη διαμόρφωση εύρους παλμών, το πλάτος, η συχνότητα και η φάση του αρχικού σήματος παραμένουν αμετάβλητα. Η διάρκεια (πλάτος) του τετραγωνικού παλμού επηρεάζεται από το σήμα πληροφοριών. Στην αγγλική τεχνική βιβλιογραφία συμβολίζεται με τη συντομογραφία PWM - διαμόρφωση εύρους παλμών.

Αρχή λειτουργίας του PWM

Το διαμορφωμένο κατά πλάτος παλμού σήμα διαμορφώνεται με δύο τρόπους:

• αναλογικά,
• ψηφιακά.

Στην αναλογική μέθοδο παραγωγής PWM, ένα φέρον σήμα με τη μορφή πριονωτού ή τριγωνικού κύματος τροφοδοτείται στην αναστρέφουσα είσοδος του συγκριτήκαι το σήμα πληροφορίας εφαρμόζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του συγκριτή. Εάν η στιγμιαία στάθμη του φέροντος είναι υψηλότερη από το σήμα διαμόρφωσης, η έξοδος του συγκριτή είναι μηδέν, ενώ εάν είναι χαμηλότερη είναι ένα. Η έξοδος είναι ένα διακριτό σήμα με συχνότητα που αντιστοιχεί στη συχνότητα του τριγώνου ή του πριονωτού φέροντος και μήκος παλμού ανάλογο με το επίπεδο της τάσης διαμόρφωσης.

Ως παράδειγμα, παρουσιάζεται η διαμόρφωση πλάτους παλμού ενός τριγωνικού σήματος με γραμμικό ανερχόμενο παλμό. Η διάρκεια των παλμών εξόδου είναι ανάλογη της στάθμης του σήματος εξόδου.

Οι αναλογικοί ελεγκτές PWM είναι επίσης διαθέσιμοι ως έτοιμα ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιέχουν συγκριτή και κύκλωμα παραγωγής φέροντος. Υπάρχουν είσοδοι για τη σύνδεση εξωτερικών στοιχείων κωδικοποιητή συχνότητας και του σήματος πληροφοριών. Η έξοδος χρησιμοποιείται για την οδήγηση ισχυρών εξωτερικών διακοπτών. Υπάρχουν επίσης είσοδοι ανάδρασης για τη διατήρηση των ρυθμισμένων παραμέτρων ελέγχου. Αυτό συμβαίνει, για παράδειγμα, με το τσιπ TL494. Οι ελεγκτές PWM με εσωτερικούς διακόπτες είναι διαθέσιμοι για εφαρμογές με σχετικά χαμηλή ισχύ κατανάλωσης. Ο εσωτερικός διακόπτης του LM2596 είναι σχεδιασμένος για ρεύματα έως και 3 αμπέρ.

Η ψηφιακή μέθοδος επιτυγχάνεται με τη χρήση εξειδικευμένων τσιπ ή μικροεπεξεργαστών. Το μήκος του παλμού ελέγχεται από ένα εσωτερικό πρόγραμμα. Πολλοί μικροελεγκτές, συμπεριλαμβανομένων των δημοφιλών PIC και AVR, διαθέτουν ενσωματωμένη μονάδα για την υλοποίηση PWM υλικού. Για να λάβετε σήμα PWM είναι απαραίτητο να ενεργοποιήσετε τη μονάδα και να ορίσετε τις παραμέτρους λειτουργίας της. Εάν δεν υπάρχει τέτοια μονάδα, η PWM μπορεί να ρυθμιστεί καθαρά με τη μέθοδο λογισμικού, δεν είναι δύσκολο. Αυτή η μέθοδος παρέχει περισσότερες δυνατότητες και μεγαλύτερη ελευθερία λόγω της ευέλικτης χρήσης των εξόδων, αλλά απαιτεί περισσότερους πόρους του ελεγκτή.

Χαρακτηριστικά σήματος PWM

Τα σημαντικά χαρακτηριστικά του σήματος PWM είναι:

• πλάτος (U),
• συχνότητα (f),
• Κύκλος λειτουργίας (S) ή συντελεστής πλήρωσης D.

Το πλάτος σε βολτ ρυθμίζεται ανάλογα με το φορτίο. Πρέπει να εξασφαλίζει την ονομαστική τάση τροφοδοσίας στον καταναλωτή.

Η συχνότητα του διαμορφωμένου κατά πλάτος παλμού σήματος επιλέγεται με βάση τις ακόλουθες εκτιμήσεις:

1. Όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο υψηλότερη είναι η ακρίβεια ρύθμισης.
2. Η συχνότητα δεν πρέπει να είναι μικρότερη από το χρόνο απόκρισης της συσκευής που ελέγχεται με PWM, διαφορετικά θα υπάρξει αισθητή κυμάτωση στην ελεγχόμενη παράμετρο.
3. Όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο υψηλότερες είναι οι απώλειες μεταγωγής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο χρόνος μεταγωγής του κλειδιού είναι πεπερασμένος. Στην κατάσταση μανδάλωσης, ολόκληρη η τάση τροφοδοσίας πέφτει στο στοιχείο κλειδί, αλλά δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου ρεύμα. Στην ανοικτή κατάσταση, το πλήκτρο διαρρέεται από το πλήρες ρεύμα φορτίου, αλλά η πτώση τάσης είναι μικρή, επειδή η αντίσταση διέλευσης είναι μερικά Ω. Και στις δύο περιπτώσεις, η απώλεια ισχύος είναι αμελητέα. Η μετάβαση από τη μία κατάσταση στην άλλη είναι ταχεία, αλλά όχι στιγμιαία. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανοίγματος-κλεισίματος πέφτει υψηλή τάση στο μερικώς ανοικτό στοιχείο και ταυτόχρονα ρέει σημαντικό ρεύμα μέσα από το στοιχείο. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου η απορρόφηση ισχύος φτάνει σε υψηλές τιμές. Η περίοδος αυτή είναι σύντομη και το κλειδί δεν προλαβαίνει να θερμανθεί σημαντικά. Όσο όμως αυξάνεται η συχνότητα, τόσο αυξάνονται τα χρονικά διαστήματα ανά μονάδα χρόνου και η απώλεια θερμότητας αυξάνεται. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να χρησιμοποιούνται στοιχεία ταχείας δράσης στην κατασκευή των κλειδιών.
4. Κατά τον έλεγχο ενός κινητήρες η συχνότητα πρέπει να βρίσκεται εκτός του εύρους των συχνοτήτων που είναι αναγνώσιμες από τον άνθρωπο - 25kHz και άνω. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μια χαμηλότερη συχνότητα μεταγωγής έχει ως αποτέλεσμα έναν δυσάρεστο θόρυβο σφυρίγματος.

Αυτές οι απαιτήσεις συχνά έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους, οπότε η επιλογή της συχνότητας είναι σε ορισμένες περιπτώσεις ένας συμβιβασμός.

Η τιμή διαμόρφωσης χαρακτηρίζεται από τον κύκλο λειτουργίας. Καθώς ο ρυθμός επανάληψης των παλμών είναι σταθερός, η διάρκεια της περιόδου είναι επίσης σταθερή (T=1/f). Μια περίοδος αποτελείται από έναν παλμό και μια παύση, οι οποίες έχουν διάρκεια t_imp και t_παύση, όπου t_imp+t_παύση=Т. Ο λόγος είναι ο λόγος της διάρκειας του παλμού προς την περίοδο - S=t_imp/T. Στην πράξη όμως αποδείχθηκε ότι είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείται η αντίστροφη τιμή - συντελεστής πλήρωσης: D=1/S=T/t_imp.. Είναι ακόμη πιο βολικό να εκφράσετε τον συντελεστή πλήρωσης ως ποσοστό.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ PWM και PWM

Στην ξένη τεχνική βιβλιογραφία δεν υπάρχει διάκριση μεταξύ διαμόρφωσης εύρους παλμών και ελέγχου εύρους παλμών (PWM). Οι Ρώσοι εμπειρογνώμονες προσπαθούν να διακρίνουν αυτές τις έννοιες. Στην πραγματικότητα, η PWM είναι ένας τύπος διαμόρφωσης, δηλαδή η αλλαγή του φέροντος σήματος υπό την επίδραση ενός άλλου, διαμορφωτικού σήματος. Το φέρον σήμα ενεργεί ως φορέας πληροφοριών και το σήμα διαμόρφωσης καθορίζει αυτές τις πληροφορίες. Και ο έλεγχος πλάτους παλμού είναι η ρύθμιση της λειτουργίας φορτίου μέσω PWM.

Λόγοι και εφαρμογές της PWM

Η αρχή της διαμόρφωσης εύρους παλμών χρησιμοποιείται σε Έλεγχος ταχύτητας για επαγωγικούς κινητήρες υψηλής ισχύος. Στην περίπτωση αυτή, ένα διαμορφωτικό σήμα μεταβλητής συχνότητας (μονοφασικό ή τριφασικό) παράγεται με χρήση γεννήτριας ημιτονικών κυμάτων χαμηλής ισχύος και τοποθετείται αναλογικά στο φέρον. Η έξοδος είναι ένα σήμα PWM το οποίο τροφοδοτείται στα πλήκτρα ζήτησης ισχύος. Η προκύπτουσα ακολουθία παλμών μπορεί στη συνέχεια να περάσει από ένα χαμηλοπερατό φίλτρο, π.χ. μια απλή αλυσίδα RC, και να εξαχθεί το αρχικό ημιτονοειδές κύμα. Ή μπορείτε να το αποφύγετε - το φιλτράρισμα θα γίνει με φυσικό τρόπο λόγω της αδράνειας του κινητήρα. Προφανώς, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα του φέροντος, τόσο περισσότερο η κυματομορφή εξόδου είναι κοντά στο αρχικό ημιτονοειδές.

Προκύπτει ένα φυσικό ερώτημα - γιατί δεν μπορεί να ενισχυθεί το σήμα του ταλαντωτή ταυτόχρονα, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τρανζίστορ υψηλής ισχύος? Επειδή το στοιχείο ρύθμισης, που λειτουργεί σε γραμμική λειτουργία, θα ανακατανείμει την ισχύ μεταξύ του φορτίου και του διακόπτη. Αυτό θα προκαλέσει μεγάλη σπατάλη ενέργειας στο βασικό στοιχείο. Εάν, από την άλλη πλευρά, ένα ισχυρό στοιχείο ρύθμισης λειτουργεί σε λειτουργία κλειδιού (τρινίστορ, τριακ, τρανζίστορ RGBT), η ισχύς κατανέμεται με την πάροδο του χρόνου. Οι απώλειες θα είναι πολύ μικρότερες και η απόδοση θα είναι πολύ υψηλότερη.

Στην ψηφιακή τεχνολογία, δεν υπάρχει ιδιαίτερη εναλλακτική λύση στον έλεγχο εύρους παλμών. Το πλάτος του σήματος είναι σταθερό εκεί, η τάση και το ρεύμα μπορούν να μεταβληθούν μόνο με τη διαμόρφωση του πλάτους του παλμού φορέα και στη συνέχεια με τη μέση τιμή του. Ως εκ τούτου, η PWM χρησιμοποιείται για τον έλεγχο τάσης και ρεύματος σε εφαρμογές που μπορούν να υπολογίσουν το μέσο όρο του παλμικού σήματος. Ο μέσος όρος επιτυγχάνεται με διάφορους τρόπους:

1. Μέσω της αδράνειας του φορτίου. Για παράδειγμα, η θερμική αδράνεια των θερμοηλεκτρικών θερμαντήρων και των λαμπτήρων πυρακτώσεως σημαίνει ότι τα αντικείμενα ελέγχου δεν ψύχονται αισθητά μεταξύ των παλμών.
2. Λόγω της αδράνειας της αντίληψης. Ένα LED ανάβει από παλμό σε παλμό, αλλά το ανθρώπινο μάτι δεν το αντιλαμβάνεται αυτό και το αντιλαμβάνεται ως μια σταθερή λάμψη με διαφορετική ένταση. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της φωτεινότητας των κουκίδων LED. Αλλά μερικές εκατοντάδες hertz ανεπαίσθητης αναλαμπής εξακολουθούν να είναι παρούσες και προκαλούν κόπωση των ματιών.
3. Λόγω μηχανικής αδράνειας. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται στον έλεγχο του κινητήρα συλλέκτη συνεχούς ρεύματος. Με τη σωστή συχνότητα ελέγχου, ο κινητήρας δεν προλαβαίνει να ακινητοποιηθεί στις παύσεις νεκρού χρόνου.

Επομένως, χρησιμοποιείται η PWM όπου η μέση τιμή της τάσης ή του ρεύματος παίζει καθοριστικό ρόλο. Εκτός από τις συνήθεις περιπτώσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω, η μέθοδος PWM ρυθμίζει το μέσο ρεύμα σε μηχανές συγκόλλησης και φορτιστές μπαταριών κ.λπ.

Εάν δεν είναι δυνατός ο φυσικός μέσος όρος, σε πολλές περιπτώσεις το ρόλο αυτό μπορεί να αναλάβει το ήδη αναφερθέν χαμηλοπερατό φίλτρο (LPF) με τη μορφή αλυσίδας RC. Για πρακτικούς σκοπούς αυτό είναι αρκετό, αλλά θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι είναι αδύνατο να διαχωριστεί το αρχικό σήμα από το PWM με έναν LPF χωρίς παραμόρφωση. Εξάλλου, το φάσμα PWM περιέχει έναν απείρως μεγάλο αριθμό αρμονικών, οι οποίες αναπόφευκτα θα εμπίπτουν στο εύρος ζώνης του φίλτρου. Επομένως, μην τρέφετε αυταπάτες σχετικά με το σχήμα του ανακατασκευασμένου ημιτονοειδούς.

Ο έλεγχος PWM ενός RGB LED είναι πολύ αποτελεσματικός και αποδοτικός. Αυτή η συσκευή έχει τρεις επαφές p-n - κόκκινη, μπλε και πράσινη. Μεταβάλλοντας τη φωτεινότητα κάθε καναλιού ξεχωριστά, μπορεί να επιτευχθεί σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα LED (εκτός από το καθαρό λευκό). Οι δυνατότητες δημιουργίας εφέ φωτισμού με PWM είναι ατελείωτες.

Η πιο συνηθισμένη εφαρμογή ενός ψηφιακού σήματος διαμορφωμένου με PWM είναι ο έλεγχος του μέσου ρεύματος ή της τάσης που διαρρέει ένα φορτίο. Αλλά είναι επίσης δυνατό να χρησιμοποιηθεί αυτός ο τύπος διαμόρφωσης με μη συμβατικούς τρόπους. Όλα εξαρτώνται από τη φαντασία του σχεδιαστή.

Σχετικά άρθρα: