Mis on PWM - impulsi laiuse modulatsioon

Modulatsioon on mittelineaarne elektriline protsess, mille käigus ühe signaali (kandja) parameetreid muudab teine ​​signaal (moduleerimine, informatsioon). Sidetehnikas kasutatakse laialdaselt sagedus-, amplituudi- ja faasimodulatsiooni. Jõuelektroonikas ja mikroprotsessortehnoloogias on impulsi laiuse modulatsioon laialt levinud.

Mis on PWM (impulsi laiuse modulatsioon)

Impulsi laiusmodulatsiooni korral jäävad algsignaali amplituud, sagedus ja faas muutumatuks. Infosignaali mõjul võib ristkülikukujulise impulsi kestus (laius) muutuda. Ingliskeelses tehnikakirjanduses tähistatakse seda lühendiga PWM – impulsi laiuse modulatsioon.

PWM-i tööpõhimõte

Impulsi laiusmoduleeritud signaal moodustatakse kahel viisil:

• analoog;
• digitaalne.

Analoog PWM-signaali genereerimise meetod kasutab inverteerimisel saehamba või kolmnurkse kandesignaali komparaatori sisendja infosignaal saadetakse komparaatori mitteinverteerivasse sisendisse. Kui kandja hetketase on kõrgem kui moduleeriv signaal, on komparaatori väljund null, kui madalam - üks.Väljund on diskreetne signaal, mille sagedus vastab kandekolmnurga või saehamba sagedusele ja mille impulsi pikkus on võrdeline moduleeriva pinge tasemega.

Näitena on näidatud kolmnurkse signaali impulsi laiuse modulatsioon lineaarselt suureneva signaaliga. Väljundimpulsside kestus on võrdeline väljundsignaali tasemega.

Analoog-PWM-kontrollerid on saadaval ka valmis integraallülitustena, mis sisaldavad komparaatorit ja kandja genereerimislülitust. Seal on sisendid väliste sageduskooderi elementide ühendamiseks ja infosignaali edastamiseks. Väljundist võetakse signaal, mis juhib võimsaid väliseid lüliteid. Samuti on sisendid tagasiside jaoks - neid on vaja seatud reguleerimisparameetrite säilitamiseks. See on näiteks TL494 kiip. Juhtudeks, kui tarbija võimsus on suhteliselt madal, on saadaval sisseehitatud klahvidega PWM-kontrollerid. Voolutugevusega kuni 3 amprit on ette nähtud LM2596 kiibi sisemine lüliti.

Digitaalne meetod viiakse läbi spetsiaalsete kiipide või mikroprotsessorite abil. Impulsi pikkust juhib sisemine programm. Paljudel mikrokontrolleritel, sealhulgas populaarsetel PIC-l ja AVR-il, on moodul riistvaralise PWM-i rakendamiseks. PWM signaali saamiseks on vaja moodul aktiveerida ja seadistada selle tööparameetrid. Kui sellist moodulit pole, saate PWM-i korraldada puhtalt tarkvarameetodil, see pole keeruline. See meetod annab rohkem võimalusi ja annab rohkem vabadust tänu väljundite paindlikule kasutamisele, kuid hõlmab rohkem kontrolleri ressursse.

PWM signaali omadused

PWM-signaali olulised omadused on järgmised:

• amplituud (U);
• sagedus (f);
• Töötsükkel (S) või täitmistegur D.

Amplituud voltides määratakse sõltuvalt koormusest. See peab tagama tarbija nimitoitepinge.

Impulsi laiusega moduleeritud signaali sagedus valitakse järgmiste kaalutluste hulgast:

1. Mida kõrgem on sagedus, seda suurem on reguleerimise täpsus.
2. Sagedus ei tohi olla väiksem kui seadme reaktsiooniaeg, mida juhib PWM, vastasel juhul on reguleeritud parameetri märgatavad pulsatsioonid.
3. Mida kõrgem on sagedus, seda suuremad on lülituskaod. See on tingitud asjaolust, et võtme lülitusaeg on piiratud. Lukustatud olekus langeb kogu toitepinge võtmeelemendile, kuid voolu peaaegu pole. Avatud olekus läbib võtit täiskoormuse vool, kuid pingelang on väike, kuna läbilaske takistus on paar oomi. Mõlemal juhul on võimsuse hajumine tühine. Üleminek ühest olekust teise on kiire, kuid mitte hetkeline. Avatud-sulgemise protsessi käigus langeb osaliselt avatud elemendile suur pinge ja samal ajal liigub sellest läbi oluline vool. Sel ajal saavutab võimsuse hajumine kõrged väärtused. See periood on lühike, võtmel pole aega oluliselt soojeneda. Kuid sageduse kasvades on selliseid ajavahemikke ajaühiku kohta rohkem ja soojuskadu suureneb. Seetõttu on võtmete ehitamisel oluline kasutada kiiretoimelisi elemente.
4. Kontrollimisel mootorist sagedus peab olema üle inimesele kuuldava vahemiku – 25 kHz ja üle selle. Sest madalamatel PWM-sagedustel tekib ebameeldiv vile.

Need nõuded on sageli üksteisega vastuolus, nii et sageduse valik on mõnel juhul kompromissi otsimine.

Modulatsiooni suurust iseloomustab töötsükkel. Kuna pulsi kordussagedus on konstantne, on ka perioodi kestus konstantne (T=1/f). Periood koosneb impulssist ja pausist, mille kestus on vastavalt t_imp ja t_paus, kus t_imp+t_paus=Т. Suhe on impulsi kestuse ja perioodi suhe - S=t_imp/T.Kuid praktikas osutus mugavam kasutada pöördväärtust - täitetegurit: D=1/S=T/t_imp.. Veelgi mugavam on väljendada täitetegurit protsentides.

Mis vahe on PWM-il ja PWM-il?

Välismaises tehnikakirjanduses ei tehta vahet impulsi laiuse modulatsioonil ja impulsi laiuse juhtimisel (PWM). Vene eksperdid püüavad neil mõistetel vahet teha. Tegelikult on PWM teatud tüüpi modulatsioon, st kandesignaali muutus teise, moduleeriva signaali toimel. Kandesignaal toimib teabe kandjana ja moduleeriv signaal määrab selle teabe. Ja impulsi laiuse juhtimine on koormusrežiimi reguleerimine PWM-i abil.

PWM-i põhjused ja rakendused

Kasutatakse impulsi laiuse modulatsiooni põhimõtet Võimsate asünkroonmootorite kiiruse regulaatorid. Sellisel juhul moodustatakse väikese võimsusega siinuslaine generaatoriga reguleeritava sagedusega (ühefaasiline või kolmefaasiline) moduleeriv signaal, mis asetatakse kandjale analoogsel viisil. Väljund on PWM-signaal, mis suunatakse võimsusnõudluse klahvidele. Seejärel saate saadud impulsside jada läbi madalpääsfiltri, näiteks lihtsa RC-ahela, ja eraldada algse sinusoidi. Või saate ilma selleta hakkama - filtreerimine toimub loomulikult mootori inertsi tõttu. Ilmselgelt, mida kõrgem on kandesagedus, seda rohkem on väljundsignaali kuju lähedane algsele sinusoidile.

Tekib loomulik küsimus - miks ei saa näiteks ostsillaatori signaali korraga võimendada? suure võimsusega transistorite kasutamine? Kuna lineaarses režiimis töötav reguleeriv element jaotab võimsuse ümber koormuse ja lüliti vahel. See tähendab, et põhielemendile kulub palju jõudu. Kui seevastu võimas reguleeriv element töötab võtmerežiimis (trinistorid, triacid, RGBT transistorid), jaotub võimsus aja peale.Kaod on palju väiksemad ja efektiivsus palju suurem.

Digitehnoloogias pole impulsi laiuse juhtimisele erilist alternatiivi. Signaali amplituud on seal konstantne ning ainuke võimalus pinget ja voolu muuta on impulsi laiuse kandjat moduleerida ja seejärel keskmistada. Seetõttu kasutatakse PWM-i pinge ja voolu reguleerimiseks nendel objektidel, mis suudavad keskmistada impulsssignaali. Keskmistamine toimub erineval viisil:

1. Koormusinertsi järgi. Seega võimaldab termoelektriliste küttekehade ja hõõglampide termiline inerts impulsside vahelistes pausides juhtobjektidel mitte märgatavalt maha jahtuda.
2. Tajuinertsuse tõttu. LED-il on aega pulsilt impulssile tuhmuda, kuid inimsilm seda ei märka ja tajub seda muutuva intensiivsusega pideva kumana. LED-monitoride heleduse reguleerimine põhineb sellel põhimõttel. Kuid märkamatu vilkumine sagedusega mitusada hertsi on endiselt olemas ja põhjustab silmade väsimust.
3. Mehaanilise inertsi tõttu. Seda omadust kasutatakse alalisvoolu kollektormootorite juhtimiseks. Kui juhtimissagedus on õigesti valitud, ei ole mootoril aega surnud aja pausides seiskuda.

Seetõttu kasutatakse PWM-i seal, kus pinge või voolu keskmine väärtus mängib otsustavat rolli. Lisaks mainitud levinud juhtumitele reguleerib PWM meetod keskmist voolutugevust keevitusmasinates ja akulaadijates jne.

Kui loomulik keskmistamine pole võimalik, võib paljudel juhtudel selle rolli endale võtta juba mainitud madalpääsfilter (LPF) RC-ahela kujul. Praktilistel eesmärkidel sellest piisab, kuid tuleb mõista, et algset signaali PWM-ist LPF-i abil moonutusteta eraldada on võimatu. Lõppude lõpuks sisaldab PWM-spekter lõpmatult palju harmoonilisi, mis paratamatult satuvad filtri ribalaiusesse.Seetõttu ärge looge illusioone taastatud sinusoidi kuju kohta.

RGB LED-i PWM-juhtimine on väga tõhus ja tõhus. Sellel seadmel on kolm p-n-ristmikku - punane, sinine, roheline. Muutes iga kanali heledust eraldi, saate peaaegu igat värvi LED-sära (v.a puhas valge). Võimalused luua PWM-iga valgusefekte on lõputud.

Digitaalse impulsi laiusega moduleeritud signaali levinuim rakendus on koormuse kaudu voolava keskmise voolu või pinge reguleerimine. Kuid võimalik on ka seda tüüpi modulatsiooni mittestandardne kasutamine. Kõik sõltub disaineri kujutlusvõimest.

Seotud artiklid: