Mi a PWM - impulzusszélesség-moduláció

A moduláció olyan nemlineáris elektromos folyamat, amelyben egy jel (vivőjel) paramétereit egy másik jel (moduláló, információ) megváltoztatja. A híradástechnikában széles körben használják a frekvencia-, amplitúdó- és fázismodulációt. A teljesítményelektronikában és a mikroprocesszor-technológiában egyre elterjedtebb az impulzusszélesség-moduláció.

Mi a PWM (impulzusszélesség-moduláció)?

Impulzusszélesség-moduláció esetén az eredeti jel amplitúdója, frekvenciája és fázisa változatlan marad. A négyzetimpulzus időtartamát (szélességét) az információs jel befolyásolja. Az angol nyelvű szakirodalomban a PWM - pulse-width modulation (impulzusszélesség-moduláció) rövidítéssel jelölik.

A PWM működési elve

Az impulzusszélesség-modulált jel kétféleképpen alakul ki:

• analóg;
• digitális.

Az analóg PWM generálási módszerben egy fűrészfog vagy háromszög alakú vivőjelet táplálnak az invertáló áramkörbe. a komparátor bemeneteés az információs jelet a komparátor nem invertáló bemenetére adjuk. Ha a pillanatnyi vivőszint magasabb, mint a moduláló jel, a komparátor kimenete nulla, ha alacsonyabb, akkor egy. A kimenet egy diszkrét jel, amelynek frekvenciája a vivő háromszög vagy fűrészfog frekvenciájának felel meg, és impulzushossza a moduláló feszültségszinthez arányos.

Példaként egy háromszögjel lineárisan emelkedő impulzussal történő impulzusszélesség-modulációja látható. A kimeneti impulzusok időtartama arányos a kimeneti jel szintjével.

Analóg PWM-vezérlők is kaphatók kész integrált áramkörökként, amelyek komparátort és vivőgeneráló áramkört tartalmaznak. Vannak bemenetek a külső frekvenciakódoló elemek és az információs jel csatlakoztatására. A kimenet nagy teljesítményű külső kapcsolók meghajtására szolgál. A beállított vezérlési paraméterek fenntartásához visszajelző bemenetek is rendelkezésre állnak. Ez a helyzet például a TL494 chip esetében. A belső kapcsolókkal ellátott PWM-vezérlők viszonylag kis fogyasztási teljesítményű alkalmazásokhoz állnak rendelkezésre. Az LM2596 belső kapcsolóját 3 amperig terjedő áramokra tervezték.

A digitális módszer speciális chipek vagy mikroprocesszorok segítségével valósul meg. Az impulzus hosszát egy belső program vezérli. Sok mikrokontroller, köztük a népszerű PIC és AVR, rendelkezik a hardveres PWM megvalósításához szükséges beépített modullal. A PWM jel megszerzéséhez aktiválni kell a modult és be kell állítani a működési paramétereit. Ha nincs ilyen modul, a PWM pusztán szoftveres módszerrel is megoldható, ez nem nehéz. Ez a módszer több lehetőséget és nagyobb szabadságot biztosít a kimenetek rugalmas felhasználása miatt, de több erőforrást igényel a vezérlő számára.

PWM jel jellemzői

A PWM jel fontos jellemzői a következők:

• amplitúdó (U);
• frekvencia (f);
• Üzemidő (S) vagy kitöltési tényező D.

Az amplitúdó a terhelésnek megfelelően van beállítva. Biztosítania kell a névleges tápfeszültséget a fogyasztó számára.

Az impulzusszélesség-modulált jel frekvenciáját a következő megfontolások alapján választjuk ki:

1. Minél magasabb a frekvencia, annál nagyobb a szabályozási pontosság.
2. A frekvencia nem lehet alacsonyabb, mint a PWM-mel vezérelt eszköz válaszideje, különben észrevehető hullámzás lesz a vezérelt paraméterben.
3. Minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobbak a kapcsolási veszteségek. Ez annak köszönhető, hogy a kulcs kapcsolási ideje véges. A reteszelt állapotban a teljes tápfeszültség átesik a kulcselemen, de szinte nincs áram. Nyitott állapotban a teljes terhelési áram átfolyik a kulcson, de a feszültségesés kicsi, mert az átmenő ellenállás néhány ohm. Mindkét esetben a teljesítményveszteség elhanyagolható. Az egyik állapotból a másikba való átmenet gyors, de nem azonnali. A nyitási-zárási folyamat során a részben nyitott elemen nagy feszültség esik le, és ezzel egyidejűleg jelentős áram folyik át az elemen. Ez alatt az idő alatt a disszipáció nagy értékeket ér el. Ez az időszak rövid, és a kulcsnak nincs ideje jelentősen felmelegedni. A frekvencia növekedésével azonban több ilyen időintervallum van egységnyi idő alatt, és a hőveszteség növekszik. Ezért fontos, hogy a kulcsok kialakításánál gyorsan ható elemeket használjunk.
4. Amikor egy motorok a frekvenciát ki kell vezetni az ember által olvasható frekvenciák tartományából - 25 kHz és afölött. Ennek oka, hogy az alacsonyabb kapcsolási frekvenciák idegesítő sípoló hangokat okoznak.

Ezek a követelmények gyakran ellentétesek egymással, ezért a frekvenciaválasztás bizonyos esetekben kompromisszumot jelent.

A modulációs értéket a munkaszünet jellemzi. Mivel az impulzusismétlési frekvencia állandó, a periódus időtartama is állandó (T=1/f). Egy periódus egy impulzusból és egy szünetből áll, amelyek időtartama t_imp és t_szünet, ahol t_imp+t_szünet=Т. Az arány az impulzus időtartamának és a periódusnak az aránya - S=t_imp/T. A gyakorlatban azonban kiderült, hogy kényelmesebb a fordított értéket - kitöltési tényező: D=1/S=T/t - használni._imp.. Még kényelmesebb a kitöltési tényezőt százalékban kifejezni.

Mi a különbség a PWM és a PWM között?

A külföldi szakirodalomban nem tesznek különbséget az impulzusszélesség-moduláció és az impulzusszélesség-szabályozás (PWM) között. Az orosz szakértők megpróbálják megkülönböztetni ezeket a fogalmakat. A PWM valójában egyfajta moduláció, azaz a vivőjel módosítása egy másik, moduláló jel hatására. A vivőjel vivőjelként működik, a moduláló jel pedig beállítja az információt. Az impulzusszélesség-szabályozás pedig a terhelési üzemmód szabályozása PWM segítségével.

A PWM okai és alkalmazásai

Az impulzusszélesség-moduláció elvét a következőkben alkalmazzák Nagy teljesítményű indukciós motorok fordulatszám-szabályozása. Ebben az esetben egy moduláló változó frekvenciájú (egyfázisú vagy háromfázisú) jelet állítanak elő egy kis teljesítményű szinuszgenerátorral, és analóg módon a vivőre helyezik. A kimenet egy PWM jel, amelyet a teljesítményigénylő billentyűkre táplálnak. Az így kapott impulzussorozat ezután egy aluláteresztő szűrőn, pl. egy egyszerű RC-láncon átvezethető, és az eredeti szinuszhullám izolálható. Vagy megteheti anélkül is - a szűrés a motor tehetetlensége miatt természetes módon fog bekövetkezni. Nyilvánvaló, hogy minél magasabb a vivőfrekvencia, annál inkább közel áll a kimeneti hullámforma az eredeti szinuszhoz.

Felmerül a természetes kérdés - miért nem lehet például az oszcillátor jelét egyszerre erősíteni, nagy teljesítményű tranzisztorok használata? Mivel a lineáris üzemmódban működő szabályozó elem újraosztja a teljesítményt a terhelés és a kapcsoló között. Ez azt eredményezi, hogy sok energiát pazarolnak el a kulcselemre. Ha viszont egy nagy teljesítményű szabályozó elem (trinisztor, triac, RGBT tranzisztor) kulcsos üzemmódban működik, akkor a teljesítmény időben eloszlik. A veszteségek sokkal kisebbek lesznek, és a hatékonyság sokkal nagyobb lesz.

A digitális technológiában nincs különösebb alternatívája az impulzusszélesség-szabályozásnak. A jel amplitúdója itt állandó, a feszültség és az áram csak a vivőimpulzus szélességének modulálásával és az azt követő átlagolással változtatható. Ezért a PWM-et feszültség- és áramszabályozásra használják olyan alkalmazásokban, amelyek képesek az impulzusjel átlagolására. Az átlagolás többféleképpen valósul meg:

1. A terhelés tehetetlensége révén. Például a termoelektromos fűtőtestek és az izzólámpák hőtehetetlensége lehetővé teszi, hogy a szabályozott tárgyak az impulzusok közötti szünetekben ne hűljenek le észrevehetően.
2. A felfogás tehetetlensége miatt. A LED impulzusról impulzusra világít, de az emberi szem ezt nem veszi észre, és állandó, változó intenzitású izzásnak érzékeli. Ezt az elvet a LED pontok fényerejének szabályozására használják. De a néhány száz hertzes, észrevehetetlen villogás még mindig jelen van, és szemfáradtságot okoz.
3. A mechanikai tehetetlenség miatt. Ezt a tulajdonságot az egyenáramú kollektormotorok vezérlésénél használják. A megfelelő vezérlési frekvenciával a motornak nincs ideje leállni a holtidő szüneteiben.

Ezért PWM-et használnak, ahol az átlagos feszültség- vagy áramérték döntő szerepet játszik. A fent említett gyakori eseteken kívül a PWM-módszer a hegesztőgépek, akkumulátortöltők stb. átlagos áramát is szabályozza.

Ha a természetes átlagolás nem lehetséges, sok esetben ezt a szerepet a már említett aluláteresztő szűrő (LPF) RC-lánc formájában. Gyakorlati célokra ez elegendő, de meg kell érteni, hogy az eredeti jelet nem lehet torzítás nélkül elválasztani a PWM-től egy LPF segítségével. Végül is a PWM spektrum végtelenül sok felharmonikust tartalmaz, amelyek elkerülhetetlenül a szűrő sávszélességébe esnek. Ne legyenek tehát illúzióink a rekonstruált szinusz alakját illetően.

Az RGB LED PWM vezérlése nagyon hatékony és eredményes. Ez az eszköz három p-n csomóponttal rendelkezik - piros, kék és zöld. Az egyes csatornák fényerejének külön-külön történő változtatásával szinte bármilyen LED-szín (kivéve a tiszta fehéret) elérhető. A PWM segítségével a fényhatások létrehozásának lehetőségei végtelenek.

A PWM-modulált digitális jel leggyakoribb alkalmazása a terhelésen átfolyó átlagos áram vagy feszültség szabályozása. De az is lehetséges, hogy ezt a fajta modulációt nem szokványos módon használják. Minden a tervező fantáziáján múlik.

Kapcsolódó cikkek: