Kas ir PWM - impulsa platuma modulācija

Modulācija ir nelineārs elektriskais process, kurā viena signāla (nesēja) parametrus maina cits signāls (modulējošais, informācija). Sakaru tehnikā plaši izmanto frekvences, amplitūdas un fāzes modulāciju. Jaudas elektronikā un mikroprocesoru tehnoloģijā arvien izplatītāka kļūst impulsa platuma modulācija.

Kas ir PWM (impulsa platuma modulācija)?

Impulsa platuma modulācijas gadījumā sākotnējā signāla amplitūda, frekvence un fāze paliek nemainīga. Kvadrātveida impulsa ilgumu (platumu) ietekmē informācijas signāls. Angļu tehniskajā literatūrā to apzīmē ar saīsinājumu PWM - impulsa platuma modulācija.

PWM darbības princips

Impulsa platuma modulētu signālu veido divējādi:

• analogs;
• digitālā formātā.

Izmantojot analogo PWM ģenerēšanas metodi, nesošais signāls zāģa zoba vai trīsstūra viļņa formā tiek padots uz invertoru. komparatora ieejaun informācijas signāls tiek pieslēgts komparatora neinvertizējošajai ieejai. Ja momentānās nesošās līnijas līmenis ir augstāks par modulācijas signālu, komparatora izejas vērtība ir nulle, ja zemāka - vienāds ar nulli. Izvads ir diskrēts signāls ar frekvenci, kas atbilst nesošā trīsstūra vai zāģzoba frekvencei, un impulsa garumu, kas ir proporcionāls modulējošā sprieguma līmenim.

Kā piemērs ir parādīta trīsstūra signāla impulsa platuma modulācija ar lineāru augšupejošu impulsu. Izvades impulsu ilgums ir proporcionāls izejas signāla līmenim.

Analogie PWM kontrolieri ir pieejami arī kā gatavas integrālās shēmas, kas satur komparatoru un nesējējas ģenerēšanas shēmas. Ir ieejas ārējo frekvences kodēšanas elementu un informācijas signāla pieslēgšanai. Izeja tiek izmantota, lai darbinātu jaudīgus ārējos slēdžus. Ir arī atgriezeniskās saites ieejas, lai uzturētu iestatītos vadības parametrus. Tā tas ir, piemēram, TL494 mikroshēmas gadījumā. PWM kontrolieri ar iekšējiem slēdžiem ir pieejami lietojumiem ar relatīvi mazu patēriņa jaudu. LM2596 iekšējais slēdzis ir paredzēts strāvām līdz 3 ampēriem.

Digitālā metode tiek izmantota, izmantojot specializētas mikroshēmas jeb mikroprocesorus. Impulsa garumu kontrolē iekšējā programma. Daudziem mikrokontrolieriem, tostarp populārajiem PIC un AVR, ir iebūvēts modulis PWM aparatūras īstenošanai. Lai iegūtu PWM signālu, ir nepieciešams aktivizēt moduli un iestatīt tā darbības parametrus. Ja šāda moduļa nav, PWM var organizēt tikai ar programmatūras metodi, tas nav grūti. Šī metode sniedz vairāk iespēju un nodrošina lielāku brīvību, jo elastīgi izmanto izejas, taču tā ir saistīta ar lielākiem kontroliera resursiem.

PWM signāla raksturlielumi

Svarīgākie PWM signāla raksturlielumi ir šādi:

• amplitūda (U);
• frekvence (f);
• Darba cikls (S) vai piepildījuma koeficients D.

Amplitūda voltos tiek iestatīta atkarībā no slodzes. Tam jānodrošina nominālais barošanas spriegums patērētājam.

Impulsa platuma modulētā signāla frekvenci izvēlas, ņemot vērā šādus apsvērumus:

1. Jo augstāka frekvence, jo augstāka regulēšanas precizitāte.
2. Frekvence nedrīkst būt mazāka par PWM vadāmās ierīces reakcijas laiku, pretējā gadījumā būs jūtamas kontrolējamā parametra pulsācijas.
3. Jo augstāka frekvence, jo lielāki komutācijas zudumi. Tas ir saistīts ar to, ka atslēgas pārslēgšanās laiks ir galīgs. Aizvērtā stāvoklī viss barošanas spriegums krīt pāri atslēgas elementam, bet strāvas gandrīz nav. Atvērtā stāvoklī caur atslēgu plūst pilna slodzes strāva, bet sprieguma kritums ir neliels, jo caurlaides pretestība ir daži omi. Abos gadījumos izkliedētā jauda ir niecīga. Pāreja no viena stāvokļa uz otru notiek ātri, bet ne uzreiz. Atvēršanas-aizvēršanas procesa laikā uz daļēji atvērta elementa krīt augsts spriegums, un tajā pašā laikā caur elementu plūst liela strāva. Šajā laikā izkliedētā jauda sasniedz augstas vērtības. Šis periods ir īss, un atslēgai nav laika ievērojami sakarst. Taču, palielinoties frekvencei, šādu laika intervālu laika vienībā ir vairāk, un siltuma zudumi palielinās. Tāpēc ir svarīgi atslēgu izgatavošanā izmantot ātri reaģējošus elementus.
4. Kontrolējot motori frekvencei jābūt ārpus cilvēkam uztveramo frekvenču diapazona - 25 kHz un vairāk. Tas ir tāpēc, ka zemāka pārslēgšanās frekvence rada nepatīkamu svilpojošu troksni.

Šīs prasības bieži vien ir pretrunā viena otrai, tāpēc frekvences izvēle dažos gadījumos ir kompromisa risinājums.

Modulācijas vērtību raksturo darba cikls. Tā kā impulsu atkārtošanās ātrums ir konstants, arī perioda ilgums ir konstants (T=1/f). Periods sastāv no impulsa un pauzes, kuru ilgums ir t_imp un t_pauze, kur t_imp+t_pauze=Т. Attiecība ir impulsa ilguma attiecība pret periodu - S=t_imp/T. Taču praksē izrādījās, ka ērtāk ir izmantot apgriezto vērtību - aizpildījuma koeficientu: D=1/S=T/t._imp.. Vēl ērtāk ir izteikt piepildījuma koeficientu procentos.

Kāda ir atšķirība starp PWM un PWM

Ārvalstu tehniskajā literatūrā nav atšķirības starp impulsa platuma modulāciju un impulsa platuma vadību (PWM). Krievijas eksperti cenšas šos jēdzienus nošķirt. Faktiski PWM ir modulācijas veids, t. i., nesošā signāla maiņa cita modulējošā signāla ietekmē. Nesošais signāls darbojas kā nesējs, un modulācijas signāls nosaka informāciju. Savukārt impulsa platuma vadība ir slodzes režīma regulēšana ar PWM.

PWM iemesli un pielietojums

Impulsa platuma modulācijas principu izmanto Ātruma regulēšana lieljaudas indukcijas motoriem. Šajā gadījumā modulējošo mainīgās frekvences signālu (vienfāzes vai trīsfāzes) ģenerē, izmantojot mazjaudas sinusoidālo viļņu ģeneratoru, un analogā veidā uzliek uz nesējjoslas. Izvads ir PWM signāls, kas tiek padots jaudas pieprasījuma taustiņiem. Pēc tam iegūto impulsu secību var izlaist caur zemfrekvences filtru, piemēram, vienkāršu RC ķēdi, un izolēt sākotnējo sinusoidālo viļņu. Vai arī varat iztikt bez tā - filtrēšana notiks dabiski motora inerces dēļ. Acīmredzot, jo augstāka ir nesošā frekvence, jo vairāk izejas viļņu forma ir tuva sākotnējai sinusoīdai.

Rodas likumsakarīgs jautājums - kāpēc, piemēram, oscilatora signālu nevar pastiprināt uzreiz, izmantojot lieljaudas tranzistorus? Jo regulēšanas elements, kas darbojas lineārā režīmā, pārdalīs jaudu starp slodzi un slēdzi. Tādējādi galvenajam elementam tiek izšķiests daudz enerģijas. Ja, no otras puses, jaudīgs regulēšanas elements darbojas atslēgas režīmā (trinistors, triaks, RGBT tranzistors), jauda tiek sadalīta laikā. Zaudējumi būs daudz mazāki, un efektivitāte būs daudz augstāka.

Digitālajā tehnoloģijā nav īpašas alternatīvas impulsa platuma kontrolei. Signāla amplitūda tajā ir konstanta, spriegumu un strāvu var mainīt, tikai modulējot nesošā impulsa platumu un pēc tam to vidējo vērtību. Tāpēc PWM tiek izmantota sprieguma un strāvas kontrolei lietojumos, kuros var vidēji noteikt impulsu signālu. Vidējo vērtību var iegūt dažādos veidos:

1. pateicoties slodzes inercei. Piemēram, termoelektrisko sildītāju un kvēlspuldžu termiskā inerce nozīmē, ka vadības objekti starp impulsiem ievērojami neatdziest.
2. Uztveres inerces dēļ. LED iedegas no impulsa līdz impulsam, bet cilvēka acs to nepamana un uztver kā pastāvīgu spīdumu ar mainīgu intensitāti. Šis princips tiek izmantots, lai kontrolētu LED punktu spilgtumu. Taču daži simti hercu nemanāmas mirgošanas joprojām ir jūtamas un izraisa acu nogurumu.
3. Mehāniskās inerces dēļ. Šo īpašību izmanto līdzstrāvas kolektora motora vadībā. Ar pareizu vadības frekvenci motoram nav laika apstāties mirušā laika pauzēs.

Tāpēc PWM tiek izmantota, ja vidējai sprieguma vai strāvas vērtībai ir izšķiroša nozīme. Papildus iepriekš minētajiem parastajiem gadījumiem ar PWM metodi regulē vidējo strāvu metināšanas iekārtās, akumulatoru lādētājos utt.

Ja nav iespējama dabiskā vidējā caurmēra noteikšana, daudzos gadījumos šo lomu var uzņemties jau minētais zemfrekvences filtrs (LPF) RC ķēdes formā. Praktiskiem mērķiem ar to pietiek, taču jāsaprot, ka ar LPF nav iespējams atdalīt sākotnējo signālu no PWM bez izkropļojumiem. Galu galā PWM spektrs satur bezgalīgi lielu skaitu harmoniku, kas neizbēgami nonāks filtra joslas platumā. Tāpēc nevajag lolot ilūzijas par rekonstruētā sinusoidālā viļņa formu.

RGB LED vadība ar PWM ir ļoti efektīva un efektīva. Šai ierīcei ir trīs p-n savienojumi - sarkans, zils un zaļš. Katra kanāla spilgtumu variējot atsevišķi, var iegūt gandrīz jebkuru LED krāsu (izņemot tīri baltu). Iespējas radīt gaismas efektus ar PWM ir bezgalīgas.

Visizplatītākais ciparu impulsa platuma modulācijas signāla pielietojums ir vidējās strāvas vai sprieguma, kas plūst caur slodzi, kontrole. Taču šāda veida modulāciju ir iespējams izmantot arī netradicionālos veidos. Viss ir atkarīgs no dizainera iztēles.

Saistītie raksti: