Wat is PWM - pulse-width modulation

Modulatie is een niet-lineair elektrisch proces waarbij de parameters van een signaal (draaggolf) worden gewijzigd door een ander signaal (modulerende, informatie). In de communicatietechniek wordt veel gebruik gemaakt van frequentie-, amplitude- en fasemodulatie. In de vermogenselektronica en de microprocessortechnologie wordt steeds vaker gebruik gemaakt van pulsbreedtemodulatie.

Wat is PWM (Pulse Width Modulation)?

Bij pulsbreedtemodulatie blijven de amplitude, frequentie en fase van het oorspronkelijke signaal ongewijzigd. De duur (breedte) van de vierkante puls wordt beïnvloed door het informatiesignaal. In de Engelse technische literatuur wordt het aangeduid met de afkorting PWM - pulse-width modulation.

Werkingsprincipe van PWM

Pulsbreedte gemoduleerd signaal wordt op twee manieren gevormd:

• analoog;
• digitaal.

Bij de analoge PWM-opwekkingsmethode wordt een draaggolfsignaal in de vorm van een zaagtand of driehoekige golfvorm toegevoerd aan de inverterende ingang van de comparatoren het informatiesignaal wordt toegepast op de niet-inverterende ingang van de comparator. Als het momentane draaggolfniveau hoger is dan het modulerende signaal, is de uitgang van de comparator nul, als het lager is, is het één. De uitgang is een discreet signaal met een frequentie die overeenkomt met de frequentie van de drager-driehoek of -zaagtand, en een pulslengte die evenredig is met het modulerende spanningsniveau.

Als voorbeeld wordt de pulsbreedtemodulatie van een driehoekig signaal door een lineair stijgende puls getoond. De duur van de uitgangspulsen is evenredig met het niveau van het uitgangssignaal.

Analoge PWM-regelaars zijn ook verkrijgbaar als kant-en-klare geïntegreerde circuits die een comparator en draaggolfgeneratorcircuits bevatten. Er zijn ingangen voor de aansluiting van externe frequentie-encoderelementen en het informatiesignaal. De uitgang wordt gebruikt om krachtige externe schakelaars aan te sturen. Er zijn ook terugkoppelingangen om de ingestelde regelparameters te handhaven. Dit is bijvoorbeeld het geval met de TL494-chip. PWM-regelaars met interne schakelaars zijn beschikbaar voor toepassingen met een relatief laag verbruikersvermogen. De interne schakelaar van de LM2596 is ontworpen voor stromen tot 3 ampère.

De digitale methode wordt gerealiseerd met behulp van gespecialiseerde chips of microprocessoren. De pulslengte wordt geregeld door een intern programma. Veel microcontrollers, waaronder de populaire PIC en AVR, hebben een on-board module voor hardware PWM implementatie. Om een PWM signaal te krijgen is het nodig om de module te activeren en de werkingsparameters in te stellen. Als er geen dergelijke module is, kan PWM zuiver softwarematig worden geregeld, dat is niet moeilijk. Deze methode biedt meer mogelijkheden en biedt meer vrijheid door het flexibele gebruik van uitgangen, maar vergt meer middelen van de regelaar.

Kenmerken PWM-signaal

De belangrijke kenmerken van het PWM-signaal zijn:

• amplitude (U);
• frequentie (f);
• Activiteitscyclus (S) of vulfactor D.

De amplitude in volt wordt ingesteld overeenkomstig de belasting. Hij moet de nominale voedingsspanning aan de verbruiker garanderen.

De frequentie van het met pulsbreedte gemoduleerde signaal wordt gekozen op grond van de volgende overwegingen:

1. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de regelnauwkeurigheid.
2. De frequentie mag niet lager zijn dan de responstijd van het apparaat dat met PWM wordt geregeld, anders zal er een merkbare rimpel in de geregelde parameter optreden.
3. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de schakelverliezen. Dit is te wijten aan het feit dat de schakeltijd van de sleutel eindig is. In de vergrendelde toestand valt de volledige voedingsspanning over het sleutelelement, maar is er bijna geen stroom. In de open toestand stroomt de volledige belastingsstroom door de toets, maar de spanningsval is klein, omdat de doorlaatweerstand een paar ohm is. In beide gevallen is de vermogensdissipatie te verwaarlozen. De overgang van de ene toestand naar de andere verloopt snel, maar niet ogenblikkelijk. Tijdens het open-dicht-proces valt er een hoge spanning op het gedeeltelijk geopende element en tegelijkertijd vloeit er een aanzienlijke stroom door het element. Gedurende deze tijd bereikt de vermogensdissipatie hoge waarden. Deze periode is kort en de sleutel heeft niet de tijd om flink op te warmen. Maar naarmate de frequentie toeneemt, zijn er meer van dergelijke tijdsintervallen per tijdseenheid en neemt het warmteverlies toe. Daarom is het belangrijk om snelwerkende elementen te gebruiken bij de constructie van sleutels.
4. Bij het besturen van een motoren de frequentie moet buiten het bereik van voor mensen leesbare frequenties liggen - 25kHz en hoger. Dit komt omdat lagere schakelfrequenties hinderlijk fluiten veroorzaken.

Deze eisen staan vaak op gespannen voet met elkaar, zodat de keuze van de frequentie in sommige gevallen een compromis is.

De modulatiewaarde wordt gekarakteriseerd door de duty cycle. Aangezien de pulsherhalingsfrequentie constant is, is de periodeduur ook constant (T=1/f). Een periode bestaat uit een puls en een pauze, die een duur hebben van t_imp en t_pausewaarbij t_imp+t_pause=Т. Ratio is de verhouding tussen pulsduur en periode - S=t_imp/T. Maar in de praktijk bleek het handiger om de omgekeerde waarde te gebruiken - vulfactor: D=1/S=T/t_imp.. Het is nog handiger om de vulfactor uit te drukken als percentage.

Wat is het verschil tussen PWM en PWM

In de buitenlandse technische literatuur wordt geen onderscheid gemaakt tussen pulsbreedtemodulatie en pulsbreedteregeling (PWM). Russische deskundigen proberen deze begrippen te onderscheiden. In feite is PWM een vorm van modulatie, d.w.z. het veranderen van het draaggolfsignaal onder invloed van een ander, modulerend signaal. Het draaggolfsignaal fungeert als informatiedrager en het modulerende signaal bepaalt deze informatie. En pulsbreedtesturing is de regeling van de belastingsmodus door middel van PWM.

Redenen en toepassingen voor PWM

Het principe van pulsbreedtemodulatie wordt gebruikt in Snelheidsregelaars voor krachtige asynchrone motoren. In dit geval wordt een modulerend gecontroleerd frequentiesignaal (eenfasig of driefasig) opgewekt met behulp van een sinusgenerator met laag vermogen en op analoge wijze op de draaggolf gesuperponeerd. De uitgang is een PWM-signaal dat wordt toegevoerd aan de toetsen voor de vermogensvraag. De resulterende pulssequentie kan dan door een laagdoorlaatfilter, b.v. een eenvoudige RC-keten, worden gehaald en de oorspronkelijke sinusgolf kan worden geëxtraheerd. Of u kunt het zonder doen - filteren zal op natuurlijke wijze gebeuren door de traagheid van de motor. Het is duidelijk dat hoe hoger de draaggolffrequentie is, des te dichter de uitgangsgolfvorm bij de oorspronkelijke sinusoïde ligt.

Een natuurlijke vraag rijst - waarom kan het oscillatorsignaal niet in één keer worden versterkt, bijvoorbeeld, met behulp van hoog-vermogen transistors? Omdat het regelelement, dat in de lineaire modus werkt, het vermogen tussen de belasting en de schakelaar zal herverdelen. Hierdoor wordt veel stroom verspild aan het sleutelelement. Indien daarentegen een regelelement met hoog vermogen in de sleutelstand werkt (trinistor, triac, RGBT-transistor), wordt het vermogen in de tijd gespreid. De verliezen zullen veel lager zijn en het rendement veel hoger.

In de digitale technologie is er geen bijzonder alternatief voor pulsbreedteregeling. De signaalamplitude is daar constant, spanning en stroom kunnen alleen worden veranderd door de draaggolfpulsbreedte te moduleren en vervolgens te middelen. Daarom wordt PWM gebruikt voor spannings- en stroomregeling in toepassingen waarbij het pulssignaal kan worden gemiddeld. Middeling wordt op verschillende manieren bereikt:

1. Door de inertie van de lading. De thermische traagheid van thermo-elektrische verwarmingselementen en gloeilampen betekent bijvoorbeeld dat de regelobjecten tussen de pulsen niet merkbaar afkoelen.
2. Door de traagheid van de waarneming. Een LED licht op van puls tot puls, maar het menselijk oog merkt dit niet op en neemt het waar als een constante gloed met variërende intensiteit. Dit principe wordt gebruikt om de helderheid van LED-punten te regelen. Maar een paar honderd hertz van onmerkbaar knipperen is nog steeds aanwezig en veroorzaakt vermoeidheid van de ogen.
3. Als gevolg van mechanische traagheid. Deze eigenschap wordt gebruikt in DC collectormotorbesturing. Met de juiste regelfrequentie heeft de motor geen tijd om af te slaan in de dode-tijdpauzes.

Daarom wordt PWM gebruikt waarbij de gemiddelde spannings- of stroomwaarde een doorslaggevende rol speelt. Naast de hierboven genoemde veel voorkomende gevallen regelt de PWM-methode de gemiddelde stroom in lasmachines en acculaders, enz.

Als natuurlijke middeling niet mogelijk is, kan deze rol in veel gevallen worden vervuld door het reeds genoemde laagdoorlaatfilter (LPF) in de vorm van een RC-keten. Voor praktische doeleinden is dit voldoende, maar men moet begrijpen dat het onmogelijk is om met een LPF het originele signaal zonder vervorming te scheiden van het PWM. Het PWM-spectrum bevat immers een oneindig groot aantal harmonischen, die onvermijdelijk in de filterbandbreedte zullen vallen. Maak je dus geen illusies over de vorm van de gereconstrueerde sinusgolf.

PWM-sturing van een RGB-LED is zeer effectief en efficiënt. Dit apparaat heeft drie p-n-overgangen - rood, blauw en groen. Door de helderheid van elk kanaal afzonderlijk te variëren, kan bijna elke LED-kleur (behalve zuiver wit) worden bereikt. De mogelijkheden om verlichtingseffecten te creëren met PWM zijn eindeloos.

De meest gebruikelijke toepassing van een PWM-gemoduleerd digitaal signaal is het regelen van de gemiddelde stroom of spanning die door een belasting vloeit. Maar het is ook mogelijk om dit type modulatie op onconventionele manieren te gebruiken. Het hangt allemaal af van de verbeelding van de ontwerper.

Verwante artikelen: