Čo je PWM - pulzno-šírková modulácia

Modulácia je nelineárny elektrický proces, pri ktorom sa parametre jedného signálu (nosného) menia iným signálom (modulačným, informačným). V komunikačnej technike sa široko používa frekvenčná, amplitúdová a fázová modulácia. Vo výkonovej elektronike a mikroprocesorovej technike sa čoraz častejšie používa pulzno-šírková modulácia.

Čo je PWM (pulzno-šírková modulácia)?

Pri šírkovo-pulznej modulácii zostávajú amplitúda, frekvencia a fáza pôvodného signálu nezmenené. Trvanie (šírka) štvorcového impulzu je ovplyvnené informačným signálom. V anglickej technickej literatúre sa označuje skratkou PWM - pulse-width modulation.

Princíp fungovania PWM

Šírkovo modulovaný signál sa vytvára dvoma spôsobmi:

• analógové;
• digitálne.

Pri analógovej metóde generovania PWM sa nosný signál v podobe pílového alebo trojuholníkového tvaru vlny privádza do invertujúceho vstup komparátoraa informačný signál sa privádza na neinvertujúci vstup komparátora. Ak je okamžitá úroveň nosnej vyššia ako modulačný signál, výstup komparátora je nula, ak je nižšia, je to jednotka. Výstupom je diskrétny signál s frekvenciou zodpovedajúcou frekvencii nosného trojuholníka alebo píly a dĺžkou impulzu úmernou úrovni modulačného napätia.

Ako príklad je uvedená šírková modulácia trojuholníkového signálu lineárnym vzostupným impulzom. Trvanie výstupných impulzov je úmerné úrovni výstupného signálu.

Analógové regulátory PWM sú k dispozícii aj ako hotové integrované obvody, ktoré obsahujú komparátor a obvody na generovanie nosnej. K dispozícii sú vstupy na pripojenie externých prvkov frekvenčného snímača a informačného signálu. Výstup sa používa na riadenie výkonných externých spínačov. K dispozícii sú aj vstupy spätnej väzby na udržiavanie nastavených parametrov riadenia. To je napríklad prípad čipu TL494. Pre aplikácie s relatívne nízkou spotrebou energie sú k dispozícii regulátory PWM s internými spínačmi. Vnútorný spínač LM2596 je navrhnutý pre prúdy do 3 ampérov.

Digitálna metóda sa realizuje pomocou špecializovaných čipov alebo mikroprocesorov. Dĺžka impulzu je riadená interným programom. Mnohé mikrokontroléry vrátane populárnych PIC a AVR majú zabudovaný modul na hardvérovú implementáciu PWM. Na získanie PWM signálu je potrebné aktivovať modul a nastaviť jeho prevádzkové parametre. Ak takýto modul neexistuje, PWM sa dá zariadiť čisto softvérovou metódou, nie je to ťažké. Táto metóda dáva viac možností a poskytuje väčšiu voľnosť vďaka flexibilnému využívaniu výstupov, ale vyžaduje viac zdrojov regulátora.

Charakteristika signálu PWM

Dôležité charakteristiky signálu PWM sú:

• amplitúda (U);
• frekvencia (f);
• Pracovný cyklus (S) alebo faktor naplnenia D.

Amplitúda vo voltoch sa nastavuje podľa zaťaženia. Musí zabezpečiť menovité napájacie napätie pre spotrebiteľa.

Frekvencia pulzno-šírkovo modulovaného signálu sa volí na základe nasledujúcich úvah:

1. Čím vyššia je frekvencia, tým vyššia je presnosť regulácie.
2. Frekvencia nesmie byť nižšia ako čas odozvy zariadenia riadeného pomocou PWM, inak by došlo k výraznému zvlneniu riadeného parametra.
3. Čím vyššia je frekvencia, tým vyššie sú spínacie straty. Je to spôsobené tým, že čas prepnutia kľúča je konečný. V zapnutom stave na kľúčový prvok dopadá celé napájacie napätie, ale netečie ním takmer žiadny prúd. V otvorenom stave preteká kľúčom plný záťažový prúd, ale úbytok napätia je malý, pretože priepustný odpor je niekoľko ohmov. V oboch prípadoch je rozptyl energie zanedbateľný. Prechod z jedného stavu do druhého je rýchly, ale nie okamžitý. Počas procesu otvárania a zatvárania klesá na čiastočne otvorenom prvku vysoké napätie a zároveň prvkom preteká značný prúd. Počas tohto obdobia dosahuje rozptyl energie vysoké hodnoty. Toto obdobie je krátke a kľúč sa nestihne výrazne zahriať. Ale s rastúcou frekvenciou je takýchto časových intervalov za jednotku času viac a tepelné straty sa zvyšujú. Preto je dôležité pri konštrukcii kľúčov používať rýchlo pôsobiace prvky.
4. Pri ovládaní motory frekvencia musí byť vyvedená z rozsahu ľudsky čitateľných frekvencií - 25 kHz a viac. Nižšia spínacia frekvencia totiž spôsobuje nepríjemný pískavý zvuk.

Tieto požiadavky sú často vo vzájomnom rozpore, takže výber frekvencie je v niektorých prípadoch kompromisom.

Hodnota modulácie je charakterizovaná pracovným cyklom. Keďže frekvencia opakovania impulzov je konštantná, trvanie periódy je tiež konštantné (T=1/f). Perióda sa skladá z impulzu a pauzy, ktoré majú trvanie t_imp a t_pauza, kde t_imp+t_pauza=Т. Pomer je pomer trvania impulzu k perióde - S=t_imp/T. V praxi sa však ukázalo, že je výhodnejšie použiť inverznú hodnotu - faktor naplnenia: D=1/S=T/t_imp.. Ešte výhodnejšie je vyjadriť faktor naplnenia v percentách.

Aký je rozdiel medzi PWM a PWM

V zahraničnej odbornej literatúre sa nerozlišuje medzi šírkovo-pulznou moduláciou a šírkovo-pulzným riadením (PWM). Ruskí odborníci sa snažia tieto pojmy rozlíšiť. PWM je vlastne typ modulácie, t. j. zmena nosného signálu pod vplyvom iného, modulačného signálu. Nosný signál funguje ako nosný a modulačný signál nastavuje informácie. A regulácia šírky impulzu je regulácia záťažového režimu pomocou PWM.

Dôvody a aplikácie PWM

Princíp pulzno-šírkovej modulácie sa používa v Regulácia otáčok pre výkonné indukčné motory. V tomto prípade sa modulačný signál s premenlivou frekvenciou (jednofázový alebo trojfázový) generuje pomocou generátora sínusových vĺn s nízkym výkonom a analógovo sa superponuje na nosnú. Výstupom je signál PWM, ktorý je privádzaný do tlačidiel dopytu po výkone. Výslednú sekvenciu impulzov možno potom previesť cez dolnopriepustný filter, napr. jednoduchý RC reťazec, a získať pôvodnú sínusovú vlnu. Alebo sa môžete zaobísť aj bez neho - filtrácia bude prebiehať prirodzene vďaka zotrvačnosti motora. Je zrejmé, že čím vyššia je nosná frekvencia, tým viac sa výstupný priebeh približuje pôvodnej sínusoide.

Vyvstáva prirodzená otázka - prečo sa napríklad signál oscilátora nemôže zosilniť naraz, použitie vysokovýkonných tranzistorov? Pretože regulačný prvok pracujúci v lineárnom režime prerozdelí výkon medzi záťaž a spínač. To spôsobí, že sa na kľúčový prvok minie veľa energie. Na druhej strane, ak regulačný prvok s vysokým výkonom pracuje v kľúčovom režime (trinistor, triak, tranzistor RGBT), výkon sa rozloží v čase. Straty budú oveľa nižšie a účinnosť bude oveľa vyššia.

V digitálnej technológii neexistuje žiadna osobitná alternatíva k širokopásmovému riadeniu impulzov. Amplitúda signálu je tu konštantná, napätie a prúd sa dajú meniť len moduláciou šírky nosného impulzu a jeho následným spriemerovaním. Preto sa PWM používa na reguláciu napätia a prúdu v aplikáciách, ktoré môžu spriemerovať impulzný signál. Priemerovanie sa vykonáva rôznymi spôsobmi:

1. Zotrvačnosťou zaťaženia. Napríklad tepelná zotrvačnosť termoelektrických ohrievačov a žiaroviek umožňuje, aby regulované objekty v prestávkach medzi impulzmi výrazne nevychladli.
2. Z dôvodu zotrvačnosti vnímania. LED dióda sa rozsvecuje od impulzu k impulzu, ale ľudské oko to nevníma a vníma to ako konštantnú žiaru s rôznou intenzitou. Tento princíp sa používa na riadenie jasu LED bodov. Niekoľko stoviek hertzov nepostrehnuteľného blikania je však stále prítomných a spôsobuje únavu očí.
3. V dôsledku mechanickej zotrvačnosti. Táto vlastnosť sa využíva pri riadení jednosmerných kolektorových motorov. Pri správnej frekvencii regulácie nemá motor čas na zastavenie v mŕtvych časových pauzách.

Preto sa PWM používa tam, kde rozhodujúcu úlohu zohráva priemerná hodnota napätia alebo prúdu. Okrem vyššie uvedených bežných prípadov sa metódou PWM reguluje priemerný prúd vo zváračkách, nabíjačkách batérií atď.

Ak nie je možné prirodzené priemerovanie, v mnohých prípadoch môže túto úlohu prevziať už spomínaný dolnopriepustný filter (LPF) vo forme RC-reťazca. Na praktické účely to stačí, ale treba si uvedomiť, že pôvodný signál nie je možné oddeliť od PWM pomocou LPF bez skreslenia. Spektrum PWM totiž obsahuje nekonečne veľký počet harmonických, ktoré nevyhnutne spadajú do šírky pásma filtra. Preto si nerobte ilúzie o tvare rekonštruovanej sínusoidy.

PWM riadenie RGB LED je veľmi efektívne a účinné. Toto zariadenie má tri p-n prechody - červený, modrý a zelený. Zmenou jasu každého kanála zvlášť možno dosiahnuť takmer akúkoľvek farbu LED (okrem čisto bielej). Možnosti vytvárania svetelných efektov pomocou PWM sú nekonečné.

Najbežnejšou aplikáciou digitálneho pulzno-šírkovo modulovaného signálu je riadenie priemerného prúdu alebo napätia pretekajúceho záťažou. Tento typ modulácie je však možné použiť aj netradičným spôsobom. Všetko závisí od predstavivosti dizajnéra.

Súvisiace články: