Kaj je PWM - impulzno-širinska modulacija

Modulacija je nelinearni električni proces, pri katerem se parametri enega signala (nosilca) spremenijo z drugim signalom (modulirajočim, informacijskim). Frekvenčna, amplitudna in fazna modulacija se pogosto uporabljajo v komunikacijskem inženirstvu. V močnostni elektroniki in mikroprocesorski tehniki je širinsko impulzna modulacija zelo razširjena.

Kaj je PWM (impulzno-širinska modulacija)

Pri impulzno-širinski modulaciji amplituda, frekvenca in faza izvirnega signala ostanejo nespremenjene. Pod vplivom informacijskega signala se spremeni trajanje (širina) pravokotnega impulza. V angleški strokovni literaturi ga označujemo s kratico PWM - pulse-width modulation.

Načelo delovanja PWM

Impulzno širinsko moduliran signal se oblikuje na dva načina:

• analogni;
• digitalni.

Analogna metoda generiranja signala PWM uporablja žagast ali trikotni nosilni signal pri obračanju vnos primerjalnikainformacijski signal pa se pošlje na neinvertirajoči vhod primerjalnika. Če je trenutna raven nosilca višja od modulacijskega signala, je izhod primerjalnika nič, če je nižji - ena.Izhod je diskretni signal s frekvenco, ki ustreza frekvenci nosilnega trikotnika ali žaginega zoba, in dolžino impulza, ki je sorazmerna z nivojem modulacijske napetosti.

Kot primer je prikazana modulacija širine impulza trikotnega signala z linearno naraščajočim signalom. Trajanje izhodnih impulzov je sorazmerno z nivojem izhodnega signala.

Analogni krmilniki PWM so na voljo tudi kot gotova integrirana vezja, ki vsebujejo primerjalno in vezje za generiranje nosilca. Obstajajo vhodi za povezavo zunanjih elementov frekvenčnega kodirnika in dovajanje informacijskega signala. Iz izhoda se vzame signal, ki krmili močna zunanja stikala. Obstajajo tudi vhodi za povratne informacije - potrebni so za vzdrževanje nastavljenih regulacijskih parametrov. To je na primer čip TL494. Za primere, ko je moč porabnika relativno nizka, so na voljo krmilniki PWM z vgrajenimi tipkami. Za tokove do 3 amperov je zasnovano notranje stikalo čipa LM2596.

Digitalna metoda se izvaja z uporabo specializiranih čipov ali mikroprocesorjev. Dolžina impulza se krmili z internim programom. Številni mikrokrmilniki, vključno s priljubljenima PIC in AVR, imajo vgrajen modul za strojno izvedbo PWM. Za pridobitev PWM signala je potrebno aktivirati modul in nastaviti njegove parametre delovanja. Če takšnega modula ni, lahko PWM organizirate s čisto programsko metodo, ni težko. Ta metoda daje več možnosti in daje več svobode zaradi fleksibilne uporabe izhodov, vendar vključuje več virov krmilnika.

Značilnosti signala PWM

Pomembne značilnosti signala PWM so:

• amplituda (U);
• frekvenca (f);
• Obratovalni cikel (S) ali faktor polnjenja D.

Amplituda v voltih je nastavljena glede na obremenitev. Zagotavljati mora nazivno napajalno napetost porabnika.

Frekvenca širinsko moduliranega signala je izbrana iz naslednjih razlogov:

1. Višja kot je frekvenca, večja je natančnost regulacije.
2. Frekvenca ne sme biti nižja od odzivnega časa naprave, ki jo krmili PWM, sicer bodo opazna nihanja reguliranega parametra.
3. Višja kot je frekvenca, večje so stikalne izgube. To je posledica dejstva, da je preklopni čas ključa končen. V zapahnjenem stanju celotna napajalna napetost pade na ključni element, vendar toka skoraj ni. V odprtem stanju tok polne obremenitve teče skozi ključ, vendar je padec napetosti majhen, ker je prehodni upor nekaj ohmov. V obeh primerih je disipacija moči zanemarljiva. Prehod iz enega stanja v drugo je hiter, vendar ne takojšen. Med postopkom odpri-zapri na delno odprtem elementu pade velika napetost, hkrati pa skozi njega teče znaten tok. V tem času disipacija moči doseže visoke vrednosti. To obdobje je kratko, ključ nima časa, da bi se občutno segrel. Toda z večanjem frekvence je takih časovnih intervalov na časovno enoto več in toplotne izgube se povečujejo. Zato je pomembno, da za izdelavo ključev uporabljamo hitro delujoče elemente.
4. Pri kontroli motorja frekvenca mora biti speljana izven območja, ki ga človek sliši - 25 kHz in več. Ker pri nižjih frekvencah PWM prihaja do neprijetnega žvižganja.

Te zahteve so pogosto v nasprotju med seboj, zato je izbira frekvence v nekaterih primerih iskanje kompromisa.

Velikost modulacije je označena z delovnim ciklom. Ker je hitrost ponavljanja impulza konstantna, je konstantno tudi trajanje obdobja (T=1/f). Obdobje je sestavljeno iz impulza in premora, ki trajata t_imp in t_pavza, kjer je t_imp+t_pavza=Т. Razmerje je razmerje med trajanjem impulza in periodo - S=t_imp/T.Toda v praksi se je izkazalo, da je bolj priročno uporabiti inverzno vrednost - faktor polnjenja: D=1/S=T/t_imp.. Še bolj priročno je izraziti faktor polnjenja v odstotkih.

Kakšna je razlika med PWM in PWM

V tuji strokovni literaturi ni razlik med impulzno-širinsko modulacijo in impulzno-širinsko regulacijo (PWM). Ruski strokovnjaki poskušajo razlikovati med temi pojmi. Pravzaprav je PWM vrsta modulacije, to je sprememba nosilnega signala pod vplivom drugega, moduliranega signala. Nosilni signal deluje kot nosilec informacije, modulacijski signal pa to informacijo nastavlja. In nadzor širine impulza je regulacija načina obremenitve s pomočjo PWM.

Razlogi in aplikacije za PWM

Uporablja se princip impulzno-širinske modulacije Regulatorji hitrosti za močne indukcijske motorje. V tem primeru se modulacijski signal nastavljive frekvence (enofazni ali trifazni) oblikuje z generatorjem sinusnega valovanja majhne moči in analogno nanese na nosilec. Izhod je signal PWM, ki se napaja na tipke za zahtevo po moči. Nato lahko nastalo zaporedje impulzov prenesete skozi nizkopasovni filter, kot je preprosta RC-veriga, in izolirate prvotni sinusoid. Lahko pa tudi brez njega - filtriranje se bo zgodilo naravno zaradi vztrajnosti motorja. Očitno je, da višja kot je nosilna frekvenca, bolj je oblika izhodnega signala blizu prvotni sinusoidi.

Pojavi se naravno vprašanje - zakaj ne morete naenkrat ojačati signala oscilatorja, npr. z uporabo tranzistorjev visoke moči? Ker regulacijski element, ki deluje v linearnem načinu, prerazporedi moč med obremenitvijo in stikalom. To pomeni, da se veliko energije porabi za ključni element. Če pa močan regulacijski element deluje v ključnem načinu (trinistorji, triaki, RGBT tranzistorji), se moč časovno porazdeli.Izgube bodo veliko manjše, učinkovitost pa veliko večja.

V digitalni tehnologiji ni posebne alternative krmiljenju širine impulza. Amplituda signala je tam konstantna in edini način za spreminjanje napetosti in toka je modulacija nosilca širine impulza in nato povprečenje. Zato se PWM uporablja za uravnavanje napetosti in toka pri tistih objektih, ki lahko povprečijo impulzni signal. Povprečenje poteka na različne načine:

1. Z vztrajnostjo obremenitve. Tako toplotna vztrajnost termoelektričnih grelnikov in žarnic z žarilno nitko omogoča, da se krmilni objekti v pavzah med impulzi opazno ne ohladijo.
2. Zaradi inercije zaznave. LED ima čas, da zbledi od impulza do impulza, vendar človeško oko tega ne opazi in zaznava kot konstanten sij z različno jakostjo. Na tem principu temelji nadzor svetlosti LED monitorjev. Toda neopazno mežikanje s frekvenco nekaj sto hercev je še vedno prisotno in povzroča utrujenost oči.
3. Zaradi mehanske vztrajnosti. Ta lastnost se uporablja za krmiljenje enosmernih kolektorskih motorjev. Če je krmilna frekvenca pravilno izbrana, motor nima časa za zaustavitev v pavzah mrtvega časa.

Zato se PWM uporablja tam, kjer ima povprečna vrednost napetosti ali toka odločilno vlogo. Poleg omenjenih običajnih primerov se s PWM metodo uravnava povprečni tok v varilnih aparatih in polnilnikih baterij itd.

Če naravno povprečenje ni mogoče, lahko v mnogih primerih to vlogo prevzame že omenjeni nizkopasovni filter (LPF) v obliki RC-verige. Za praktične namene je to dovolj, vendar je treba razumeti, da je nemogoče izolirati izvirni signal iz PWM z LPF brez popačenja. Navsezadnje spekter PWM vsebuje neskončno veliko število harmonikov, ki bodo neizogibno prišli v pasovno širino filtra.Zato si ne delajte utvar o obliki obnovljene sinusoide.

PWM krmiljenje RGB LED je zelo učinkovito in učinkovito. Ta naprava ima tri p-n spoje - rdečo, modro, zeleno. S spreminjanjem svetlosti vsakega kanala posebej lahko dobite skoraj vse barve LED sijaja (razen čisto bele). Možnosti ustvarjanja svetlobnih učinkov s PWM so neskončne.

Najpogostejša uporaba digitalnega impulzno širinsko moduliranega signala je nadzor povprečnega toka ali napetosti, ki teče skozi breme. Možna pa je tudi nestandardna uporaba te vrste modulacije. Vse je odvisno od domišljije oblikovalca.

Povezani članki: