Vad är PWM - Pulse Width Modulation

Modulering är en icke-linjär elektrisk process där parametrarna för en signal (bärvåg) ändras med en annan signal (modulering, information). Inom kommunikationsteknik används frekvens-, amplitud- och fasmodulering i stor utsträckning. Inom kraftelektronik och mikroprocessorteknik har pulsbreddsmodulering blivit utbredd.

Vad är PWM (Pulse Width Modulation)

Med pulsbreddsmodulering av den ursprungliga signalen förblir amplituden, frekvensen och fasen för den ursprungliga signalen oförändrade. Varaktigheten (bredden) av den rektangulära pulsen kan ändras under påverkan av informationssignalen. I den engelska tekniska litteraturen förkortas det PWM - pulsbreddsmodulering.

Hur PWM fungerar

Den pulsbreddsmodulerade signalen bildas på två sätt:

• analog;
• digital.

Med den analoga metoden för att skapa en PWM-signal matas en bärare i form av en sågtand eller triangulär signal till en inverterande komparatoringång, och information - om icke-invertering. Om den momentana bärvågsnivån är högre än den modulerande signalen, är komparatorns utgång noll, om lägre - ett. Utsignalen är en diskret signal med en frekvens som motsvarar frekvensen för bärtriangeln eller sågen, och en pulslängd som är proportionell mot nivån på moduleringsspänningen.

Som ett exempel ökar pulsbreddsmodulationen för en triangulär signal linjärt. Varaktigheten av utpulserna är proportionell mot nivån på utsignalen.

Analoga PWM-kontroller är också tillgängliga i form av färdiga mikrokretsar, inuti vilka en komparator och en bärargenereringskrets är installerade. Det finns ingångar för anslutning av externa frekvensinställningselement och tillhandahållande av en informationssignal. En signal tas bort från utgången som styr kraftfulla främmande nycklar. Det finns också ingångar för återkoppling - de behövs för att upprätthålla de inställda styrparametrarna. Sådant är till exempel TL494-chippet. För de fall där energin hos konsumenten är relativt liten finns PWM-kontroller med inbyggda nycklar tillgängliga. Den interna nyckeln i mikrokretsen LM2596 är designad för ström upp till 3 ampere.

Den digitala metoden utförs med hjälp av specialiserade mikrokretsar eller mikroprocessorer. Pulslängden styrs av det interna programmet. Många mikrokontroller, inklusive den populära PIC och AVR, har en inbyggd modul för hårdvaruimplementering av PWM "ombord", för att ta emot en PWM-signal måste du aktivera modulen och ställa in dess driftsparametrar.Om en sådan modul inte är tillgänglig kan PWM organiseras rent av programvara, detta är inte svårt. Denna metod ger mer kraft och frihet genom flexibel användning av utgångar, men använder mer kontrollresurser.

PWM-signalens egenskaper

De viktiga egenskaperna hos PWM-signalen är:

• amplitud (U);
• frekvens (f);
• arbetscykel (S) eller arbetscykel D.

Amplituden i volt ställs in beroende på belastningen. Den måste ge konsumentens märkspänning.

Frekvensen för signalen som moduleras av pulsbredden väljs från följande överväganden:

1. Ju högre frekvens, desto högre kontrollnoggrannhet.
2. Frekvensen får inte vara lägre än svarstiden för enheten som styrs av PWM, annars uppstår märkbara krusningar av den kontrollerade parametern.
3. Ju högre frekvens, desto högre kopplingsförluster. Det beror på att nyckelns omkopplingstid är ändlig. I låst tillstånd faller all matningsspänning på nyckelelementet, men det finns nästan ingen ström. I öppet tillstånd flyter fulllastströmmen genom nyckeln, men spänningsfallet är litet, eftersom genomströmningsresistansen är några ohm. I båda fallen är effektförlusten försumbar. Övergången från ett tillstånd till ett annat sker snabbt, men inte omedelbart. I processen att låsa upp och låsa, sjunker en stor spänning på ett delvis öppet element och samtidigt flyter en betydande ström genom det. Vid denna tidpunkt når den förbrukade kraften höga värden. Denna period är kort, nyckeln har inte tid att värma upp nämnvärt.Men med en ökning av frekvensen av sådana tidsintervall per tidsenhet blir det mer, och värmeförlusterna ökar. För att bygga nycklar är det därför viktigt att använda snabba element.
4. När du kör elektrisk motor frekvensen måste tas bort från området som är hörbart för en person - 25 kHz och högre. För vid en lägre PWM-frekvens uppstår en obehaglig vissling.

Dessa krav står ofta i konflikt med varandra, så valet av frekvens är i vissa fall en kompromiss.

Modulationsvärdet kännetecknar arbetscykeln. Eftersom pulsrepetitionshastigheten är konstant är varaktigheten av perioden också konstant (T=1/f). Perioden består av en impuls och en paus med en varaktighet respektive t_imp och t_pausar, och t_imp+t_pausar=T. Arbetscykeln är förhållandet mellan pulslängden och perioden - S \u003d t_imp/T. Men i praktiken visade det sig vara bekvämare att använda det ömsesidiga värdet - fyllfaktorn: D=1/S=T/t_imp. Det är ännu bekvämare att uttrycka fyllnadsfaktorn i procent.

Vad är skillnaden mellan PWM och SIR

I utländsk teknisk litteratur finns ingen skillnad mellan pulsbreddsmodulering och pulsbreddsreglering (PWR). Ryska specialister försöker skilja mellan dessa begrepp. Faktum är att PWM är en typ av modulering, det vill säga förändringar i bärvågssignalen under påverkan av en annan, som modulerar en. Bärvågssignalen fungerar som en informationsbärare, och den modulerande signalen ställer in denna information. Och pulsbreddsreglering är regleringen av belastningsläget med PWM.

Orsaker och tillämpningar av PWM

Principen för pulsbreddsmodulering används i hastighetsregulatorer av kraftfulla asynkronmotorer. I detta fall genereras den justerbara frekvensmodulerande signalen (enfas eller trefas) av en sinusvågsgenerator med låg effekt och överlagras på bärvågen på ett analogt sätt. Utgången är en PWM-signal, som matas till nycklarna för den erforderliga effekten. Sedan kan du skicka den resulterande sekvensen av pulser genom ett lågpassfilter, till exempel genom en enkel RC-krets, och välja den ursprungliga sinusformen. Eller så kan du klara dig utan det - filtrering kommer att ske naturligt på grund av motorns tröghet. Uppenbarligen, ju högre bärvågsfrekvensen är, desto mer är den utgående vågformen nära den ursprungliga sinusformen.

En naturlig fråga uppstår - varför det är omöjligt att förstärka signalen från generatorn omedelbart, till exempel med kraftfulla transistorer? Eftersom ett reglerelement som arbetar i ett linjärt läge kommer att omfördela kraften mellan lasten och nyckeln. I det här fallet slösas betydande kraft bort på nyckelelementet. Om ett kraftfullt kontrollelement fungerar i ett nyckelläge (trinistor, triac, RGBT-transistor), så fördelas effekten över tiden. Förlusterna blir mycket lägre och effektiviteten blir mycket högre.

Inom digital teknik finns det inget särskilt alternativ till pulsbreddsreglering. Signalamplituden är konstant där, spänningen och strömmen kan endast ändras genom att modulera bärvågen längs pulsbredden och därefter medelvärdesberäkning av den. Därför används PWM för att reglera spänning och ström på de objekt som kan medelvärdet av pulssignalen. Genomsnittet sker på olika sätt:

1. på grund av lasttröghet.Den termiska trögheten hos termoelektriska värmare och glödlampor gör att de reglerade föremålen inte märkbart kyls ner i pauserna mellan pulserna.
2. På grund av uppfattningens tröghet. Lysdioden hinner slockna från puls till puls, men det mänskliga ögat märker inte detta och uppfattar det som ett konstant sken med varierande intensitet. Denna princip används för att styra ljusstyrkan på prickar på LED-skärmar. Men omärklig blinkning med en frekvens på flera hundra hertz är fortfarande närvarande och orsakar ögontrötthet.
3. på grund av mekanisk tröghet. Denna egenskap används vid styrning av borstade DC-motorer. Med en korrekt vald regleringsfrekvens hinner inte motorn sakta ner i döda pauser.

Därför används PWM där medelvärdet av spänning eller ström spelar en avgörande roll. Utöver de vanliga fallen som nämnts reglerar PWM-metoden medelströmmen i svetsmaskiner och batteriladdare m.m.

Om naturlig medelvärdesberäkning inte är möjlig kan denna roll i många fall tas över av det redan nämnda lågpassfiltret (LPF) i form av en RC-kedja. För praktiska ändamål är detta tillräckligt, men det måste förstås att det är omöjligt att isolera den ursprungliga signalen från PWM med hjälp av ett lågpassfilter utan distorsion. PWM-spektrumet innehåller trots allt ett oändligt antal övertoner som oundvikligen kommer att falla in i filtrets passband. Därför bör man inte bygga illusioner om formen på den rekonstruerade sinusoiden.

Mycket effektiv och effektiv PWM RGB LED-kontroll. Den här enheten har tre p-n-korsningar - röd, blå, grön.Genom att separat ändra ljusstyrkan på glöden för varje kanal kan du få nästan vilken färg som helst på LED-glöden (med undantag för rent vitt). Möjligheterna att skapa ljuseffekter med PWM är oändliga.

Den vanligaste tillämpningen av en pulsbreddsmodulerad digital signal är att styra medelströmmen eller spänningen som flyter genom en last. Men icke-standardiserad användning av denna typ av modulering är också möjlig. Allt beror på utvecklarens fantasi.

Liknande artiklar: