Kaj je PWM - impulzna širinska modulacija

Modulacija je nelinearen električni proces, pri katerem se parametri enega signala (nosilca) spreminjajo z uporabo drugega signala (modulacijskega, informacijskega). V komunikacijski tehnologiji se pogosto uporablja frekvenčna, amplitudna in fazna modulacija. V močnostni elektroniki in mikroprocesorski tehnologiji je postala široko razširjena impulzno-širinska modulacija.

Kaj je PWM (Pulse Width Modulation)

Pri impulzno-širinski modulaciji izvirnega signala ostanejo amplituda, frekvenca in faza izvirnega signala nespremenjeni. Trajanje (širina) pravokotnega impulza se lahko spremeni pod vplivom informacijskega signala. V angleški tehnični literaturi je skrajšano PWM - impulzno-širinska modulacija.

Kako deluje PWM

Širinsko modulirani signal se oblikuje na dva načina:

• analogni;
• digitalno.

Z analogno metodo ustvarjanja PWM signala se nosilec v obliki žagastega ali trikotnega signala dovaja na invertirni primerjalni vhod, in informacije - o neinvertiranju. Če je trenutni nivo nosilca višji od modulirnega signala, je izhod primerjalnika nič, če je nižji - ena. Izhod je diskretni signal s frekvenco, ki ustreza frekvenci nosilnega trikotnika ali žage, in dolžino impulza, ki je sorazmerna z nivojem modulacijske napetosti.

Na primer, modulacija širine impulza trikotnega signala se linearno povečuje. Trajanje izhodnih impulzov je sorazmerno z nivojem izhodnega signala.

Analogni PWM krmilniki so na voljo tudi v obliki že pripravljenih mikrovezij, znotraj katerih sta nameščena primerjalnik in vezje za generiranje nosilcev. Obstajajo vhodi za priklop zunanjih frekvenčnih elementov in dovajanje informacijskega signala. Iz izhoda se odstrani signal, ki nadzoruje močne tuje ključe. Obstajajo tudi vhodi za povratne informacije - potrebni so za vzdrževanje nastavljenih krmilnih parametrov. Takšen je na primer čip TL494. Za primere, ko je moč porabnika relativno majhna, so na voljo PWM krmilniki z vgrajenimi tipkami. Notranji ključ mikrovezja LM2596 je zasnovan za tok do 3 ampere.

Digitalna metoda se izvaja s pomočjo specializiranih mikrovezij ali mikroprocesorjev. Dolžino impulza nadzira notranji program. Številni mikrokrmilniki, vključno s priljubljenimi PIC in AVR, imajo vgrajen modul za strojno izvedbo PWM "na krovu", za sprejem PWM signala morate aktivirati modul in nastaviti njegove parametre delovanja.Če tak modul ni na voljo, lahko PWM organizirate izključno s programsko opremo, to ni težko. Ta metoda daje več moči in svobode s prilagodljivo uporabo izhodov, vendar uporablja več virov krmilnika.

Značilnosti PWM signala

Pomembne značilnosti PWM signala so:

• amplituda (U);
• frekvenca (f);
• delovni cikel (S) ali delovni cikel D.

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

Frekvenca signala, moduliranega s širino impulza, je izbrana iz naslednjih premislekov:

1. Višja kot je frekvenca, večja je natančnost krmiljenja.
2. Frekvenca ne sme biti nižja od odzivnega časa naprave, ki jo krmili PWM, sicer bo prišlo do opaznega valovanja krmiljenega parametra.
3. Višja kot je frekvenca, večje so preklopne izgube. Izhaja iz dejstva, da je preklopni čas ključa končen. V zaklenjenem stanju na ključnem elementu pade vsa napajalna napetost, toka pa skoraj ni. V odprtem stanju tok polne obremenitve teče skozi ključ, vendar je padec napetosti majhen, saj je prepustni upor nekaj ohmov. V obeh primerih je odvajanje moči zanemarljivo. Prehod iz enega stanja v drugo se zgodi hitro, vendar ne takoj. V procesu odklepanja-zaklepanja na delno odprtem elementu pade velika napetost in hkrati skozenj teče pomemben tok. V tem času razpršena moč doseže visoke vrednosti. To obdobje je kratko, ključ se nima časa bistveno ogreti.Toda s povečanjem pogostosti takšnih časovnih intervalov na enoto časa postane več in toplotne izgube se povečajo. Zato je za izdelavo ključev pomembno uporabiti hitre elemente.
4. Med vožnjo električni motor frekvenco je treba odmakniti od območja, ki ga človek sliši - 25 kHz in več. Ker se pri nižji frekvenci PWM pojavi neprijeten piščal.

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

Vrednost modulacije označuje delovni cikel. Ker je frekvenca ponovitve impulza konstantna, je tudi trajanje obdobja konstantno (T=1/f). Obdobje je sestavljeno iz impulza in premora, ki imata trajanje t_imp in t_pavze, in t_imp+t_pavze=T. Delovni cikel je razmerje med trajanjem impulza in obdobjem - S \u003d t_imp/T. Toda v praksi se je izkazalo, da je bolj priročno uporabiti recipročno vrednost - faktor polnjenja: D=1/S=T/t_imp. Še bolj priročno je faktor polnjenja izraziti v odstotkih.

Kakšna je razlika med PWM in SIR

V tuji tehnični literaturi ni razlike med impulzno širinsko modulacijo in regulacijo širine impulza (PWR). Ruski strokovnjaki poskušajo razlikovati med temi koncepti. Pravzaprav je PWM vrsta modulacije, to je sprememba nosilnega signala pod vplivom drugega, moduliranega. Nosilni signal deluje kot nosilec informacij, modulacijski signal pa te informacije nastavi. In regulacija širine impulza je regulacija načina obremenitve s pomočjo PWM.

Razlogi in uporaba PWM

Načelo modulacije širine impulza se uporablja v regulatorji hitrosti močnih asinhronih motorjev. V tem primeru nastavljiv frekvenčno modulacijski signal (enofazni ali trifazni) generira sinusni generator majhne moči in se analogno naloži na nosilec. Izhod je PWM signal, ki se napaja na tipke potrebne moči. Nato lahko nastalo zaporedje impulzov prenesete skozi nizkoprepustni filter, na primer skozi preprosto RC vezje, in izberete izvirno sinusoido. Lahko pa tudi brez tega - filtracija bo nastala naravno zaradi vztrajnosti motorja. Očitno je, da višja kot je nosilna frekvenca, bolj je izhodna valovna oblika blizu prvotni sinusoidi.

Postavlja se naravno vprašanje - zakaj je nemogoče takoj ojačati signal generatorja, npr. z uporabo močnih tranzistorjev? Ker bo regulacijski element, ki deluje v linearnem načinu, prerazporedil moč med obremenitvijo in ključem. V tem primeru se za ključni element porabi velika moč. Če močan krmilni element deluje v ključnem načinu (trinistor, triak, RGBT tranzistor), se moč porazdeli skozi čas. Izgube bodo veliko manjše, učinkovitost pa veliko večja.

V digitalni tehnologiji ni posebne alternative za regulacijo širine impulza. Amplituda signala je tam konstantna, napetost in tok je mogoče spremeniti le z moduliranjem nosilca vzdolž širine impulza in nato povprečenjem. Zato se PWM uporablja za regulacijo napetosti in toka na tistih objektih, ki lahko povprečijo impulzni signal. Povprečenje poteka na različne načine:

1. zaradi vztrajnosti obremenitve.Tako toplotna vztrajnost termoelektričnih grelnikov in žarnic omogoča, da se regulirani predmeti v pavzah med impulzi opazno ne ohladijo.
2. Zaradi inercije zaznave. LED ima čas, da ugasne od impulza do impulza, vendar človeško oko tega ne opazi in ga zazna kot stalen sij z različno intenzivnostjo. To načelo se uporablja za nadzor svetlosti pik LED monitorjev. Toda neopazno utripanje s frekvenco nekaj sto hercev je še vedno prisotno in povzroča utrujenost oči.
3. zaradi mehanske vztrajnosti. Ta lastnost se uporablja pri krmiljenju brušenih enosmernih motorjev. S pravilno izbrano frekvenco regulacije motor nima časa, da bi se upočasnil v mrtvih pavzah.

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

Če naravno povprečenje ni možno, lahko to vlogo v mnogih primerih prevzame že omenjeni nizkoprepustni filter (LPF) v obliki RC verige. Za praktične namene je to dovolj, vendar je treba razumeti, da je nemogoče izolirati izvirni signal od PWM z nizkoprepustnim filtrom brez popačenja. Konec koncev, PWM spekter vsebuje neskončno število harmonikov, ki bodo neizogibno padle v pasovni pas filtra. Zato si ne smemo delati iluzij o obliki rekonstruirane sinusoide.

Zelo učinkovit in učinkovit PWM RGB LED nadzor. Ta naprava ima tri p-n stičišča - rdečo, modro, zeleno.Če ločeno spremenite svetlost sijaja vsakega kanala, lahko dobite skoraj vsako barvo sijaja LED (z izjemo čiste bele). Možnosti za ustvarjanje svetlobnih učinkov s PWM so neskončne.

Najpogostejša uporaba digitalnega signala z impulzno širino je nadzor povprečnega toka ali napetosti, ki teče skozi obremenitev. Možna pa je tudi nestandardna uporaba te vrste modulacije. Vse je odvisno od domišljije razvijalca.

Podobni članki: