Impulzus szélesség moduláció

A PWM vagy PWM (impulzusszélesség-moduláció) a terhelés tápellátásának szabályozásának egyik módja. A szabályozás az impulzus időtartamának állandó impulzusismétlési gyakoriság melletti megváltoztatásából áll. Az impulzusszélesség-moduláció analóg, digitális, bináris és hármas változatban érhető el.

Az impulzusszélesség-moduláció alkalmazása lehetővé teszi az elektromos átalakítók hatékonyságának növelését, különösen az impulzusátalakítók esetében, amelyek ma a különböző elektronikai eszközök másodlagos tápegységeinek alapját képezik. A Flyback és forward szimpla, push-pull és half bridge, valamint hídkapcsolós konverterek vezérlése ma PWM közreműködésével történik, ez vonatkozik a rezonáns átalakítókra is.

Az impulzusszélesség-moduláció lehetővé teszi a mobiltelefonok, okostelefonok, laptopok folyadékkristályos kijelzőinek háttérvilágításának fényerejének beállítását. A PWM implementálva van hegesztőgépek, autós inverterekben, töltőkben stb. Ma minden töltő PWM-et használ működése során.

A kulcsmódú bipoláris és térhatású tranzisztorokat kapcsolóelemként használják a modern nagyfrekvenciás átalakítókban. Ez azt jelenti, hogy a periódus egy részében a tranzisztor teljesen nyitott, egy része pedig teljesen zárt.

És mivel a csak több tíz nanoszekundumig tartó tranziens állapotokban a kapcsoló által felszabaduló teljesítmény kicsi a kapcsolt teljesítményhez képest, ennek következtében a kapcsolón hő formájában felszabaduló átlagos teljesítmény elhanyagolhatónak bizonyul. Ebben az esetben zárt állapotban a tranzisztor, mint kapcsoló ellenállása nagyon kicsi, és a feszültségesés rajta megközelíti a nullát.

Nyitott állapotban a tranzisztor vezetőképessége közel nulla, és az áram gyakorlatilag nem folyik át rajta. Ez lehetővé teszi nagy hatásfokú, azaz alacsony hőveszteséggel rendelkező kompakt konverterek létrehozását. A ZCS (Zero Current Switching) rezonáns konverterek minimalizálják ezeket a veszteségeket.

Az analóg típusú PWM generátorokban a vezérlőjelet egy analóg komparátor állítja elő, amikor például a komparátor invertáló bemenetére háromszög- vagy triódajelet, a nem invertáló bemenetre pedig folyamatos moduláló jelet adnak.

Kimeneti impulzusok vétele történik négyszögletes, ismétlési sebességük megegyezik a fűrész frekvenciájával (vagy háromszög hullámformával), és az impulzus pozitív részének időtartama összefügg azzal az idővel, amely alatt a moduláló DC jel szintje a nem invertáló bemenetre kerül. a komparátor magasabb, mint az invertáló bemenetre táplált fűrészjel szintje.Ha a fűrészfeszültség magasabb, mint a moduláló jel, a kimenet az impulzus negatív része lesz.

Ha a fűrészt a komparátor nem invertáló bemenetére adjuk, és a moduláló jelet az invertálóra, akkor a négyszöghullám kimeneti impulzusok pozitív értékűek lesznek, ha a fűrész feszültsége nagyobb, mint a moduláló jel értéke. az invertáló bemenetre vonatkozik, és negatív - ha a fűrészfeszültség alacsonyabb, mint a moduláló jel. Az analóg PWM-generálásra példa a TL494 chip, amelyet manapság széles körben használnak kapcsolóüzemű tápegységek építésénél.

A digitális PWM-et a bináris digitális technológiában használják. A kimeneti impulzusok két érték közül is csak egyet vesznek fel (be vagy ki), és az átlagos kimeneti szint megközelíti a kívánt értéket, itt a fűrészfog jelet N-bites számláló segítségével kapjuk.

A PWM digitális eszközök is állandó frekvencián működnek, szükségszerűen meghaladva a vezérelt eszköz válaszidejét, ezt a megközelítést oversamplingnak nevezzük. Az óraélek között a digitális PWM kimenet stabil marad, magas vagy alacsony, a digitális komparátor kimenetének aktuális állapotától függően, amely összehasonlítja a számlálójel és a hozzávetőleges digitális szintjeit.

A kimenet 1-es és 0-ás állapotú impulzusok sorozataként kerül órajelre, az óra minden állapota megfordulhat vagy nem. Az impulzusok frekvenciája arányos a közeledő jel szintjével, és az egymást követő egységek szélesebb, hosszabb impulzust alkothatnak.

Az eredményül kapott változó szélességű impulzusok az órajel periódusának többszörösei, a frekvencia pedig 1/2NT lesz, ahol T az órajel periódusa, N az óraciklusok száma. Itt alacsonyabb órajel frekvencia érhető el. A leírt digitális generálási séma egybites vagy kétszintű PWM, impulzuskódolt PCM moduláció.

Ez a kétfokozatú impulzuskódolt moduláció lényegében 1/T frekvenciájú és T vagy 0 szélességű impulzusok sorozata. A túlmintavételezést a hosszabb időtartam átlagolására használják. A kiváló minőségű PWM egybites impulzussűrű modulációval érhető el, amelyet impulzus-frekvencia modulációnak is neveznek.

A digitális impulzusszélesség modulációnál a periódusban kitöltő négyszögletes részimpulzusok bárhol megjelenhetnek a periódusban, majd csak a számuk befolyásolja a periódusra vonatkozó jel átlagos értékét. Tehát ha az időszakot 8 részre osztjuk, akkor a 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 stb. impulzuskombinációk. ugyanazt az időszak átlagát adja, de az egyes egységek megnehezítik a kulcstranzisztor munkaciklusát.

Az elektronika világítótestei, ha a PWM-ről beszélünk, hasonló analógiát adnak a mechanikához. Ha egy nehéz lendkereket forgat a motorral, miután a motor be- vagy kikapcsolható, a lendkerék vagy forog, és tovább forog, vagy leáll a súrlódás miatt, amikor a motor le van állítva.

De ha a motor percenként néhány másodpercig be van kapcsolva, akkor a lendkerék forgása a tehetetlenség miatt megmarad egy bizonyos sebességnél. És minél tovább van bekapcsolva a motor, annál nagyobb a lendkerék forgási sebessége.Tehát a PWM-nél be- és kikapcsolási jel (0 és 1) érkezik a kimenetre, és az eredmény egy átlagos érték. Az impulzusok feszültségének időbeli integrálásával megkapjuk az impulzusok alatti területet, és a munkatestre gyakorolt ​​hatás megegyezik a feszültség átlagos értékével végzett munkával.

Így működnek az átalakítók, ahol másodpercenként több ezer alkalommal történik váltás, és a frekvenciák elérik a megahertzet. A speciális PWM vezérlőket széles körben használják az energiatakarékos lámpák, tápegységek előtéteinek vezérlésére, frekvenciaváltók motorokhoz stb.

Az impulzusperiódus teljes időtartamának és a bekapcsolási időnek (az impulzus pozitív része) arányát munkaciklusnak nevezzük. Tehát, ha a bekapcsolási idő 10 μs, és az időtartam 100 μs, akkor 10 kHz-es frekvencián a munkaciklus 10 lesz, és azt írják, hogy S = 10. A fordított terhelési ciklust munkakörnek nevezik. ciklus, angolul Duty cycle vagy röviden DC.

Tehát az adott példában DC = 0,1, mivel 10/100 = 0,1. Impulzusszélesség modulációval az impulzus munkaciklusának beállításával, azaz az egyenáram változtatásával egy elektronikus vagy más elektromos eszköz, például motor kimenetén érjük el a kívánt átlagértéket.