Pulssinleveysmodulaatio

PWM tai PWM (Pulse Width Modulation) on tapa ohjata kuorman virransyöttöä. Ohjaus koostuu pulssin keston muuttamisesta tasaisella pulssin toistotaajuudella. Pulssin leveysmodulaatio on saatavana analogisena, digitaalisena, binäärisenä ja kolmisuuntaisena.

Pulssinleveysmodulaation käyttö mahdollistaa sähkömuuntimien tehokkuuden lisäämisen erityisesti pulssimuuntimissa, jotka nykyään muodostavat perustan erilaisten elektronisten laitteiden toisiovirtalähteille. Flyback- ja forward-yksittäisiä, push-pull- ja half-bridge- sekä siltakytkentämuuntimia ohjataan nykyään PWM:n osallistuessa, tämä koskee myös resonanssimuuntajia.

Pulssinleveysmodulaation avulla voit säätää matkapuhelimien, älypuhelimien, kannettavien tietokoneiden nestekidenäyttöjen taustavalon kirkkautta. PWM on otettu käyttöön hitsauskoneet, autoinverttereissä, latureissa jne. Jokainen laturi käyttää nykyään PWM:ää toiminnassaan.

Avainmuotoisia bipolaarisia ja kenttätransistoreja käytetään kytkentäelementteinä nykyaikaisissa suurtaajuusmuuntimissa. Tämä tarkoittaa, että osan ajanjaksosta transistori on täysin auki ja osan ajanjaksosta täysin kiinni.

Ja koska vain kymmeniä nanosekunteja kestävissä transienttitiloissa kytkimen vapauttama teho on pieni verrattuna kytkettyyn tehoon, seurauksena on, että kytkimestä lämmön muodossa vapautuva keskimääräinen teho on mitätön. Tässä tapauksessa suljetussa tilassa transistorin resistanssi kytkimenä on hyvin pieni ja jännitehäviö sen yli lähestyy nollaa.

Avoimessa tilassa transistorin johtavuus on lähellä nollaa ja virta ei käytännössä kulje sen läpi. Tämä mahdollistaa kompaktien muuntimien luomisen, joilla on korkea hyötysuhde, eli alhainen lämpöhäviö. ZCS (Zero Current Switching) -resonanssimuuntimet minimoivat nämä häviöt.

Analogisissa PWM-generaattoreissa ohjaussignaali muodostetaan analogisella komparaattorilla, kun esimerkiksi kolmio- tai triodisignaali syötetään vertailijan invertoivaan tuloon ja moduloiva jatkuva signaali syötetään ei-invertoivaan tuloon.

Lähtöpulsseja vastaanotetaan suorakulmainen, niiden toistotaajuus on yhtä suuri kuin sahan taajuus (tai kolmioaaltomuoto), ja pulssin positiivisen osan kesto on suhteessa aikaan, jonka aikana ei-invertoivaan tuloon syötetyn moduloivan DC-signaalin taso. komparaattori on korkeampi kuin sahasignaalin taso, joka syötetään invertoivaan tuloon.Kun sahan jännite on suurempi kuin moduloiva signaali, lähtö on pulssin negatiivinen osa.

Jos sahaa syötetään komparaattorin ei-invertoivaan tuloon ja moduloiva signaali syötetään invertoivaan, niin neliöaaltolähtöpulsseilla on positiivinen arvo, kun sahan jännite on suurempi kuin moduloivan signaalin arvo. käytetään invertoivaan tuloon ja negatiivinen - kun sahan jännite on pienempi kuin moduloiva signaali. Esimerkki analogisesta PWM-tuotannosta on TL494-siru, jota käytetään nykyään laajalti hakkuriteholähteiden rakentamisessa.

Digitaalista PWM:ää käytetään binääridigitaalitekniikassa. Lähtöpulssit ottavat myös vain yhden kahdesta arvosta (päällä tai pois) ja keskimääräinen lähtötaso lähestyy haluttua. Tässä sahahammassignaali saadaan N-bitin laskurin avulla.

PWM-digitaalilaitteet toimivat myös vakiotaajuudella, ylittäen välttämättä ohjatun laitteen vasteajan, tätä lähestymistapaa kutsutaan ylinäytteitykseksi. Kellon reunojen välissä digitaalinen PWM-lähtö pysyy vakaana, korkeana tai matalana, riippuen digitaalisen komparaattorin lähdön nykytilasta, joka vertaa laskurisignaalin ja likimääräisen digitaalisen signaalin tasoja.

Lähtö kellotetaan pulssisarjana tiloilla 1 ja 0, jokainen kellon tila voi olla käänteinen tai ei. Pulssien taajuus on verrannollinen lähestyvän signaalin tasoon ja peräkkäiset yksiköt voivat muodostaa leveämmän, pidemmän pulssin.

Tuloksena olevat muuttuvaleveiset pulssit ovat kellojakson kerrannaisia ​​ja taajuus on yhtä suuri kuin 1/2NT, missä T on kellojakso, N on kellojaksojen lukumäärä. Tässä on saavutettavissa pienempi taajuus kellotaajuuden suhteen. Kuvattu digitaalinen generointimalli on yksi- tai kaksitasoinen PWM, pulssikoodattu PCM-modulaatio.

Tämä kaksivaiheinen pulssikoodattu modulaatio on oleellisesti sarja pulsseja, joiden taajuus on 1/T ja leveys T tai 0. Ylinäytteistystä käytetään keskiarvon laskemiseen pidemmältä ajanjaksolta. Laadukas PWM saavutetaan yksibittisellä pulssitiheällä modulaatiolla, jota kutsutaan myös pulssitaajuusmodulaatioksi.

Digitaalisessa pulssinleveysmodulaatiossa jakson täyttävät suorakaiteen muotoiset osapulssit voivat esiintyä missä tahansa jaksossa, jolloin vain niiden lukumäärä vaikuttaa signaalin jakson keskiarvoon. Joten jos jaamme ajanjakson 8 osaan, niin pulssiyhdistelmät 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 jne. antaa saman ajanjakson keskiarvon, mutta yksittäiset yksiköt tekevät avaintransistorin käyttösuhteesta raskaamman.

Elektroniikan valaisimet, puhuen PWM:stä, antavat samanlaisen analogian mekaniikkaan. Jos käännät raskasta vauhtipyörää moottorin kanssa sen jälkeen, kun moottori on voitu käynnistää tai sammuttaa, vauhtipyörä joko pyörii ja jatkaa pyörimistä tai pysähtyy kitkan vuoksi, kun moottori on sammutettu.

Mutta jos moottori käynnistetään muutaman sekunnin ajan minuutissa, vauhtipyörän pyöriminen säilyy hitauden vuoksi tietyllä nopeudella. Ja mitä kauemmin moottori on päällä, sitä suurempi on vauhtipyörän pyörimisnopeus.Joten PWM:llä päälle ja pois -signaali (0 ja 1) tulevat lähtöön ja tuloksena on keskiarvo. Integroimalla pulssien jännite ajan myötä saadaan pulssien alla oleva pinta-ala ja vaikutus työkappaleeseen on identtinen jännitteen keskiarvolla tehtävän työn kanssa.

Näin toimivat muuntimet, joissa vaihto tapahtuu tuhansia kertoja sekunnissa ja taajuudet saavuttavat megahertsin yksiköt. Erityisiä PWM-ohjaimia käytetään laajalti energiansäästölamppujen, virtalähteiden, taajuusmuuttajat moottoreita varten jne.

Pulssijakson kokonaiskeston suhdetta päälle (pulssin positiivinen osa) kutsutaan toimintajaksoksi. Joten, jos käynnistysaika on 10 μs ja jakso kestää 100 μs, niin 10 kHz:n taajuudella toimintajakso on 10, ja he kirjoittavat, että S = 10. Käänteistä toimintajaksoa kutsutaan käyttösuhteeksi. sykli, englanniksi Duty cycle tai lyhennettynä DC.

Joten annetussa esimerkissä DC = 0,1, koska 10/100 = 0,1. Pulssinleveysmodulaatiolla, säätämällä pulssin toimintajaksoa eli tasavirtaa muuttamalla, saavutetaan vaadittu keskiarvo elektronisen tai muun sähkölaitteen, kuten moottorin, lähdössä.