Principiul PWM - modularea lățimii impulsului este de a modifica lățimea impulsului, menținând în același timp o rată constantă de repetiție a impulsului. Amplitudinea impulsurilor rămâne neschimbată.
Controlul lățimii impulsului este utilizat acolo unde este necesar să se regleze puterea furnizată sarcinii. De exemplu, în circuitele de control al motoarelor curent continuu, în convertoare de impulsuri, pentru reglarea luminozității lămpilor LED, ecranelor de monitor LCD, afișajelor din smartphone-uri și tablete etc.
Majoritatea surselor de alimentare secundare pentru dispozitive electronice sunt construite în prezent pe baza convertoarelor de impulsuri; modularea lățimii impulsurilor este utilizată și în amplificatoare de joasă frecvență (audio) clasa D, aparate de sudură, încărcătoare de baterii auto, invertoare etc. PWM vă permite să creste coeficientul acțiune utilă(eficiența) surselor de alimentare secundare în comparație cu eficiența scăzută a dispozitivelor analogice.
Modularea lățimii impulsului poate fi analogică sau digitală.
Modularea lățimii impulsului analogic
După cum sa menționat mai sus, frecvența semnalului și amplitudinea acestuia cu PWM sunt întotdeauna constante. Unul dintre cei mai importanți parametri ai semnalului PWM este ciclul de lucru, egal cu raportul dintre durata impulsului t la perioada pulsului T. D = t/T . Deci, dacă avem un semnal PWM cu o durată de impuls de 300 μs și o perioadă de impuls de 1000 μs, ciclul de lucru va fi 300/1000 = 0,3. Factorul de umplere este, de asemenea, exprimat ca procent, pentru care factorul de umplere este înmulțit cu 100%. Folosind exemplul de mai sus, factorul de umplere procentual este 0,3 x 100% = 30%.
Ciclul de funcționare al impulsului este raportul dintre perioada pulsului și durata acestora, adică. reciproca factorului de umplere. S = T/t .
Frecvența semnalului este definită ca inversul perioadei pulsului și reprezintă numărul de impulsuri complete într-o secundă. Pentru exemplul de mai sus, cu o perioadă de 1000 µs = 0,001 s, frecvența este F= 1/0,001 – 1000 (Hz).
Sensul PWM este de a regla valoarea medie a tensiunii prin schimbarea ciclului de lucru. Valoarea medie a tensiunii este egală cu produsul dintre ciclul de lucru și amplitudinea tensiunii. Deci, cu un ciclu de lucru de 0,3 și o amplitudine a tensiunii de 12 V, valoarea medie a tensiunii va fi 0,3 x 12 = 3,6 (V). Când ciclul de lucru se modifică în intervalul teoretic posibil de la 0% la 100%, tensiunea se va modifica de la 0 la 12 V, adică Modularea lățimii impulsului vă permite să reglați tensiunea în intervalul de la 0 la amplitudinea semnalului. Acesta este ceea ce este folosit pentru a regla viteza de rotație a unui motor de curent continuu sau luminozitatea unei lămpi.
Semnalul PWM este generat de un microcontroler sau circuit analog. Acest semnal controlează de obicei o sarcină de mare putere conectată la o sursă de alimentare printr-un circuit de comutare a tranzistorului bipolar sau cu efect de câmp. În modul de comutare, dispozitivul semiconductor este fie deschis, fie închis, iar starea intermediară este eliminată. În ambele cazuri, puterea termică neglijabilă este disipată pe comutator. Deoarece această putere este egală cu produsul dintre curentul prin comutator și căderea de tensiune pe acesta, iar în primul caz curentul prin comutator este aproape de zero, iar în al doilea tensiune.
În stările de tranziție, există o tensiune semnificativă pe comutator cu trecerea unui curent semnificativ, de exemplu. Puterea termică disipată este de asemenea semnificativă. Prin urmare, ca cheie, este necesar să se utilizeze dispozitive semiconductoare cu inerție redusă, cu timpi de comutare rapizi, de ordinul zecilor de nanosecunde.
Dacă circuitul cheie controlează LED-ul, atunci la o frecvență scăzută a semnalului LED-ul va clipi în timp cu schimbarea tensiunii semnalului PWM. La frecvențe de semnal peste 50 Hz, clipirile se îmbină din cauza inerției vederii umane. Luminozitatea generală a LED-ului începe să depindă de factorul de umplere - cu cât este mai mic factorul de umplere, cu atât LED-ul strălucește mai slab.
Când controlați viteza de rotație a unui motor de curent continuu folosind PWM, frecvența PWM trebuie să fie foarte mare și dincolo de gama de frecvențe audio audibile, de exemplu. depășește 15-20 kHz, altfel motorul va „suna”, emițând un scârțâit care irită urechea la o frecvență PWM. Stabilitatea motorului depinde și de frecvență. Un semnal PWM de joasă frecvență cu un ciclu de funcționare scăzut va duce la funcționarea instabilă a motorului și chiar la o posibilă oprire a motorului.
Astfel, atunci când controlați un motor, este de dorit să creșteți frecvența semnalului PWM, dar chiar și aici există o limită determinată de proprietățile inerțiale ale comutatorului semiconductor. Dacă cheia comută cu întârzieri, circuitul de control va începe să funcționeze cu erori. Pentru a evita pierderile de energie și pentru a obține o eficiență ridicată a unui convertor de impulsuri, comutatorul semiconductor trebuie să aibă viteză mare și rezistență de conductivitate scăzută.
Semnalul de la ieșirea PWM poate fi, de asemenea, mediat folosind un simplu filtru trece-jos. Uneori, puteți face fără acest lucru, deoarece are o anumită inductanță electrică și inerție mecanică. Netezirea semnalelor PWM are loc în mod natural atunci când frecvența PWM depășește timpul de răspuns al dispozitivului controlat.
PWM poate fi implementat folosind două intrări, dintre care una este furnizată cu un dinte de ferăstrău periodic sau semnal triunghiular de la un generator auxiliar, iar cealaltă cu un semnal de control modulator. Durata părții pozitive a impulsului PWM este determinată de timpul în care nivelul semnalului de control furnizat unei intrări a comparatorului depășește nivelul semnalului generatorului auxiliar furnizat celeilalte intrări a comparatorului.
Când tensiunea generatorului auxiliar este mai mare decât tensiunea semnalului de control, ieșirea comparatorului va avea o parte negativă a pulsului.
Ciclul de lucru al semnalelor dreptunghiulare periodice la ieșirea comparatorului și, prin urmare, tensiunea medie a regulatorului, depinde de nivelul semnalului de modulare, iar frecvența este determinată de frecvența semnalului generatorului auxiliar.
Modularea lățimii pulsului digital
Există un tip de PWM numit PWM digital. În acest caz, perioada semnalului este umplută cu sub-impulsuri dreptunghiulare, iar numărul de sub-impulsuri din perioadă este reglat, ceea ce determină valoarea medie a semnalului pentru perioadă.
În PWM digital, subpulsurile de umplere a perioadei (sau „unele”) pot apărea oriunde în perioada. Valoarea medie a tensiunii pe o perioadă este determinată doar de numărul acestora, în timp ce subpulsurile pot urma unul după altul și se pot îmbina. Subpulsurile separate duc la un mod de operare mai dur al cheii.
Ca sursă de semnal digital PWM, puteți utiliza un port COM de computer cu un semnal de ieșire de 10 biți. Luând în considerare 8 biți de informații și 2 biți de pornire/oprire, semnalul portului COM conține de la 1 la 9 „uni”, ceea ce vă permite să reglați tensiunea în intervalul de 10-90% din tensiunea de alimentare în pași de 10% .
Când lucrați cu multe tehnologii diferite, întrebarea este adesea: cum să gestionați puterea disponibilă? Ce să faci dacă trebuie coborât sau ridicat? Răspunsul la aceste întrebări este un regulator PWM. Ceea ce este el? Unde este folosit? Și cum să asamblați singur un astfel de dispozitiv?
Ce este modularea lățimii impulsului?
Fără a clarifica sensul acestui termen, nu are sens să continui. Deci, modularea lățimii impulsurilor este procesul de control al puterii care este furnizată sarcinii, realizat prin modificarea ciclului de lucru al impulsurilor, care se face la o frecvență constantă. Există mai multe tipuri de modulare a lățimii impulsului:
1. Analogic.
2. Digital.
3. Binar (cu două niveluri).
4. Trinitate (cu trei niveluri).
Ce este un regulator PWM?
Acum că știm ce este modularea lățimii pulsului, putem vorbi despre subiectul principal al articolului. Un regulator PWM este utilizat pentru a regla tensiunea de alimentare și pentru a preveni sarcinile inerțiale puternice în automobile și motociclete. Acest lucru poate suna complicat și este cel mai bine explicat cu un exemplu. Să presupunem că trebuie să faceți ca lămpile de iluminat interior să-și schimbe luminozitatea nu imediat, ci treptat. Același lucru este valabil și pentru luminile laterale, farurile auto sau ventilatoarele. Această dorință poate fi realizată prin instalarea unui regulator de tensiune tranzistor (parametric sau de compensare). Dar cu un curent mare, va genera o putere extrem de mare și va necesita instalarea unor calorifere mari suplimentare sau un adaos sub forma unui sistem de răcire forțată folosind un mic ventilator scos din dispozitivul computerului. După cum puteți vedea, această cale implică multe consecințe care vor trebui depășite.
Adevărata salvare din această situație a fost regulatorul PWM, care funcționează pe tranzistoare puternice de putere cu efect de câmp. Pot comuta curenți mari (până la 160 de amperi) cu o tensiune de poartă de numai 12-15V. Trebuie remarcat faptul că rezistența unui tranzistor deschis este destul de scăzută și, datorită acestui lucru, nivelul de disipare a puterii poate fi redus semnificativ. Pentru a vă crea propriul regulator PWM, veți avea nevoie de un circuit de control care poate furniza o diferență de tensiune între sursă și poartă în intervalul 12-15V. Dacă acest lucru nu poate fi realizat, rezistența canalului va crește foarte mult, iar disiparea puterii va crește semnificativ. Și acest lucru, la rândul său, poate cauza supraîncălzirea și defectarea tranzistorului.
Sunt produse o întreagă gamă de microcircuite pentru regulatoarele PWM care pot rezista la o creștere a tensiunii de intrare la un nivel de 25-30V, în ciuda faptului că sursa de alimentare va fi de numai 7-14V. Acest lucru va permite tranzistorului de ieșire să fie pornit în circuit împreună cu drenajul comun. Acest lucru, la rândul său, este necesar pentru a conecta o sarcină cu un minus comun. Exemplele includ următoarele mostre: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Majoritatea sarcinilor nu consumă mai mult de 10 amperi de curent, deci nu pot provoca scăderi de tensiune. Și, ca rezultat, puteți utiliza circuite simple fără modificare sub forma unei unități suplimentare care va crește tensiunea. Și tocmai aceste mostre de regulatoare PWM vor fi discutate în articol. Ele pot fi construite pe baza unui multivibrator asimetric sau standby. Merită să vorbim despre regulatorul de turație a motorului PWM. Mai multe despre asta mai târziu.
Schema nr. 1
Acest circuit de controler PWM a fost asamblat folosind invertoare cu cip CMOS. Este un generator de impulsuri dreptunghiulare care funcționează pe 2 elemente logice. Datorită diodelor, aici constanta de timp de descărcare și încărcare a condensatorului de setare a frecvenței se modifică separat. Acest lucru vă permite să modificați ciclul de funcționare al impulsurilor de ieșire și, ca rezultat, valoarea tensiunii efective care este prezentă la sarcină. În acest circuit, este posibil să se utilizeze orice elemente CMOS inversoare, precum și NOR și AND. Exemplele includ K176PU2, K561LN1, K561LA7, K561LE5. Puteți utiliza alte tipuri, dar înainte de aceasta va trebui să vă gândiți cu atenție cum să grupați corect intrările lor, astfel încât să poată îndeplini funcționalitatea atribuită. Avantajele schemei sunt accesibilitatea și simplitatea elementelor. Dezavantajele sunt dificultatea (aproape imposibilitatea) modificării și imperfecțiunea privind schimbarea intervalului de tensiune de ieșire.
Schema nr. 2
Are caracteristici mai bune decât primul eșantion, dar este mai dificil de implementat. Poate regla tensiunea efectivă de sarcină în intervalul 0-12V, la care se modifică de la o valoare inițială de 8-12V. Curentul maxim depinde de tipul de tranzistor cu efect de câmp și poate atinge valori semnificative. Având în vedere că tensiunea de ieșire este proporțională cu intrarea de control, acest circuit poate fi utilizat ca parte a unui sistem de control (pentru a menține nivelul de temperatură).
Motivele răspândirii
Ce îi atrage pe pasionații de mașini către un controler PWM? Trebuie remarcat faptul că există dorința de a crește eficiența la construirea celor secundare pentru echipamente electronice. Datorită acestei proprietăți, această tehnologie poate fi găsită și în fabricarea monitoarelor de computer, a afișajelor din telefoane, laptop-uri, tablete și echipamente similare, și nu doar în mașini. De asemenea, trebuie remarcat faptul că această tehnologie este semnificativ ieftină atunci când este utilizată. De asemenea, dacă decideți să nu cumpărați, ci să asamblați singur un controler PWM, puteți economisi bani atunci când vă îmbunătățiți propria mașină.
Concluzie
Ei bine, acum știți ce este un regulator de putere PWM, cum funcționează și puteți chiar să asamblați singur dispozitive similare. Prin urmare, dacă doriți să experimentați cu capabilitățile mașinii dvs., există un singur lucru de spus despre asta - fă-o. Mai mult, nu numai că puteți utiliza diagramele prezentate aici, ci și le puteți modifica semnificativ dacă aveți cunoștințele și experiența corespunzătoare. Dar chiar dacă totul nu funcționează prima dată, puteți câștiga un lucru foarte valoros - experiență. Cine știe unde ar putea fi util în continuare și cât de importantă va fi prezența lui.
Metoda de modulare a lățimii impulsului (PWM) este una dintre cele mai eficiente în ceea ce privește îmbunătățirea calității tensiunii de ieșire a AU. Ideea principală a metodei este că curba tensiunii de ieșire se formează sub forma unei serii de impulsuri de înaltă frecvență, a căror durată variază (modulează) conform unei anumite legi, în cele mai multe cazuri sinusoidale. Frecvența de repetiție a pulsului se numește frecvență purtătoare (sau ceas), iar frecvența cu care se modifică durata pulsului se numește frecvență de modulație. Deoarece frecvența purtătoarei este de obicei semnificativ mai mare decât frecvența de modulație, armonicile care sunt multipli ai frecvenței purtătoare și sunt prezente în spectrul tensiunii de ieșire sunt relativ ușor suprimate folosind un filtru adecvat.
În prezent, sunt cunoscute destul de multe tipuri de PWM, clasificate după diverse criterii. De exemplu, pe baza tipului de impulsuri de tensiune de ieșire, modulația se distinge între unipolară și bipolară. Cel mai simplu exemplu de modulație bipolară sunt procesele implementate într-un circuit invertor monofazat cu semi-punte (Fig. 4.9). Impulsurile de control furnizate bazelor tranzistoarelor de putere, așa cum se arată în Figura 4.9(b), sunt formate prin compararea tensiunii de joasă frecvență modulantă cu o tensiune de referință din dinte de ferăstrău, a cărei frecvență este frecvența purtătoare.
Să presupunem că sistemul de control este organizat în așa fel încât, dacă valoarea instantanee a tensiunii de referință este mai mare decât valoarea tensiunii de modulare, atunci tranzistorul VT2 este pornit și se formează un impuls de polaritate pozitivă la sarcină, așa cum se arată în Figura 4.9(c). În consecință, dacă tensiunea de referință devine mai mică decât tensiunea de modulare, atunci tranzistorul VT2 se oprește și tranzistorul VT1 se pornește, ceea ce duce la o modificare a polarității tensiunii pe sarcină. Odată cu natura activ-inductivă a sarcinii, polaritatea tensiunii de ieșire se modifică datorită includerii unei diode inverse VD1, prin care curentul de sarcină este închis, susținută de emf inductiv L.
Când tensiunea de modulare se modifică, durata impulsurilor de tensiune de ieșire pozitive și negative se modifică; în consecință, valoarea medie a tensiunii pe perioada frecvenței purtătoare se modifică.
Combinația acestor valori medii ale tensiunii de ieșire formează o componentă netedă, a cărei formă este determinată de semnalul de modulare. Principalul dezavantaj al modulației bipolare este amplitudinea mare a primei armonice a frecvenței purtătoare.
Cu modulația unipolară, așa cum se arată în figura 4.10, în curba tensiunii de ieșire în timpul unei semi-unde a semnalului de modulare, se formează impulsuri de o singură polaritate, iar în loc de impulsuri de tensiune de polaritate opusă, un interval cu tensiune zero (zero raft) se formează. În acest caz, când se modifică durata impulsurilor de tensiune, durata raftului zero se modifică în mod corespunzător, astfel încât perioada frecvenței purtătoarei rămâne constantă.
Modulația unipolară poate fi implementată într-un circuit de punte monofazat AIN, cu condiția ca o pereche de tranzistoare de putere, de exemplu, VT1 și VT4, comută cu frecvența semnalului de modulație, la momente etc., iar a doua pereche de tranzistori comută cu frecvența purtătoare. Durata impulsurilor de control se formează în același mod ca în cazul precedent, ca urmare a comparării tensiunii de referință și a semnalului modulator. Formarea unui impuls la ieșirea invertorului, de exemplu, de polaritate pozitivă, este asigurată prin pornirea simultană a tranzistorilor VT1 și VT2. Deoarece tranzistorul VT2 comută la o frecvență înaltă, atunci când este oprit, tranzistorul VT1 rămâne pornit, ceea ce duce la închiderea curentului de sarcină stocat în inductanță prin tranzistorul VT1 și dioda VD3. În acest caz, tensiunea la ieșirea invertorului este egală cu suma căderilor de tensiune între tranzistor și diodă, adică. aproape de zero. În mod similar, un raft zero este creat atunci când se formează o jumătate de undă negativă a unei componente netede: când tranzistorul VT3 este oprit, curentul de sarcină este închis prin tranzistorul VT4 și dioda VD2. Astfel, polaritatea componentei netede a tensiunii de ieșire este determinată prin pornirea tranzistoarelor VT1 sau VT4, iar umplerea de înaltă frecvență și, în consecință, forma componentei netede este determinată prin comutarea tranzistoarelor VT2 sau VT3.
Principalul avantaj al modulației unipolare, în comparație cu modulația bipolară, este reducerea amplitudinilor armonicilor de înaltă frecvență.
Trebuie remarcat faptul că modularea unipolară nu este posibilă în unele circuite, cum ar fi semipunte monofazate. În acest caz, pentru a implementa modulația unipolară este necesar să se utilizeze circuite mai complexe, de exemplu, circuitul prezentat în Figura 4.7.
Pe baza metodei de formare a duratei impulsurilor de înaltă frecvență, se disting mai multe tipuri de modulare a lățimii impulsului, dintre care cele mai comune sunt PWM de primul și al doilea tip. Cu modularea lățimii pulsului de primul fel (PWM-1), durata impulsului generat este proporțională cu valorile semnalului de modulare, selectat la anumite momente de timp predeterminate. Principiul formării duratei impulsului cu PWM-1 este ilustrat în Fig. 4.11(a).
Principiul formării duratei impulsului cu PWM-2 este prezentat în Fig. 4.11(b). În acest caz, durata impulsului este determinată de valoarea semnalului modulator la sfârșitul impulsului.
Pe baza metodei de modificare a duratei, se disting modulația unidirecțională și bidirecțională. De exemplu, în Fig. 4.9 arată unul-
modulare terță parte, deoarece atunci când semnalul de modulare se schimbă, momentul în care este generată doar marginea de fugă a impulsului se modifică. În consecință, în fig. Figura 4.10 prezintă un exemplu de modulație în două sensuri.
Raportul dintre frecvența purtătoarei și frecvența semnalului de modulare se numește multiplu de frecvență purtătoare. Multiplicitatea poate fi fie un întreg, fie o fracție, iar în cazul general, multiplicitatea poate fi și o fracție irațională. Multiplicitatea afectează semnificativ compoziția spectrală a tensiunii de ieșire, iar cu multiplicități fracționale-raționale, în spectrul tensiunii de ieșire apar armonici cu o frecvență mai mică decât frecvența semnalului modulator. Astfel de armonici sunt numite subarmonice, iar amplitudinea lor crește pe măsură ce factorul de frecvență purtătoare scade, ceea ce poate duce la întreruperea funcționării normale a invertorului. Pentru a suprima subarmonicile, multiplicitatea frecvenței purtătoare ar trebui crescută, dar acest lucru crește inevitabil pierderile de comutare în dispozitivele de putere ale invertorului.
Componenta utilă a tensiunii de ieșire este determinată de forma componentei netede, care, la rândul său, depinde de forma semnalului de modulare sau, așa cum se numește în mod obișnuit, de legea modulației. În prezent, modulația după legea sinusoidală, trapezoidală sau dreptunghiulară este cel mai des utilizată. În special, metoda de control al lățimii impulsului la frecvența purtătoare discutată mai sus nu este altceva decât utilizarea PWM conform legii dreptunghiulare.
- Înapoi
- Redirecţiona
Știri întâmplătoare
3.2. Criterii de stabilitate algebrică
Unul dintre primele criterii de durabilitate a fost identificat de profesorul J. A. Vishnegradsky și dat de acesta în lucrările sale „Despre regulatorii cu acțiune directă” și „Despre regulatorii cu acțiune indirectă”. Criteriul este formulat pentru procese descrise prin ecuații diferențiale de ordinul trei, a căror ecuație caracteristică se reduce la forma: .
Figura 3.4 - Diagrama care definește aria de stabilitate a sistemelor descrise prin ecuații de ordinul 3. (diagrama Vishnegradsky)
Dacă introducem notația și, atunci conform lui Vishnegradsky, pentru ca sistemul să fie stabil este necesar ca, sau. În figura 3.4, hiperbola ΧΥ =1 este reprezentată în coordonatele X și Υ, ceea ce dă limita de stabilitate a sistemului. Linia dintre zonele de rezistență este de obicei hașurată, astfel încât zonele de rezistență să poată fi văzute de la hașurare fără alte explicații.
Pe diagrama din figura 3.4 există o linie trasată a limitei aperiodicității, determinată de condiția cu un punct de față la valorile lui X = Υ = 3.
Criteriul de stabilitate Vishnegradsky prezentat mai sus este un caz separat al criteriului de stabilitate Routh-Hurwitz. Acest criteriu poate fi formulat astfel, în forma propusă de Hurwitz: dacă sistemul este descris printr-o ecuație diferențială liniară, a cărei ecuație caracteristică este:
atunci pentru ca acesta să fie stabil, adică pentru ca toate rădăcinile reale și părțile reale ale rădăcinilor complexe ale ecuației caracteristice să fie negative, este necesar și suficient ca toți coeficienții ecuației să aibă același semn și determinantul diagonală este de ordinul n-1, compus din coeficienții ecuației, iar toate diagonalele sale minore ar fi pozitive:
Determinantul diagonal este compus după cum urmează:
Astfel, pentru ca sistemul să fie stabil, este necesar ca toți coeficienții să aibă același semn și toți determinanții să fie mai mari decât 0.
Ordinea de compilare a diagonalelor minore poate fi analizată folosind exemplul unei ecuații de gradul cinci:
Apoi obținem:
Pentru o ecuație de ordinul trei:
Si deasemenea.
Rețineți că pentru și avem condițiile de stabilitate Vyshegradsky
Atât criteriul Vishnegradsky, cât și criteriul Routh-Hurwitz determină stabilitatea sistemului pe baza coeficienților ecuației caracteristice și se numesc criterii de stabilitate algebrică. Să ne uităm la câteva exemple de cercetare a rezistenței folosind criteriul Routh-Hurwitz.
Exemplul 1. Ecuația caracteristică a sistemului
Pentru aceasta:
Așa cum toți coeficienții acestei ecuații sunt mai mari decât zero, tot așa și determinanții sunt mai mari decât zero - sistemul este stabil.
PWM sau PWM (pulse-width modulation, în engleză) este o modalitate de a controla alimentarea cu energie a sarcinii. Controlul constă în modificarea duratei pulsului la o rată constantă de repetare a pulsului. Modularea lățimii impulsului poate fi analogică, digitală, binară sau ternară.
Utilizarea modulației pe lățime a impulsurilor face posibilă creșterea eficienței convertoarelor electrice, în special a convertoarelor de impulsuri, care formează astăzi baza surselor de alimentare secundare pentru diferite dispozitive electronice. Flyback și înainte cu un singur ciclu, push-pull și semi-bridge, precum și convertoarele de impulsuri în punte sunt controlate astăzi cu participarea PWM, acest lucru se aplică și convertoarelor rezonante.
Modularea lățimii pulsului vă permite să reglați luminozitatea luminii de fundal a ecranelor cu cristale lichide ale telefoanelor mobile, smartphone-urilor și laptopurilor. PWM este implementat în invertoarele de automobile, încărcătoare etc. Orice încărcător folosește astăzi PWM în funcționarea sa.
Ca elemente de comutare în convertoarele moderne de înaltă frecvență, bipolare și tranzistoare cu efect de câmp, care operează în modul cheie. Aceasta înseamnă că o parte din perioada tranzistorului este complet deschisă, iar o parte din perioadă este complet închisă.
Și întrucât în stările tranzitorii care durează doar zeci de nanosecunde, puterea eliberată pe comutator este mică în comparație cu puterea comutată, puterea medie eliberată sub formă de căldură pe comutator se dovedește în cele din urmă a fi nesemnificativă. În acest caz, în stare închisă, rezistența tranzistorului ca comutator este foarte mică, iar căderea de tensiune pe el se apropie de zero.
În stare deschisă, conductivitatea tranzistorului este aproape de zero și practic nu trece curent prin el. Acest lucru face posibilă crearea convertoarelor compacte cu eficiență ridicată, adică cu pierderi termice reduse. Iar convertoarele rezonante cu comutare la curent zero ZCS (zero-current-switching) fac posibilă reducerea la minimum a acestor pierderi.
La generatoarele PWM de tip analog, semnalul de control este generat de un comparator analog atunci când, de exemplu, un semnal triunghiular sau dinți de ferăstrău este furnizat la intrarea inversoare a comparatorului și un semnal continuu modulator este furnizat la intrarea neinversoare.
Se obțin impulsurile de ieșire, frecvența lor de repetiție este egală cu frecvența ferăstrăului (sau a semnalului triunghiular), iar durata părții pozitive a impulsului este asociată cu timpul în care nivelul semnalului constant modulator furnizat către intrarea neinversoare a comparatorului este mai mare decât nivelul semnalului ferăstrăului, care este furnizat intrării inversoare. Când tensiunea ferăstrăului este mai mare decât semnalul de modulare, ieșirea va avea o parte negativă a impulsului.
Dacă ferăstrăul este alimentat la intrarea neinversoare a comparatorului și semnalul de modulare este furnizat la intrarea de inversare, atunci impulsurile dreptunghiulare de ieșire vor avea o valoare pozitivă atunci când tensiunea ferăstrăului este mai mare decât valoarea semnalului de modulare furnizat. la intrarea inversoare și negativă atunci când tensiunea ferăstrăului este mai mică decât semnalul de modulare. Un exemplu de generare analogică PWM este microcircuitul TL494, care este utilizat pe scară largă astăzi în construcția surselor de alimentare în comutație.
PWM digital este utilizat în tehnologia digitală binară. Impulsurile de ieșire iau, de asemenea, doar una dintre cele două valori (pornit sau oprit), iar nivelul mediu de ieșire se apropie de nivelul dorit. Aici semnalul dinți de ferăstrău este obținut folosind un contor de N-biți.
Dispozitivele digitale cu PWM funcționează, de asemenea, la o frecvență constantă, care depășește în mod necesar timpul de răspuns al dispozitivului controlat, această abordare se numește supraeșantionare. Între marginile ceasului, ieșirea digitală PWM rămâne stabilă, fie mare, fie scăzută, în funcție de starea curentă a ieșirii comparatorului digital, care compară nivelurile semnalului de la contor și cel digital aproximativ.
Ieșirea este sincronizată ca o secvență de impulsuri cu stările 1 și 0; fiecare stare de ceas se poate schimba sau nu în opus. Frecvența impulsurilor este proporțională cu nivelul semnalului care se apropie, iar unitățile care se urmăresc pot forma un impuls mai larg și mai lung.
Impulsurile rezultate de lățime variabilă vor fi un multiplu al perioadei de ceas, iar frecvența va fi egală cu 1/2NT, unde T este perioada de ceas, N este numărul de cicluri de ceas. Aici este posibilă o frecvență mai mică în raport cu frecvența ceasului. Circuitul de generare digitală descris este modulație PCM codificată în impulsuri PWM pe un bit sau două niveluri.
Această modulație codificată pe două niveluri este în esență o serie de impulsuri cu o frecvență de 1/T și o lățime de T sau 0. Supraeșantionarea este utilizată pentru a medie pe o perioadă mai mare de timp. PWM de înaltă calitate poate fi obținut utilizând modularea densității impulsurilor pe un bit, numită și modulație a frecvenței impulsurilor.
Cu modularea digitală a lățimii pulsului, subpulsurile dreptunghiulare care umplu o perioadă pot cădea în orice loc al perioadei, iar apoi numai numărul lor afectează valoarea medie a semnalului în perioada respectivă. Deci, dacă împărțiți perioada în 8 părți, atunci combinațiile de impulsuri 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 etc. vor da aceeași valoare medie pentru perioada, totuși, unitățile separate fac modul de funcționare al tranzistorului cheie mai greu.
Luminații din electronică, vorbind despre PWM, dau următoarea analogie cu mecanica. Dacă utilizați un motor pentru a roti un volant greu, deoarece motorul poate fi fie pornit, fie oprit, volantul fie se va învârti și va continua să se rotească, fie se va opri din cauza frecării atunci când motorul este oprit.
Dar dacă motorul este pornit câteva secunde pe minut, atunci rotația volantului se va menține, din cauza inerției, la o anumită viteză. Și cu cât motorul este pornit mai mult, cu atât viteza volantului se va învârti mai mare. La fel și cu PWM, semnalul de pornire și oprire (0 și 1) vine la ieșire și, ca rezultat, se atinge valoarea medie. Prin integrarea tensiunii pulsului în timp, obținem zona de sub impulsuri, iar efectul asupra corpului de lucru va fi identic cu lucrul la o valoare medie a tensiunii.
Așa funcționează convertoarele, unde comutarea are loc de mii de ori pe secundă, iar frecvențele ajung la câțiva megaherți. Controlerele speciale PWM sunt utilizate pe scară largă pentru a controla balasturile lămpilor de economisire a energiei, sursele de alimentare etc.
Raportul dintre durata totală a perioadei pulsului și timpul de pornire (partea pozitivă a pulsului) se numește ciclu de lucru al pulsului. Deci, dacă timpul de pornire este de 10 μs, iar perioada durează 100 μs, atunci la o frecvență de 10 kHz, ciclul de lucru va fi egal cu 10 și ei scriu că S = 10. Ciclul de lucru invers se numește ciclul de funcționare al impulsului, în engleză Duty cycle, sau abreviat ca DC.
Deci, pentru exemplul dat, DC = 0,1, deoarece 10/100 = 0,1. Cu modularea lățimii impulsului, prin ajustarea ciclului de lucru al impulsului, adică prin variarea DC, valoarea medie necesară este atinsă la ieșirea unui dispozitiv electronic sau a altui dispozitiv electric, cum ar fi un motor.
Modularea lățimii impulsului(PWM, engleză) modulație pe lățimea impulsurilor (PWM)) - procesul de control al puterii furnizate sarcinii prin modificarea ciclului de lucru al impulsurilor la o frecvență constantă. Distinge PWM analogicȘi PWM digital, PWM binar (cu două niveluri).Și PWM ternar (cu trei niveluri). .
Grafic care ilustrează utilizarea PWM pe trei niveluri pentru controlul motorului, care este utilizat în acționările cu motor cu inducție cu frecvență variabilă. Tensiunea de la modulatorul PHI furnizat înfășurării mașinii este afișată cu albastru (V). Fluxul magnetic din statorul mașinii este afișat cu roșu (B). Aici fluxul magnetic are o formă aproximativ sinusoidală, datorită legii PWM corespunzătoare.
Motive pentru răspândirea PWM
Motivul principal pentru utilizarea PWM este dorința de a crește eficiența la construirea surselor de alimentare secundare pentru echipamente electronice și în alte componente, de exemplu, PWM este utilizat pentru a regla luminozitatea luminii de fundal a monitoarelor LCD și a afișajelor din telefoane, PDA-uri etc.
Putere termică eliberată pe comutator cu PWM
În PWM, tranzistoarele sunt folosite ca elemente cheie (pot fi utilizate și alte dispozitive semiconductoare) nu într-un mod liniar, ci într-un mod de comutare, adică tranzistorul este întotdeauna fie deschis (oprit), fie închis (într-o stare de saturație). ). În primul caz, tranzistorul are o rezistență aproape infinită, deci curentul din circuit este foarte mic și, deși întreaga tensiune de alimentare scade pe tranzistor, puterea eliberată de tranzistor este practic nulă. În al doilea caz, rezistența tranzistorului este extrem de scăzută și, prin urmare, căderea de tensiune pe acesta este aproape de zero - puterea eliberată este, de asemenea, mică. În stările de tranziție (tranziția unui comutator de la o stare conducătoare la o stare neconductoare și înapoi), puterea eliberată în comutator este semnificativă, dar întrucât durata stărilor de tranziție este extrem de scurtă în raport cu perioada de modulație, media pierderile de putere de comutare se dovedesc a fi nesemnificative.
1. 
Principiul de funcționare PWM
PWM analogic[
Semnalul PWM este generat de un comparator analogic, o intrare (conform figurii - intrarea de inversare a comparatorului) este furnizată cu un dinte de ferăstrău sau semnal triunghiular de referință auxiliar cu o frecvență semnificativ mai mare decât frecvența semnalului de modulare, iar celălalt - un semnal analogic continuu modulator. Frecvența de repetiție a impulsurilor de ieșire PWM este egală cu frecvența dinților de ferăstrău sau a tensiunii triunghiulare. În acea parte a perioadei de tensiune din dinte de ferăstrău, când semnalul de la intrarea inversoare a comparatorului este mai mare decât semnalul de la intrarea neinversoare, unde este aplicat semnalul modulator, se obține o tensiune negativă la ieșire, în celălalt parte a perioadei, când semnalul de la intrarea inversoare a comparatorului este mai mic decât semnalul de la intrarea care nu inversează, va exista o tensiune pozitivă.
PWM analogic este implementat folosind un comparator, dintre care o intrare este furnizată cu un semnal periodic triunghiular sau dinți de ferăstrău de la un generator auxiliar, iar cealaltă cu un semnal modulator. La ieșirea comparatorului se formează impulsuri dreptunghiulare periodice cu lățime variabilă, al căror ciclu de lucru variază în funcție de legea semnalului de modulare, iar frecvența este egală cu frecvența semnalului triunghiular sau dinți de ferăstrău și este de obicei constantă.
PWM analogic este utilizat în amplificatoarele de joasă frecvență ale " D».
Una dintre metodele PWM cu două niveluri folosind un comparator analogic. O tensiune în dinte de ferăstrău de la generatorul auxiliar este furnizată la una dintre intrările comparatorului, iar o tensiune de modulare este furnizată la cealaltă intrare. Starea de ieșire a comparatorului este modulația PHI. În figură: mai sus - un semnal cu dinți de ferăstrău și tensiune de modulare, mai jos - rezultatul PWM.
PWM digital
În tehnologia digitală binară, unde ieșirile pot lua doar una din două valori, aproximarea nivelului mediu de ieșire dorit folosind PWM este complet naturală. Circuitul este la fel de simplu: este generat un semnal din dinte de ferăstrău N-contor de biți. Dispozitivele digitale (DSHIP) operează la o frecvență fixă, de obicei mult mai mare decât răspunsul instalațiilor controlate ( reeșantionarea). În perioadele dintre marginile ceasului, ieșirea DSCH rămâne stabilă, este fie scăzută, fie ridicată, în funcție de ieșirea comparatorului digital, care compară valoarea contorului cu nivelul semnalului digital care se apropie. V(n). O ieșire pe mai multe cicluri de ceas poate fi interpretată ca o serie de impulsuri cu două valori posibile 0 și 1, înlocuindu-se reciproc fiecare ciclu de ceas T. Frecvența de apariție a impulsurilor individuale este proporțională cu nivelul semnalului de apropiere ~ V(n). Unitățile care urmează una după alta formează conturul unui impuls mai larg. Durata impulsurilor recepţionate de lăţime variabilă ~ V(n) sunt multipli ai perioadei de ceas T, iar frecvența este 1/( T*2N). Frecvența scăzută înseamnă lung, relativ T, perioade de constanță a semnalului la același nivel, ceea ce dă uniformitate scăzută a distribuției impulsului.
Circuitul de generare digitală descris se încadrează în definiția modulării codului de impuls pe un bit (două nivele) ( PCM). PCM de 1 bit poate fi considerat în termeni PWM ca o serie de impulsuri cu o frecvență de 1/ Tși lățimea 0 sau T. Supraeșantionarea disponibilă vă permite să obțineți o medie într-o perioadă mai scurtă de timp. Un tip de PCM pe un bit, cum ar fi modularea densității impulsurilor ( modularea densității pulsului), care se mai numește modularea frecvenței impulsurilor.
Un semnal analogic continuu este restabilit prin medierea aritmetică a impulsurilor pe mai multe perioade folosind un filtru trece-jos simplu. Deși de obicei nici acest lucru nu este necesar, deoarece componentele electromecanice ale unității au inductanță, iar obiectul de control (OA) are inerție, impulsurile de la ieșirea PWM sunt netezite și amplificatorul operațional, cu o frecvență suficientă a PWM semnal, se comportă ca și cum ar controla un semnal analogic obișnuit.
În PWM digital, perioada este împărțită în părți, care sunt umplute cu subpulsuri dreptunghiulare. Valoarea medie a perioadei depinde de numărul de subpulsuri dreptunghiulare. PWM digital - aproximarea unui semnal binar (cu două niveluri - pe/oprit) la un semnal pe mai multe niveluri sau continuu, astfel încât valorile lor medii pe perioada de timp t 2 -t 1 să fie aproximativ egale.
Formal, acest lucru poate fi scris astfel:
Unde X(t) - semnal de intrare variind de la t 1 inainte de t 2, și ∆ T i= - durata i subpulsul PWM, fiecare cu amplitudine A. n este selectat astfel încât, în timpul perioadei, diferența dintre suprafețele totale (energii) ambelor cantități să fie mai mică decât este permisă:
.
„Nivelurile” controlate, de regulă, sunt parametrii de putere ai centralei electrice, de exemplu, tensiunea convertoarelor de impulsuri / regulatoarelor de tensiune constantă / sau viteza unui motor electric. Pentru surse de puls X(t) = U const stabilizare.
În PWM digital, subpulsurile dreptunghiulare care umplu o perioadă pot fi localizate oriunde în perioada; valoarea medie a perioadei este afectată doar de numărul lor. De exemplu, la împărțirea unei perioade în 8 părți, secvențele 11110000, 11101000, 11100100, 11100010, 11100001 etc. dau aceeași valoare medie pentru perioada, dar „1-urile” separate înrăutățesc modul de funcționare al comutatorului (tranzistor).
Puteți folosi chiar și un port COM ca PWM. Deoarece 0 este transmis ca 0 0000 0000 1 (8 biți de date + pornire/oprire) și 255 ca 0 1111 1111 1, intervalul de tensiune de ieșire este 10-90% în trepte de 10%.