Kas yra PWM, kaip tai išmatuoti

PWM reiškia pulso pločio moduliaciją, kuri reiškia kintamą impulsų pločių pobūdį, kuris gali būti generuojamas iš tam tikro šaltinio, pavyzdžiui, diskrečiosios IC, MCU ar tranzistorinės grandinės.

Kas yra PWM

Paprasčiau tariant, PWM procesas yra ne kas kita, kaip maitinimo įtampos įjungimas ir išjungimas tam tikru greičiu, esant skirtingiems įjungimo / išjungimo laiko santykiams, čia įjungimo įtampos ilgis gali būti didesnis, mažesnis arba lygus išjungimo ilgiui.

Pavyzdžiui, PWM gali būti įtampa, fiksuota įjungti ir išjungti 2 sekundžių ON 1 sekundės OFF, 1 sekundės ON 2 sekundžių OFF arba 1 sekundės ON, 1 sekundės OFF.

Kai ši maitinimo įtampos įjungimo / išjungimo sparta yra skirtingai optimizuota, sakome, kad įtampa yra moduliuojama PWM arba impulso pločio.

Jūs visi jau turite žinoti, kaip pastovus nuolatinės srovės potencialas rodomas įtampos v / s laiko grafike, kaip parodyta žemiau:

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje galime pamatyti tiesią liniją 9 V lygyje, tai pasiekiama, nes 9 V lygis nekinta laiko atžvilgiu, todėl mes galime matyti tiesią liniją.

Dabar, jei šis 9V įjungiamas ir išjungiamas kas 1 sekundę, aukščiau pateiktoje diagramoje tai atrodys taip:

Mes aiškiai matome, kad dabar 9V linija nebėra tiesiosios linijos vertintojas blokų pavidalu po kas 1 sekundės, nes 9V pakaitomis įjungiamas ir išjungiamas po kiekvienos sekundės.

Pirmiau pateikti pėdsakai atrodo kaip stačiakampiai blokai, nes įjungus ir išjungus 9 V, operacijos atliekamos greitai, o staiga 9 V eina į nulio lygį ir staiga iki 9 V lygio, taip suformuojant stačiakampio formos grafike.

Minėta sąlyga sukelia pulsuojančią įtampą, kuri turi išmatuoti du parametrus, būtent: didžiausia įtampa ir vidutinė įtampa arba RMS įtampa.

Didžiausia ir vidutinė įtampa

Pirmajame paveikslėlyje didžiausia įtampa yra 9V, o vidutinė įtampa taip pat yra 9V vien todėl, kad įtampa yra pastovi be jokių pertraukų.

Tačiau antrame paveikslėlyje, nors įtampa įjungiama / išjungiama 1 Hz dažniu (1 sekundė ĮJ, 1 sekundė IŠJUNGTA), smailė vis tiek bus lygi 9V, nes pikas įjungimo periodais visada pasiekia 9V ženklą. Tačiau vidutinė įtampa čia nėra 9 V, o 4,5 V, nes įtampos padėtis ir pertrauka atliekama 50% greičiu.

PWM diskusijose ši ON / OFF norma vadinama PWM darbo ciklu, todėl minėtu atveju tai yra 50% darbo ciklas.

Kai matuojate PWM su skaitmeniniu multimetru nuolatinės srovės diapazone, visada gausite vidutinę skaitiklio reikšmę.

Nauji mėgėjai dažnai painiojasi su šiuo skaitymu ir laiko jį didžiausia verte, o tai yra visiškai neteisinga.

Kaip paaiškinta aukščiau, didžiausia PWM vertė dažniausiai bus lygi maitinimo įtampai, tiekiamai grandinei, o vidutinė skaitiklio įtampa bus PWM įjungimo / išjungimo laikotarpių vidurkis.

„Mosfet“ perjungimas su PWM

Taigi, jei perjungiate „mosfet“ su PWM ir nustatote, kad vartų įtampa yra, pavyzdžiui, 3 V, nepanikuokite, nes tai gali būti tik vidutinė skaitiklio nurodyta įtampa, piko įtampa gali būti tokia pati kaip jūsų grandinės maitinimas Įtampa.

Todėl galima tikėtis, kad „mosfet“ gerai dirbs per šias didžiausias vertes, o vidutinė įtampa darys įtaką tik jo laidumo laikotarpiui, o ne prietaiso perjungimo specifikacijai.

Kaip jau aptarėme ankstesniuose skyriuose, PWM iš esmės apima impulsų pločių kintimą, kitaip tariant, nuolatinės srovės įjungimo ir išjungimo periodus.

Tarkime, pavyzdžiui, norite PWM išvesties, kurios įjungimo laikas yra 50% mažesnis nei įjungimo laiko.

Tarkime, kad pasirinktas įjungimo laikas yra 1/2 sekundės, tada išjungimo laikas būtų lygus 1 sekundei, o tai sukeltų 1/2 sekundės įjungimo ir 1 sekundės išjungimo veikimo ciklą, kaip matyti iš šios diagramos .

Analizuojant PWM darbo ciklą

Šiame pavyzdyje PWM yra optimizuoti, kad gautų didžiausią 9 V įtampą, bet vidutinė 3,15 V įtampa, nes įjungimo laikas yra tik 35% viso pilno ON / OFF ciklo.

Vienas pilnas ciklas reiškia laiko periodą, kuris suteikia tam tikram impulsui visą savo įjungimo laiką ir vieną išjungimo laiką.

Panašiai gali būti ketinama optimizuoti dažnio impulso plotį pagal šiuos duomenis:

Čia galima pastebėti, kad įjungimo laikas padidėjo nei išjungimo laikas 65% per visą visą ciklą, todėl čia vidutinė įtampos vertė tampa 5,85 V.

Pirmiau aptarta vidutinė įtampa taip pat vadinama RMS arba vidutine įtampos kvadratine verte.

Kadangi tai visi stačiakampiai arba kvadratiniai impulsai, RMS galima apskaičiuoti paprasčiausiai padauginus darbo ciklo procentinę dalį su smailės įtampa.

PWM optimizavimas imituoti „Sinewave“

Tačiau tais atvejais, kai PWM yra optimizuotas imituoti kintamosios srovės impulsą, RMS skaičiavimas tampa šiek tiek sudėtingas.

Paimkime šio PWM pavyzdį, kuris yra optimizuotas keičiant jo plotį, atsižvelgiant į kintamą sinusoidinio kintamosios srovės amplitudę ar lygį.

Daugiau apie tai galite sužinoti per vieną iš ankstesnių mano straipsnių, kuriame paaiškinau, kaip galima naudoti IC 555 generuojantis sinusinės bangos ekvivalentinį PWM išėjimą .

Kaip matome aukščiau esančiame paveikslėlyje, impulsų plotis keičiasi atsižvelgiant į momentinį sinusinės bangos lygį. Sinusinei bangai linkus pasiekti smailę, atitinkamas impulso plotis tampa platesnis ir atvirkščiai.

Naudojant SPWM

Tai rodo, kad dėl to, kad sinusinės bangos įtampos lygis nuolat kinta, laikui bėgant, PWM taip pat keičiasi laikui bėgant, nuolat keisdami jo plotį. Toks PWM dar vadinamas SPWM arba „Sinewave“ impulso pločio moduliacija.

Taigi minėtu atveju impulsai niekada nėra pastovūs, o keičiasi jų plotis skirtingai.

Dėl to RMS arba vidutinės vertės apskaičiavimas yra šiek tiek sudėtingas ir mes negalime paprasčiausiai padauginti darbo ciklo su didžiausia įtampa, kad pasiektume RMS.

Nors tikroji RMS išraiškos gavimo formulė yra gana sudėtinga, po atitinkamų išvestinių galutinis įgyvendinimas iš tikrųjų yra gana lengvas.

Skaičiuojant PWM RMS įtampą

Taigi apskaičiuojant kintančios PWM įtampos RMS, atsižvelgiant į sinusinę bangą, galima gauti padauginus 0,7 (konstantą) su smailės įtampa.

Taigi 9 V smailei mes gauname 9 x 0,7 = 6,3 V, tai yra RMS įtampa arba vidutinė 9 V smailės iki didžiausios PWM vertė, imituojanti sinusinę bangą.

PWM vaidmuo elektroninėse grandinėse?

Jūs pastebėsite, kad PWM koncepcija iš esmės yra susijusi su
grandinių projektai, kuriuose naudojami induktoriai, ypač spartos padidinimo topologijos, tokios kaip keitikliai, SMPS , MPPT, LED tvarkyklių grandinės ir kt.

Be induktoriaus PWM funkcija tam tikroje grandinėje gali neturėti jokios realios vertės ar vaidmens, taip yra todėl, kad tik induktorius turi būdingą bruožą, kad kintantį impulsų plotį paverčia lygiaverčiu pakelto (padidinto) arba sumažinto (pakelto) kiekio. įtampa ar srovė, kuri tampa visa vienintele PWM technologijos idėja.

PWM naudojimas su induktoriais

Norint suprasti, kaip PWM veikia induktoriaus išėjimą įtampos ir srovės atžvilgiu, pirmiausia būtų svarbu sužinoti, kaip induktorius elgiasi veikdamas pulsuojančią įtampą.

Viename iš ankstesnių savo pranešimų paaiškinau kaip veikia spartos padidinimo grandinė , tai yra klasikinis pavyzdys, parodantis, kaip PWM ar įvairaus impulso plotis gali būti naudojamas matuojant induktoriaus išėjimą.

Gerai žinoma, kad „iš prigimties“ induktorius visada priešinasi staigiam įtampos įjungimui ir leidžia jam praeiti tik po tam tikro laiko, atsižvelgiant į jo vyniojimo ypatybes, ir šio proceso metu jis kaupia lygiavertį energijos kiekį tai.

Dabar, jei pirmiau minėto proceso metu įtampa staiga išsijungia, induktorius vėl nesugeba susidoroti su staigiu išnykusia įtampa ir bando ją subalansuoti atleisdamas joje sukauptą srovę.

Induktoriaus reakcija į PWM

Taigi induktorius bandys priešintis įtampos įjungimui, saugodamas srovę, ir bandys išlyginti, reaguodamas į staigų įtampos išsijungimą, „nukreipdamas“ sukauptą energiją atgal į sistemą.

Šis atsitraukimas vadinamas atgaliniu induktoriaus EMF, o šios energijos kiekis (įtampa, srovė) priklausys nuo induktoriaus apvijos specifikacijų.

Iš esmės apsisukimų skaičius nusprendžia, ar EMF įtampa turėtų būti didesnė nei maitinimo įtampa, ar mažesnė nei maitinimo įtampa, o dėl vielos storio priklauso srovės kiekis, kurį induktorius gali suteikti.

Yra dar vienas aspektas t pirmiau minėtas induktorius, kuris yra įtampos įjungimo / išjungimo laikotarpių laikas.

Štai kur labai svarbu naudoti PWM.

Nors posūkių skaičius iš esmės lemia tam tikros išvesties vertes, jos taip pat gali skirtis, kaip norima, optimizuotą PWM įvedant induktorių.

Per kintamą PWM galime priversti induktorių generuoti / konvertuoti įtampas ir sroves bet kokiu norimu greičiu, arba kaip padidintą įtampą (sumažintą srovę), arba padidintą srovę (sumažintą įtampą), ir atvirkščiai.

Kai kuriose programose PWM gali būti naudojamas net be induktoriaus, pavyzdžiui, šviesos diodų pritemdymui, arba MCU laikmačio grandinėse, kur išėjimas gali būti optimizuotas, kad generuotų įtampą esant skirtingam įjungimui, išjungimo periodams, norint valdyti apkrovą pagal numatytas darbo specifikacijas.