PWM izmantošana kā komutācijas tehnika
Pulsa platuma modulācija (PWM) ir bieži izmantota tehnika, lai parasti kontrolētu līdzstrāvas jaudu elektriskai ierīcei, ko praktiski padara mūsdienīgi elektroniskie strāvas slēdži. Tomēr tā arī atrod savu vietu maiņstrāvas smalcinātājos. Kravai piegādātās strāvas vidējo vērtību kontrolē slēdža stāvoklis un tā stāvokļa ilgums. Ja slēdža ieslēgšanas periods ir ilgāks, salīdzinot ar tā izslēgšanas periodu, slodze saņem salīdzinoši lielāku jaudu. Tādējādi PWM pārslēgšanās frekvencei jābūt ātrākai.
Parasti pārslēgšana jāveic vairākas reizes minūtē elektriskajā plītī, 120 Hz spuldzes regulētājā, sākot no dažiem kiloherciem (kHz) līdz desmitiem kHz motora piedziņai. Audio pastiprinātāju un datoru barošanas avotu pārslēgšanās frekvence ir aptuveni desmit līdz simti kHz. ON laika un impulsa laika attiecība ir pazīstama kā darba cikls. Ja darba cikls ir mazs, tas nozīmē mazu jaudu.
Jaudas zudumi komutācijas ierīcē ir ļoti mazi, pateicoties gandrīz nenozīmīgam strāvas daudzumam, kas plūst ierīces izslēgtā stāvoklī, un nenozīmīga sprieguma krituma daudzuma dēļ tā izslēgtā stāvoklī. Digitālajās vadībās tiek izmantota arī PWM tehnika. PWM ir izmantota arī noteiktās sakaru sistēmās, kur tās darbības cikls ir izmantots informācijas pārsūtīšanai pa sakaru kanālu.
PWM var izmantot, lai noregulētu slodzei piegādātās jaudas kopējo daudzumu bez zaudējumiem, kas parasti rodas, ja jaudas pārsūtīšanu ierobežo ar pretestības līdzekļiem. Trūkumi ir pulsācijas, ko nosaka darba cikls, pārslēgšanās biežums un slodzes īpašības. Ar pietiekami augstu komutācijas frekvenci un, ja nepieciešams, izmantojot papildu pasīvos elektroniskos filtrus, impulsu vilcienu var izlīdzināt un atgūt vidējo analogo viļņu formu. Augstas frekvences PWM vadības sistēmas var viegli ieviest, izmantojot pusvadītāju slēdžus.
Kā jau minēts iepriekš, slēdzis gandrīz neizslēdz strāvu ieslēgtā vai izslēgtā stāvoklī. Tomēr pārejas laikā starp ieslēgtu un izslēgtu stāvokli gan spriegums, gan strāva nav nulle, un tādējādi slēdžos tiek izvadīta ievērojama jauda. Par laimi, stāvokļa maiņa starp pilnībā ieslēgtu un pilnībā izslēgtu ir diezgan ātra (parasti mazāk nekā 100 nanosekundes) salīdzinājumā ar tipisko ieslēgšanas vai izslēgšanas laiku, un tāpēc vidējā enerģijas izkliede ir diezgan zema, salīdzinot ar jaudu, kas tiek piegādāta pat tad, ja ir augstas pārslēgšanās frekvences tiek izmantoti.
PWM izmantošana līdzstrāvas padeves nodrošināšanai
Lielāko daļu rūpnieciskā procesa nepieciešams vadīt pēc noteiktiem parametriem, kas attiecas uz piedziņas ātrumu. Elektriskās piedziņas sistēmām, kuras tiek izmantotas daudzās rūpnieciskās lietojumprogrammās, ir nepieciešama lielāka veiktspēja, uzticamība, maināms ātrums, pateicoties tās viegli vadāmībai. The līdzstrāvas motora ātruma kontrole ir svarīga lietojumos, kur būtība ir precizitāte un aizsardzība. Motora ātruma regulatora mērķis ir uztvert signālu, kas attēlo vajadzīgo ātrumu, un vadīt motoru ar šo ātrumu.
Impulsu platuma modulācija (PWM), kā tas attiecas uz motora vadību, ir enerģijas piegādes veids, izmantojot virkni impulsu, nevis nepārtraukti mainīgu (analogo) signālu. Palielinot vai samazinot impulsa platumu, regulators regulē enerģijas plūsmu uz motora vārpstu. Motora paša induktivitāte darbojas kā filtrs, uzkrājot enerģiju “ON” cikla laikā, vienlaikus atbrīvojot to ar ātrumu, kas atbilst ieejas vai atsauces signālam. Citiem vārdiem sakot, enerģija ieplūst slodzē ne tik daudz kā pārslēgšanās frekvence, bet gan atskaites frekvencē.
Kontūru izmanto, lai kontrolētu ātrumu Līdzstrāvas motors izmantojot PWM tehniku. Sērijas mainīgā ātruma līdzstrāvas motora kontrolieris 12V izmanto 555 taimera IC kā PWM impulsu ģeneratoru, lai regulētu motora ātrumu DC12 volti. IC 555 ir populāra taimera mikroshēma, ko izmanto taimera shēmu veidošanai. To 1972. gadā ieviesa Signetics. To sauc par 555, jo iekšpusē ir trīs 5 K rezistori. IC sastāv no diviem salīdzinātājiem, rezistora ķēdes, Flip Flop un izejas pakāpes. Tas darbojas 3 pamata režīmos - stabils, monostabils (kur tas darbojas ar viena šāviena impulsa ģeneratoru un bistable režīmu. Tas ir, kad tas tiek iedarbināts, izeja uz laiku ir augsta, pamatojoties uz laika pretestības un kondensatora vērtībām. Astabils režīms (AMV), IC darbojas kā brīvi darbināms multivibrators. Izeja nepārtraukti griežas augstu un zemu, lai pulsējoša izeja būtu kā oscilators. Bistable režīmā, kas pazīstams arī kā Schmitt trigeris, IC darbojas kā Flip-Flop ar augstu vai zema izeja uz katra sprūda un atiestatīšana.
Šajā shēmā tiek izmantots IRF540 MOSFET. Tas ir N-Channel uzlabojums MOSFET. Tas ir uzlabots jaudas MOSFET, kas izstrādāts, pārbaudīts un garantēts izturēt noteiktu enerģijas līmeni avārijas lavīnas darbības režīmā. Šī jauda MOSFET ir paredzēta tādām lietojumprogrammām kā regulatoru pārslēgšana, komutācijas pārveidotāji, motora draiveri, releju draiveri un lielas jaudas bipolāru komutācijas tranzistoru draiveri, kuriem nepieciešams liels ātrums un mazs vārtu piedziņas jauda. Šos veidus var darbināt tieši no integrētām shēmām. Šīs ķēdes darba spriegumu var noregulēt atkarībā no piedziņas līdzstrāvas motora vajadzībām. Šī shēma var darboties no 5-18VDC.
Virs ķēdes, t.i. Līdzstrāvas motora ātruma kontrole ar PWM tehnika maina darba ciklu, kas savukārt kontrolē motora ātrumu. IC 555 ir savienots brīvā režīmā, daudzfunkcionālā vibratorā. Shēma sastāv no potenciometra un divu diodu izvietojuma, ko izmanto, lai mainītu darba ciklu un saglabātu nemainīgu frekvenci. Mainoties mainīgā rezistora vai potenciometra pretestībai, MOSFET pielietoto impulsu darba cikls mainās un attiecīgi mainās motora līdzstrāvas jauda, līdz ar to tā ātrums palielinās, palielinoties darba ciklam.
PWM izmantošana maiņstrāvas padevei
Mūsdienu pusvadītāju slēdži, piemēram, MOSFET vai izolēti vārtu bipolāri tranzistori (IGBT), ir diezgan ideāli komponenti. Tādējādi var uzbūvēt augstas efektivitātes kontrolierus. Parasti frekvences pārveidotāju, ko izmanto maiņstrāvas motoru vadīšanai, efektivitāte ir labāka par 98%. Komutācijas barošanas avotiem ir zemāka efektivitāte zemā izejas sprieguma līmeņa dēļ (mikroprocesoriem bieži vien ir vajadzīga pat mazāka par 2 V), taču joprojām var sasniegt vairāk nekā 70-80% efektivitāti.
Šāda veida maiņstrāvas vadība ir jaudai zināma aizkavēta šaušanas leņķa metode. Tas ir lētāk un rada daudz elektriskā trokšņa un harmonikas, salīdzinot ar reālo PWM vadību, kas rada nenozīmīgu troksni.
Daudzās lietojumprogrammās, piemēram, rūpnieciskajā apkurei, apgaismojuma kontrolei, indukcijas motoriem ar mīkstu startu un ventilatoru un sūkņu ātruma regulatoriem, ir nepieciešams mainīgs maiņstrāvas spriegums no fiksēta maiņstrāvas avota. Šīm prasībām plaši izmantota regulatoru fāzes leņķa vadība. Tas piedāvā dažas priekšrocības, piemēram, vienkāršību un iespējas ekonomiski kontrolēt lielu enerģijas daudzumu. Tomēr aizkavētais šaušanas leņķis rada nepārtrauktību un bagātīgas harmonikas slodzes strāvā, un, palielinoties šaušanas leņķim, maiņstrāvas pusē rodas atpalicības jaudas koeficients.
Šīs problēmas var uzlabot, izmantojot PWM AC smalcinātāju. Šis PWM maiņstrāvas smalcinātājs piedāvā vairākas priekšrocības, piemēram, sinusoidālu ieejas strāvu ar gandrīz vienotu jaudas koeficientu. Tomēr, lai samazinātu filtra izmēru un uzlabotu izejas regulatora kvalitāti, pārslēgšanās frekvence ir jāpalielina. Tas rada lielu komutācijas zudumu. Vēl viena problēma ir komutācija starp pārsūtīšanas slēdzi S1 ar brīvgaitas slēdzi S2. Tas izraisa pašreizējo smaile, ja abi slēdži tiek ieslēgti vienlaikus (īssavienojums), un sprieguma smaile, ja abi slēdži ir izslēgti (nav brīvriteņa ceļa). Lai izvairītos no šīm problēmām, tika izmantots RC snubber. Tomēr tas palielina strāvas zudumu ķēdē un ir grūti, dārgi, apjomīgi un neefektīvi lieljaudas lietojumiem. Tiek piedāvāts maiņstrāvas smalcinātājs ar nulles strāvas sprieguma pārslēgšanu (ZCS-ZVS). Tā izejas sprieguma regulatoram ir jāmaina izslēgšanās laiks, ko kontrolē PWM signāls. Tādējādi ir jāizmanto frekvences kontrole, lai panāktu mīksto pārslēgšanos, un vispārējās vadības sistēmas izmanto PWM paņēmienus, kas nodrošina ieslēgšanās laiku. Šai metodei ir tādas priekšrocības kā vienkārša vadība ar sigma-delta modulāciju un turpina ieejas strāvu. Piedāvātās ķēdes konfigurācijas iezīmes un PWM sasmalcinātie modeļi ir parādīti zemāk.
