Kas ir PWM, kā to izmērīt

PWM nozīmē pulsa platuma modulāciju, kas apzīmē impulsu platumu mainīgo raksturu, ko var ģenerēt no konkrēta avota, piemēram, diskrēta IC, MCU vai tranzistorētas shēmas.

Kas ir PWM

Vienkārši sakot, PWM process ir nekas cits kā barošanas sprieguma ieslēgšana un izslēgšana ar noteiktu ātrumu ar atšķirīgu ON / OFF laika attiecību, šeit sprieguma ieslēgšanas ON garums var būt lielāks, mazāks vai vienāds ar slēdža OFF garumu.

Piemēram, PWM var būt fiksēts spriegums ieslēgšanai un izslēgšanai ar ātrumu 2 sekundes ON 1 sekunde OFF, 1 sekunde ON 2 sekundes OFF vai 1 sekunde ON, 1 sekunde OFF.

Kad šis barošanas sprieguma ON / OFF ātrums tiek atšķirīgi optimizēts, mēs sakām, ka spriegums ir modulēts PWM vai impulsa platums.

Jums visiem jau ir jāpārzina, kā pastāvīgs līdzstrāvas potenciāls parādās sprieguma v / s laika grafikā, kā parādīts zemāk:

Iepriekš redzamajā attēlā mēs varam redzēt taisnu līniju 9V līmenī, tas tiek sasniegts, jo 9V līmenis nemainās attiecībā pret laiku, un tāpēc mēs varam liecināt par taisnu līniju.

Tagad, ja šis 9V tiek ieslēgts un izslēgts pēc katrām sekundēm, iepriekš redzamais grafiks izskatās šādi:

Mēs skaidri redzam, ka tagad 9V līnija vairs nav taisnas līnijas vērtētājs bloku veidā pēc katrām sekundēm, jo ​​9V pārmaiņus tiek ieslēgts un izslēgts pēc katras sekundes.

Iepriekš minētās pēdas izskatās kā taisnstūra bloki, jo, ieslēdzot un izslēdzot 9V, operācijas ir tūlītējas, kas pēkšņi liek 9V pāriet uz nulles līmeni un pēc tam pēkšņi līdz 9V līmenim, tādējādi grafikā veidojot taisnstūra formas.

Iepriekšminētais nosacījums rada pulsējošu spriegumu, kam ir divi izmērāmi parametri, proti: maksimālais spriegums un vidējais spriegums vai RMS spriegums.

Maksimālais un vidējais spriegums

Pirmajā attēlā maksimālais spriegums acīmredzami ir 9V, un vidējais spriegums ir arī 9V tikai tāpēc, ka spriegums ir nemainīgs bez pārtraukumiem.

Tomēr otrajā attēlā, lai arī spriegums tiek ieslēgts / izslēgts ar 1 Hz frekvenci (1 sekunde IESLĒGTA, 1 sekunde Izslēgta), pīķis joprojām būs vienāds ar 9V, jo pīķis vienmēr sasniedz 9V atzīmi ieslēgšanas periodos. Bet vidējais spriegums šeit nav 9V, drīzāk 4,5V, jo sprieguma marķējums un pārtraukums tiek veikts ar 50% likmi.

PWM diskusijās šo ON / OFF likmi sauc par PWM darba ciklu, tāpēc iepriekšminētajā gadījumā tas ir 50% darba cikls.

Mērot PWM ar digitālo multimetru līdzstrāvas diapazonā, jūs vienmēr saņemsit skaitītāja vidējo vērtību.

Jaunie hobiji bieži tiek sajaukti ar šo lasījumu un uztver to kā maksimālo vērtību, kas ir pilnīgi nepareizi.

Kā paskaidrots iepriekš, PWM maksimālā vērtība lielākoties būs vienāda ar ķēdei ievadīto barošanas spriegumu, savukārt skaitītāja vidējā svārstība būs PWM ieslēgšanas / izslēgšanas periodu vidējā vērtība.

Mosfet pārslēgšana ar PWM

Tātad, ja jūs pārslēdzat mosfet ar PWM un atrodat, ka vārtu spriegums ir, piemēram, 3V, nepaniciet, jo tas varētu būt tikai vidējais skaitītāja norādītais spriegums, maksimālais spriegums varētu būt tikpat augsts kā jūsu ķēdes barošana spriegums.

Tāpēc varētu sagaidīt, ka mosfet vadīs labi un pilnībā caur šīm maksimālajām vērtībām, un vidējais spriegums ietekmēs tikai tā vadīšanas periodu, nevis ierīces komutācijas parametrus.

Kā mēs apspriedām iepriekšējās sadaļās, PWM būtībā ietver impulsu platuma mainīšanu, citiem vārdiem sakot, DC ieslēgšanas un izslēgšanas periodus.

Pieņemsim, ka, piemēram, vēlaties PWM izvadi ar ON laiku, kas ir par 50% mazāks nekā ON laika.

Pieņemsim, ka jūsu izvēlētais ON laiks ir 1/2 sekunde, tad OFF laiks būtu vienāds ar 1 sekundi, kas radītu darbības ciklu 1/2 sekundes ON un 1 sekundes OFF, kā redzams nākamajā diagrammā .

PWM darba cikla analīze

Šajā piemērā PWM ir optimizēti, lai iegūtu maksimālo spriegumu 9 V, bet vidējo spriegumu 3,15 V, jo ON laiks ir tikai 35% no viena pilna ON / OFF cikla.

Viens pilns cikls attiecas uz laika periodu, kas ļauj dotajam impulsam pabeigt vienu pilnu ieslēgšanas laiku un vienu izslēgšanas laiku.

Līdzīgi var iecerēt optimizēt frekvences impulsa platumu ar šādiem datiem:

Šeit var redzēt, ka ON laiks ir pieaudzis par izslēgšanas laiku par 65% vienā pilnā ciklā, tāpēc šeit vidējā sprieguma vērtība kļūst par 5,85 V.

Iepriekš apspriesto vidējo spriegumu sauc arī par RMS vai vidējo sprieguma kvadrātisko vērtību.

Tā kā tie visi ir taisnstūrveida vai kvadrātveida impulsi, RMS var aprēķināt, reizinot darba cikla procentuālo daudzumu ar maksimālo spriegumu.

PWM optimizēšana, lai simulētu Sinewave

Tomēr gadījumos, kad PWM ir optimizēts, lai simulētu maiņstrāvas impulsu, RMS aprēķins kļūst nedaudz sarežģīts.

Ņemsim piemēru šādam PWM, kas ir optimizēts, lai mainītu tā platumu atbilstoši mainīgajai sinusoidālā maiņstrāvas amplitūdai vai līmenim.

Jūs varat uzzināt vairāk par to, izmantojot vienu no maniem iepriekšējiem rakstiem, kur es paskaidroju, kā var izmantot IC 555 ģenerējot sinusa viļņu ekvivalentu PWM izvadi .

Kā redzams iepriekš redzamajā attēlā, impulsu platums mainās, ņemot vērā sinusa viļņa momentāno līmeni. Kad sinusa vilnis mēdz sasniegt maksimumu, atbilstošais impulsa platums kļūst platāks un otrādi.

Izmantojot SPWM

Tas norāda, ka, tā kā sinusa viļņu sprieguma līmenis ar laiku nepārtraukti mainās, PWM mainās arī laika gaitā, pastāvīgi mainot tā platumu. Šādu PWM sauc arī par SPWM vai Sinewave impulsa platuma modulāciju.

Tādējādi iepriekšminētajā gadījumā impulsi nekad nav konstanti, bet laika gaitā mainās to platumi atšķirīgi.

Tas padara tā RMS vai vidējās vērtības aprēķinu nedaudz sarežģītu, un mēs nevaram vienkārši reizināt darba ciklu ar maksimālo spriegumu, lai sasniegtu RMS.

Lai gan faktiskā RMS izteiksmes atvasināšanas formula ir diezgan sarežģīta, pēc atbilstošiem atvasinājumiem galīgā ieviešana faktiski notiek diezgan viegli.

Aprēķinot PWM RMS spriegumu

Tādējādi, lai aprēķinātu mainīga PWM sprieguma RMS, reaģējot uz sinusa viļņu, var iegūt, reizinot 0,7 (konstanti) ar maksimālo spriegumu.

Tātad 9 V maksimumam mēs iegūstam 9 x 0,7 = 6,3 V, tas ir RMS spriegums vai 9 V maksimuma līdz maksimuma PWM vidējā vērtība, kas imitē sinusa vilni.

PWM loma elektroniskajās shēmās?

Jūs atradīsit, ka PWM koncepcija būtībā ir saistīta ar
ķēžu konstrukcijas, kurās ir iesaistīti induktori, it īpaši sprieguma palielināšanas topoloģijas, piemēram, SMPS , MPPT, LED draiveru shēmas utt.

Bez induktora PWM funkcijai var nebūt reālas vērtības vai lomas attiecīgajā ķēdē, tas ir tāpēc, ka tikai induktoram piemīt raksturīga iezīme, ka mainīgu impulsa platumu pārveido līdzvērtīgā daudzumā ar paaugstinātu (palielinātu) vai atkāptu (saliektu) spriegums vai strāva, kas kļūst par vienīgo PWM tehnoloģijas ideju.

PWM izmantošana ar induktoriem

Lai saprastu, kā PWM ietekmē induktora izeju sprieguma un strāvas izteiksmē, vispirms būtu svarīgi uzzināt, kā induktors uzvedas pulsējošā sprieguma ietekmē.

Vienā no maniem iepriekšējiem ierakstiem es paskaidroju kā darbojas izciļņa palielināšanas ķēde , tas ir klasisks piemērs, lai parādītu, kā PWM vai dažādu impulsu platumu var izmantot induktora izejas izmēram.

Ir labi zināms, ka pēc būtības induktors vienmēr iebilst pret pēkšņu sprieguma pielietošanu tajā un ļauj tam pāriet tikai pēc noteikta laika, atkarībā no tā tinumu parametriem, un šī procesa laikā tas uzkrāj ekvivalentu enerģijas daudzumu to.

Ja iepriekšminētā procesa laikā spriegums pēkšņi tiek izslēgts, induktors atkal nespēj tikt galā ar šo pēkšņo pielietotā sprieguma pazušanu un mēģina to līdzsvarot, atbrīvojot tajā saglabāto strāvu.

Induktora reakcija uz PWM

Tādējādi induktors mēģinās iebilst pret sprieguma ieslēgšanu, uzkrājot strāvu, un mēģinās izlīdzināties, reaģējot uz pēkšņu strāvas izslēgšanu, “iesitot” uzkrāto enerģiju atpakaļ sistēmā.

Šo atsitienu sauc par induktora aizmugurējo EMF, un šīs enerģijas saturs (spriegums, strāva) būs atkarīgs no induktora tinuma specifikācijām.

Būtībā pagriezienu skaits izlemj, vai EMF jābūt augstākam par spriegumu nekā barošanas spriegumam vai zemākam par barošanas spriegumu, un stieples biezums izlemj, cik lielu strāvu induktors var radīt.

Ir vēl viens aspekts t iepriekšminētais induktors, kas ir sprieguma ieslēgšanas / izslēgšanas periodu laiks.

Tieši šeit PWM izmantošana kļūst izšķiroša.

Neskatoties uz to, ka pagriezienu skaits fundamentāli nosaka izejas vērtības konkrētai, tās var arī mainīties pēc vēlēšanās, ievadot optimizētu PWM intro induktoru.

Izmantojot mainīgo PWM, mēs varam piespiest induktoru ģenerēt / pārveidot spriegumus un strāvas ar jebkuru vēlamo ātrumu vai nu kā pastiprinātu spriegumu (samazinātu strāvu), vai pastiprinātu strāvu (samazinātu spriegumu), vai otrādi.

Dažās lietojumprogrammās PWM var izmantot pat bez induktora, piemēram, LED gaismas aptumšošanai, vai MCU taimera ķēdēs, kur izeja var tikt optimizēta, lai radītu spriegumu pie cita ieslēgšanas, izslēgšanas periodus slodzes kontrolei atbilstoši paredzētās darba specifikācijas.