Τι είναι το PWM - Διαμόρφωση πλάτους παλμού

Η διαμόρφωση είναι μια μη γραμμική ηλεκτρική διαδικασία κατά την οποία οι παράμετροι ενός σήματος (φορέας) αλλάζουν χρησιμοποιώντας ένα άλλο σήμα (διαμόρφωση, πληροφορίες). Στην τεχνολογία επικοινωνίας, η διαμόρφωση συχνότητας, πλάτους και φάσης χρησιμοποιείται ευρέως. Στην τεχνολογία ηλεκτρονικών ισχύος και μικροεπεξεργαστών, η διαμόρφωση πλάτους παλμού έχει γίνει ευρέως διαδεδομένη.

Τι είναι το PWM (Pulse Width Modulation)

Με τη διαμόρφωση πλάτους παλμού του αρχικού σήματος, το πλάτος, η συχνότητα και η φάση του αρχικού σήματος παραμένουν αμετάβλητα. Η διάρκεια (πλάτος) του ορθογώνιου παλμού υπόκειται σε αλλαγές υπό τη δράση του σήματος πληροφοριών. Στην αγγλική τεχνική βιβλιογραφία, συντομεύεται ως PWM - διαμόρφωση πλάτους παλμού.

Πώς λειτουργεί το PWM

Το διαμορφωμένο σήμα πλάτους παλμού σχηματίζεται με δύο τρόπους:

• αναλογικό;
• ψηφιακό.

Με την αναλογική μέθοδο δημιουργίας ενός σήματος PWM, ένας φορέας με τη μορφή πριονιού ή τριγωνικού σήματος τροφοδοτείται σε ένα αναστροφικό είσοδος σύγκρισης, και πληροφορίες - σχετικά με τη μη αναστροφή. Εάν το στιγμιαίο επίπεδο φορέα είναι υψηλότερο από το σήμα διαμόρφωσης, τότε η έξοδος του συγκριτή είναι μηδέν, εάν είναι χαμηλότερη - ένα. Η έξοδος είναι ένα διακριτό σήμα με συχνότητα που αντιστοιχεί στη συχνότητα του φέροντος τριγώνου ή του πριονιού και ένα μήκος παλμού ανάλογο με το επίπεδο της τάσης διαμόρφωσης.

Για παράδειγμα, η διαμόρφωση εύρους παλμού ενός τριγωνικού σήματος αυξάνεται γραμμικά. Η διάρκεια των παλμών εξόδου είναι ανάλογη με το επίπεδο του σήματος εξόδου.

Διατίθενται επίσης αναλογικοί ελεγκτές PWM με τη μορφή έτοιμων μικροκυκλωμάτων, μέσα στα οποία είναι εγκατεστημένα ένας συγκριτής και ένα κύκλωμα παραγωγής φορέα. Υπάρχουν είσοδοι για τη σύνδεση εξωτερικών στοιχείων ρύθμισης συχνότητας και την παροχή ενός σήματος πληροφοριών. Ένα σήμα αφαιρείται από την έξοδο που ελέγχει ισχυρά ξένα κλειδιά. Υπάρχουν επίσης είσοδοι για ανατροφοδότηση - χρειάζονται για τη διατήρηση των ρυθμισμένων παραμέτρων ελέγχου. Τέτοιο, για παράδειγμα, είναι το τσιπ TL494. Για περιπτώσεις όπου η ισχύς του καταναλωτή είναι σχετικά μικρή, διατίθενται ελεγκτές PWM με ενσωματωμένα κλειδιά. Το εσωτερικό κλειδί του μικροκυκλώματος LM2596 είναι σχεδιασμένο για ρεύμα έως 3 αμπέρ.

Η ψηφιακή μέθοδος πραγματοποιείται με τη χρήση εξειδικευμένων μικροκυκλωμάτων ή μικροεπεξεργαστών. Το μήκος παλμού ελέγχεται από το εσωτερικό πρόγραμμα. Πολλοί μικροελεγκτές, συμπεριλαμβανομένων των δημοφιλών PIC και AVR, έχουν μια ενσωματωμένη μονάδα για την υλοποίηση υλικού PWM "on board", για να λάβετε ένα σήμα PWM, πρέπει να ενεργοποιήσετε τη μονάδα και να ορίσετε τις παραμέτρους λειτουργίας της.Εάν μια τέτοια ενότητα δεν είναι διαθέσιμη, τότε το PWM μπορεί να οργανωθεί αποκλειστικά από λογισμικό, αυτό δεν είναι δύσκολο. Αυτή η μέθοδος δίνει περισσότερη ισχύ και ελευθερία μέσω της ευέλικτης χρήσης των εξόδων, αλλά χρησιμοποιεί περισσότερους πόρους ελεγκτή.

Χαρακτηριστικά του σήματος PWM

Τα σημαντικά χαρακτηριστικά του σήματος PWM είναι:

• πλάτος (U);
• συχνότητα (f);
• κύκλος λειτουργίας (S) ή κύκλος λειτουργίας D.

Το πλάτος σε βολτ ρυθμίζεται ανάλογα με το φορτίο. Πρέπει να παρέχει την ονομαστική τάση τροφοδοσίας του καταναλωτή.

Η συχνότητα του σήματος που διαμορφώνεται από το πλάτος του παλμού επιλέγεται από τις ακόλουθες εκτιμήσεις:

1. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια ελέγχου.
2. Η συχνότητα δεν πρέπει να είναι χαμηλότερη από τον χρόνο απόκρισης της συσκευής που ελέγχεται από το PWM, διαφορετικά θα προκύψουν αισθητές κυματισμοί της ελεγχόμενης παραμέτρου.
3. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες μεταγωγής. Προκύπτει από το γεγονός ότι ο χρόνος εναλλαγής του κλειδιού είναι πεπερασμένος. Στην κατάσταση κλειδώματος, όλη η τάση τροφοδοσίας πέφτει στο στοιχείο κλειδιού, αλλά δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου ρεύμα. Στην ανοιχτή κατάσταση, το ρεύμα πλήρους φορτίου ρέει μέσω του κλειδιού, αλλά η πτώση τάσης είναι μικρή, καθώς η αντίσταση απόδοσης είναι μερικά ohms. Και στις δύο περιπτώσεις, η κατανάλωση ισχύος είναι αμελητέα. Η μετάβαση από τη μια κατάσταση στην άλλη γίνεται γρήγορα, αλλά όχι αμέσως. Στη διαδικασία ξεκλειδώματος-κλειδώματος πέφτει μεγάλη τάση σε ένα μερικώς ανοιχτό στοιχείο και ταυτόχρονα διαρρέει σημαντικό ρεύμα. Αυτή τη στιγμή, η διαλυμένη ισχύς φτάνει σε υψηλές τιμές. Αυτή η περίοδος είναι σύντομη, το κλειδί δεν έχει χρόνο να ζεσταθεί σημαντικά.Αλλά με την αύξηση της συχνότητας τέτοιων χρονικών διαστημάτων ανά μονάδα χρόνου, γίνεται μεγαλύτερη και οι απώλειες θερμότητας αυξάνονται. Επομένως, για τη δημιουργία κλειδιών, είναι σημαντικό να χρησιμοποιείτε γρήγορα στοιχεία.
4. Κατά την οδήγηση ηλεκτρικός κινητήρας Η συχνότητα πρέπει να αφαιρεθεί από την περιοχή που ακούει ένα άτομο - 25 kHz και άνω. Επειδή σε χαμηλότερη συχνότητα PWM, εμφανίζεται ένα δυσάρεστο σφύριγμα.

Αυτές οι απαιτήσεις συχνά έρχονται σε σύγκρουση μεταξύ τους, επομένως η επιλογή της συχνότητας σε ορισμένες περιπτώσεις είναι συμβιβαστική.

Η τιμή διαμόρφωσης χαρακτηρίζει τον κύκλο λειτουργίας. Δεδομένου ότι ο ρυθμός επανάληψης του παλμού είναι σταθερός, η διάρκεια της περιόδου είναι επίσης σταθερή (T=1/f). Η περίοδος αποτελείται από μια παρόρμηση και μια παύση, με διάρκεια, αντίστοιχα, t_{διαβολάκι} και τ_{παύσεις}, και t_{διαβολάκι}+t_{παύσεις}=Τ. Ο κύκλος λειτουργίας είναι ο λόγος της διάρκειας του παλμού προς την περίοδο - S \u003d t_{διαβολάκι}/Τ. Αλλά στην πράξη αποδείχθηκε ότι ήταν πιο βολικό να χρησιμοποιηθεί η αμοιβαία τιμή - ο συντελεστής πλήρωσης: D=1/S=T/t_{διαβολάκι}. Είναι ακόμη πιο βολικό να εκφράζεται ο συντελεστής πλήρωσης ως ποσοστό.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ PWM και SIR

Στην ξένη τεχνική βιβλιογραφία δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ διαμόρφωσης πλάτους παλμού και ρύθμισης εύρους παλμού (PWR). Οι Ρώσοι ειδικοί προσπαθούν να διακρίνουν αυτές τις έννοιες. Στην πραγματικότητα, το PWM είναι ένας τύπος διαμόρφωσης, δηλαδή αλλαγές στο φέρον σήμα υπό την επίδραση ενός άλλου, που διαμορφώνει ένα. Το σήμα φορέα λειτουργεί ως φορέας πληροφοριών και το σήμα διαμόρφωσης ορίζει αυτές τις πληροφορίες. Και η ρύθμιση του πλάτους παλμού είναι η ρύθμιση της λειτουργίας φορτίου χρησιμοποιώντας PWM.

Λόγοι και εφαρμογές του PWM

Η αρχή της διαμόρφωσης εύρους παλμού χρησιμοποιείται σε ελεγκτές ταχύτητας ισχυρών ασύγχρονων κινητήρων. Σε αυτήν την περίπτωση, το ρυθμιζόμενο σήμα διαμόρφωσης συχνότητας (μονοφασικό ή τριφασικό) παράγεται από μια γεννήτρια ημιτονοειδών κυμάτων χαμηλής ισχύος και τοποθετείται στον φορέα με αναλογικό τρόπο. Η έξοδος είναι ένα σήμα PWM, το οποίο τροφοδοτείται στα πλήκτρα της απαιτούμενης ισχύος. Στη συνέχεια, μπορείτε να περάσετε την προκύπτουσα ακολουθία παλμών μέσω ενός φίλτρου χαμηλής διέλευσης, για παράδειγμα, μέσω ενός απλού κυκλώματος RC, και να επιλέξετε το αρχικό ημιτονοειδές. Ή μπορείτε να το κάνετε χωρίς αυτό - το φιλτράρισμα θα συμβεί φυσικά λόγω της αδράνειας του κινητήρα. Προφανώς, όσο μεγαλύτερη είναι η φέρουσα συχνότητα, τόσο περισσότερο η κυματομορφή εξόδου είναι κοντά στο αρχικό ημιτονοειδές.

Τίθεται ένα φυσικό ερώτημα - γιατί είναι αδύνατο να ενισχυθεί αμέσως το σήμα της γεννήτριας, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ισχυρά τρανζίστορ? Επειδή ένα ρυθμιστικό στοιχείο που λειτουργεί σε γραμμική λειτουργία θα ανακατανείμει την ισχύ μεταξύ του φορτίου και του κλειδιού. Σε αυτή την περίπτωση, σπαταλάται σημαντική ισχύς στο βασικό στοιχείο. Εάν ένα ισχυρό στοιχείο ελέγχου λειτουργεί σε λειτουργία κλειδιού (trinistor, triac, τρανζίστορ RGBT), τότε η ισχύς κατανέμεται με την πάροδο του χρόνου. Οι απώλειες θα είναι πολύ χαμηλότερες και η αποτελεσματικότητα θα είναι πολύ υψηλότερη.

Στην ψηφιακή τεχνολογία, δεν υπάρχει ιδιαίτερη εναλλακτική λύση στη ρύθμιση του πλάτους παλμού. Το πλάτος του σήματος είναι σταθερό εκεί, η τάση και το ρεύμα μπορούν να αλλάξουν μόνο διαμορφώνοντας τον φορέα κατά το πλάτος του παλμού και στη συνέχεια λαμβάνοντας τον μέσο όρο του. Επομένως, το PWM χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της τάσης και του ρεύματος σε εκείνα τα αντικείμενα που μπορούν να μετρήσουν το παλμικό σήμα. Ο μέσος όρος γίνεται με διάφορους τρόπους:

1. λόγω αδράνειας φορτίου.Έτσι, η θερμική αδράνεια των θερμοηλεκτρικών θερμαντήρων και των λαμπτήρων πυρακτώσεως επιτρέπει στα ρυθμιζόμενα αντικείμενα να μην κρυώνουν αισθητά στις παύσεις μεταξύ των παλμών.
2. Λόγω της αδράνειας της αντίληψης. Το LED έχει χρόνο να σβήσει από παλμό σε παλμό, αλλά το ανθρώπινο μάτι δεν το παρατηρεί αυτό και το αντιλαμβάνεται ως μια σταθερή λάμψη με ποικίλη ένταση. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της φωτεινότητας των κουκκίδων των οθονών LED. Αλλά το ανεπαίσθητο αναβοσβήσιμο με συχνότητα πολλών εκατοντάδων hertz εξακολουθεί να υπάρχει και προκαλεί κόπωση των ματιών.
3. λόγω μηχανικής αδράνειας. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται στον έλεγχο κινητήρων συνεχούς ρεύματος με βούρτσα. Με μια σωστά επιλεγμένη συχνότητα ρύθμισης, ο κινητήρας δεν έχει χρόνο να επιβραδύνει σε νεκρές παύσεις.

Επομένως, το PWM χρησιμοποιείται όπου η μέση τιμή τάσης ή ρεύματος παίζει καθοριστικό ρόλο. Εκτός από τις κοινές περιπτώσεις που αναφέρθηκαν, η μέθοδος PWM ρυθμίζει το μέσο ρεύμα σε μηχανές συγκόλλησης και φορτιστές μπαταριών κ.λπ.

Εάν δεν είναι δυνατός ο φυσικός μέσος όρος, σε πολλές περιπτώσεις αυτόν τον ρόλο μπορεί να αναλάβει το ήδη αναφερόμενο φίλτρο χαμηλής διέλευσης (LPF) με τη μορφή αλυσίδας RC. Για πρακτικούς σκοπούς, αυτό είναι αρκετό, αλλά πρέπει να γίνει κατανοητό ότι είναι αδύνατο να απομονωθεί το αρχικό σήμα από το PWM χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης χωρίς παραμόρφωση. Εξάλλου, το φάσμα PWM περιέχει έναν άπειρο αριθμό αρμονικών που αναπόφευκτα θα πέσουν στη ζώνη διέλευσης του φίλτρου. Επομένως, δεν πρέπει να χτίζουμε ψευδαισθήσεις για το σχήμα του ανακατασκευασμένου ημιτονοειδούς.

Πολύ αποτελεσματικός και αποτελεσματικός έλεγχος LED PWM RGB. Αυτή η συσκευή έχει τρεις διασταυρώσεις p-n - κόκκινο, μπλε, πράσινο.Αλλάζοντας χωριστά τη φωτεινότητα της λάμψης κάθε καναλιού, μπορείτε να αποκτήσετε σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα της λάμψης LED (με εξαίρεση το καθαρό λευκό). Οι δυνατότητες δημιουργίας εφέ φωτισμού με το PWM είναι ατελείωτες.

Η πιο κοινή εφαρμογή ενός ψηφιακού σήματος διαμορφωμένου εύρους παλμού είναι ο έλεγχος του μέσου ρεύματος ή της τάσης που ρέει μέσω ενός φορτίου. Αλλά η μη τυπική χρήση αυτού του τύπου διαμόρφωσης είναι επίσης δυνατή. Όλα εξαρτώνται από τη φαντασία του προγραμματιστή.

Παρόμοια άρθρα: