Co je PWM - Pulse Width Modulation

Modulace je nelineární elektrický proces, při kterém se parametry jednoho signálu (nosné) mění pomocí jiného signálu (modulace, informace). V komunikační technice se široce používá frekvenční, amplitudová a fázová modulace. Ve výkonové elektronice a mikroprocesorové technologii se modulace šířky pulzu rozšířila.

Co je PWM (Pulse Width Modulation)

Při pulzně šířkové modulaci původního signálu zůstávají amplituda, frekvence a fáze původního signálu nezměněny. Doba trvání (šířka) pravoúhlého impulsu se mění působením informačního signálu. V anglické technické literatuře se označuje zkratkou PWM – pulse-width modulation.

Jak funguje PWM

Signál modulovaný šířkou pulzu se vytváří dvěma způsoby:

• analogový;
• digitální.

Při analogové metodě vytváření PWM signálu je nosič ve formě pilového nebo trojúhelníkového signálu přiváděn do invertujícího vstup komparátoru, a informace - o neinvertování. Pokud je okamžitá nosná úroveň vyšší než modulační signál, pak je výstup komparátoru nulový, pokud je nižší - jedna. Výstupem je diskrétní signál s frekvencí odpovídající frekvenci nosného trojúhelníku nebo pily a délkou pulzu úměrnou úrovni modulačního napětí.

Například pulzně šířková modulace trojúhelníkového signálu se lineárně zvyšuje. Doba trvání výstupních impulsů je úměrná úrovni výstupního signálu.

Analogové regulátory PWM jsou k dispozici také ve formě hotových mikroobvodů, uvnitř kterých je instalován komparátor a obvod generování nosiče. Jsou zde vstupy pro připojení externích prvků pro nastavení kmitočtu a přivedení informačního signálu. Z výstupu je odstraněn signál, který ovládá výkonné cizí klíče. Nechybí ani vstupy pro zpětnou vazbu – jsou potřebné pro udržení nastavených regulačních parametrů. Takovým je například čip TL494. Pro případy, kdy je výkon spotřebiče relativně malý, jsou k dispozici regulátory PWM s vestavěnými klíči. Vnitřní klíč mikroobvodu LM2596 je navržen pro proud až 3 ampéry.

Digitální metoda se provádí pomocí specializovaných mikroobvodů nebo mikroprocesorů. Délka pulzu je řízena interním programem. Mnoho mikrokontrolérů, včetně populárních PIC a AVR, má vestavěný modul pro hardwarovou implementaci PWM „na desce“, pro příjem PWM signálu je potřeba modul aktivovat a nastavit jeho provozní parametry.Pokud takový modul není k dispozici, pak lze PWM organizovat čistě softwarově, není to obtížné. Tato metoda poskytuje větší výkon a svobodu díky flexibilnímu využití výstupů, ale využívá více zdrojů regulátoru.

Charakteristika PWM signálu

Důležité vlastnosti signálu PWM jsou:

• amplituda (U);
• frekvence (f);
• pracovní cyklus (S) nebo pracovní cyklus D.

Amplituda ve voltech se nastavuje v závislosti na zátěži. Musí poskytovat jmenovité napájecí napětí spotřebitele.

Frekvence signálu modulovaného šířkou impulsu se volí z následujících úvah:

1. Čím vyšší frekvence, tím vyšší přesnost ovládání.
2. Frekvence nesmí být nižší než doba odezvy zařízení řízeného PWM, jinak dojde ke znatelnému zvlnění řízeného parametru.
3. Čím vyšší frekvence, tím vyšší spínací ztráty. Vychází ze skutečnosti, že doba sepnutí klíče je konečná. V uzamčeném stavu veškeré napájecí napětí na klíčovém prvku klesne, ale téměř žádný proud. V otevřeném stavu protéká klíčem proud plné zátěže, ale úbytek napětí je malý, protože propustný odpor je několik ohmů. V obou případech je ztrátový výkon zanedbatelný. Přechod z jednoho stavu do druhého probíhá rychle, ale ne okamžitě. V procesu odemykání-zamykání dochází na částečně otevřeném prvku k velkému poklesu napětí a zároveň jím protéká značný proud. V této době dosahuje rozptýlený výkon vysokých hodnot. Toto období je krátké, klíček se nestihne výrazněji zahřát.Ale se zvýšením frekvence takových časových intervalů za jednotku času se to stává více a tepelné ztráty se zvyšují. Proto je pro sestavení klíčů důležité používat rychlé prvky.
4. Při jízdě elektrický motor frekvence musí být odebrána z oblasti slyšitelné osobou - 25 kHz a více. Protože při nižší frekvenci PWM dochází k nepříjemnému pískání.

Tyto požadavky jsou často ve vzájemném rozporu, takže volba frekvence je v některých případech kompromisem.

Hodnota modulace charakterizuje pracovní cyklus. Vzhledem k tomu, že frekvence opakování pulzu je konstantní, je konstantní i doba trvání periody (T=1/f). Perioda se skládá z impulsu a pauzy, které mají trvání, resp_imp a t_pauzya t_imp+t_pauzy=T. Pracovní cyklus je poměr trvání pulsu k periodě - S \u003d t_imp/T. V praxi se ale ukázalo jako výhodnější použít reciproční hodnotu - faktor plnění: D=1/S=T/t_imp. Ještě pohodlnější je vyjádřit faktor plnění v procentech.

Jaký je rozdíl mezi PWM a SIR

V zahraniční odborné literatuře není rozdíl mezi pulsně šířkovou modulací a pulsně šířkovou regulací (PWR). Ruští specialisté se snaží tyto pojmy rozlišovat. Ve skutečnosti je PWM druh modulace, tedy změny nosného signálu pod vlivem jiného, ​​modulačního. Nosný signál funguje jako nosič informace a modulační signál tuto informaci nastavuje. A pulzně-šířková regulace je regulace zátěžového režimu pomocí PWM.

Důvody a aplikace PWM

Využívá se princip pulzně šířkové modulace regulátory otáček výkonných asynchronních motorů. V tomto případě je modulační signál s nastavitelnou frekvencí (jednofázový nebo třífázový) generován nízkovýkonovým sinusovým generátorem a analogovým způsobem superponován na nosnou. Výstupem je PWM signál, který je přiveden na klávesy požadovaného výkonu. Výslednou sekvenci impulsů pak můžete propustit nízkopásmovým filtrem např. jednoduchým RC obvodem a vybrat původní sinusoidu. Nebo se můžete obejít bez něj - k filtraci dojde přirozeně díky setrvačnosti motoru. Je zřejmé, že čím vyšší je nosná frekvence, tím více se výstupní průběh blíží původní sinusoidě.

Vyvstává přirozená otázka - proč není možné okamžitě zesílit signál generátoru, např. pomocí výkonných tranzistorů? Protože regulační prvek pracující v lineárním režimu přerozdělí výkon mezi zátěž a klíč. V tomto případě se na klíčový prvek plýtvá značná síla. Pokud výkonný ovládací prvek pracuje v režimu klíče (trinistor, triak, RGBT tranzistor), pak se výkon rozloží v čase. Ztráty budou mnohem nižší a účinnost bude mnohem vyšší.

V digitální technologii neexistuje žádná konkrétní alternativa k regulaci šířky pulzu. Amplituda signálu je tam konstantní, napětí a proud lze měnit pouze modulací nosné po šířce pulzu a následným zprůměrováním. Proto se PWM používá k regulaci napětí a proudu na těch objektech, které mohou zprůměrovat pulzní signál. Průměrování probíhá různými způsoby:

1. kvůli setrvačnosti zátěže.Tepelná setrvačnost termoelektrických ohřívačů a žárovek tedy umožňuje, aby regulované objekty v pauzách mezi pulzy znatelně nevychladly.
2. Kvůli setrvačnosti vnímání. LED má čas zhasnout z pulsu na puls, ale lidské oko si toho nevšimne a vnímá to jako neustálou záři s různou intenzitou. Tento princip se používá k ovládání jasu bodů LED monitorů. Stále je však přítomno nepostřehnutelné mrkání s frekvencí několika set hertzů a způsobuje únavu očí.
3. v důsledku mechanické setrvačnosti. Tato vlastnost se využívá při řízení kartáčovaných stejnosměrných motorů. Při správně zvolené frekvenci regulace nestihne motor v mrtvých pauzách zpomalit.

Proto se PWM používá tam, kde rozhodující roli hraje průměrná hodnota napětí nebo proudu. Kromě zmíněných běžných případů se metodou PWM reguluje průměrný proud ve svařovacích strojích a nabíječkách baterií atp.

Pokud přirozené průměrování není možné, v mnoha případech může tuto roli převzít již zmíněný dolní propust (LPF) ve formě RC řetězu. Pro praktické účely to stačí, ale je třeba chápat, že je nemožné izolovat původní signál od PWM pomocí dolní propusti bez zkreslení. Koneckonců, PWM spektrum obsahuje nekonečné množství harmonických, které nevyhnutelně spadnou do propustného pásma filtru. O tvaru rekonstruované sinusoidy bychom si proto neměli dělat iluze.

Velmi efektivní a efektivní PWM RGB LED ovládání. Toto zařízení má tři p-n přechody - červený, modrý, zelený.Samostatnou změnou jasu záře každého kanálu můžete získat téměř jakoukoli barvu LED záře (s výjimkou čistě bílé). Možnosti vytváření světelných efektů pomocí PWM jsou nekonečné.

Nejběžnější aplikací pulzně šířkově modulovaného digitálního signálu je řízení průměrného proudu nebo napětí protékajícího zátěží. Ale je možné i nestandardní použití tohoto typu modulace. Vše záleží na fantazii vývojáře.

Podobné články: