Ce este PWM - Pulse Width Modulation

Modulația este un proces electric neliniar în care parametrii unui semnal (purtător) sunt modificați folosind un alt semnal (modulare, informație). În tehnologia comunicațiilor, modulația de frecvență, amplitudine și fază este utilizată pe scară largă. În electronica de putere și tehnologia microprocesoarelor, modularea lățimii impulsului a devenit larg răspândită.

Ce este PWM (Pulse Width Modulation)

Cu modularea lățimii impulsului a semnalului original, amplitudinea, frecvența și faza semnalului original rămân neschimbate. Durata (lățimea) impulsului dreptunghiular este supusă modificării sub acțiunea semnalului informațional. În literatura tehnică engleză, este prescurtat ca PWM - modularea lățimii impulsului.

Cum funcționează PWM

Semnalul modulat pe lățimea impulsului este format în două moduri:

• analog;
• digital.

Cu metoda analogică de creare a unui semnal PWM, un purtător sub formă de dinte de ferăstrău sau semnal triunghiular este alimentat la o inversare. intrarea comparatorului, și informații - despre non-inversare. Dacă nivelul purtătorului instantaneu este mai mare decât semnalul de modulare, atunci ieșirea comparatorului este zero, dacă este mai mică - unu. Ieșirea este un semnal discret cu o frecvență corespunzătoare frecvenței triunghiului purtător sau ferăstrăului și o lungime a impulsului proporțională cu nivelul tensiunii de modulare.

De exemplu, modularea lățimii impulsului a unui semnal triunghiular crește liniar. Durata impulsurilor de ieșire este proporțională cu nivelul semnalului de ieșire.

Controlerele analogice PWM sunt disponibile și sub formă de microcircuite gata făcute, în interiorul cărora sunt instalate un comparator și un circuit de generare a purtătorului. Există intrări pentru conectarea elementelor externe de setare a frecvenței și furnizarea unui semnal de informare. Un semnal este eliminat de la ieșire care controlează cheile străine puternice. Există, de asemenea, intrări pentru feedback - sunt necesare pentru a menține parametrii de control setați. Acesta este, de exemplu, cipul TL494. Pentru cazurile în care puterea consumatorului este relativ mică, sunt disponibile controlere PWM cu chei încorporate. Cheia internă a microcircuitului LM2596 este proiectată pentru curent de până la 3 amperi.

Metoda digitală se realizează folosind microcircuite sau microprocesoare specializate. Lungimea impulsului este controlată de programul intern. Multe microcontrolere, inclusiv popularele PIC și AVR, au un modul încorporat pentru implementarea hardware a PWM „la bord”, pentru a primi un semnal PWM, trebuie să activați modulul și să îi setați parametrii de funcționare.Dacă un astfel de modul nu este disponibil, atunci PWM poate fi organizat exclusiv prin software, acest lucru nu este dificil. Această metodă oferă mai multă putere și libertate prin utilizarea flexibilă a ieșirilor, dar utilizează mai multe resurse de controler.

Caracteristicile semnalului PWM

Caracteristicile importante ale semnalului PWM sunt:

• amplitudine (U);
• frecvența (f);
• ciclu de funcționare (S) sau ciclu de funcționare D.

Amplitudinea în volți este setată în funcție de sarcină. Acesta trebuie să furnizeze tensiunea nominală de alimentare a consumatorului.

Frecvența semnalului modulat de lățimea impulsului este selectată din următoarele considerente:

1. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât precizia controlului este mai mare.
2. Frecvența nu trebuie să fie mai mică decât timpul de răspuns al dispozitivului controlat de PWM, altfel vor apărea ondulații vizibile ale parametrului controlat.
3. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât pierderile de comutare sunt mai mari. Ea rezultă din faptul că timpul de comutare al cheii este finit. În starea blocată, toată tensiunea de alimentare scade pe elementul cheie, dar aproape că nu există curent. În starea deschisă, curentul de sarcină completă trece prin cheie, dar căderea de tensiune este mică, deoarece rezistența de trecere este de câțiva ohmi. În ambele cazuri, puterea disipată este neglijabilă. Trecerea de la o stare la alta are loc rapid, dar nu instantaneu. În procesul de deblocare-blocare, o tensiune mare scade pe un element parțial deschis și, în același timp, trece un curent semnificativ prin el. În acest moment, puterea disipată atinge valori ridicate. Această perioadă este scurtă, cheia nu are timp să se încălzească semnificativ.Dar odată cu creșterea frecvenței unor astfel de intervale de timp pe unitatea de timp, aceasta devine mai mare, iar pierderile de căldură cresc. Prin urmare, pentru a construi chei, este important să folosiți elemente rapide.
4. Când conduceți motor electric frecvența trebuie îndepărtată din zona audibilă de către o persoană - 25 kHz și mai mult. Pentru că la o frecvență PWM mai mică se produce un fluier neplăcut.

Aceste cerințe sunt adesea în conflict între ele, așa că alegerea frecvenței în unele cazuri este un compromis.

Valoarea de modulație caracterizează ciclul de lucru. Deoarece rata de repetare a pulsului este constantă, durata perioadei este de asemenea constantă (T=1/f). Perioada constă dintr-un impuls și o pauză, având o durată, respectiv, t_imp Si t_pauze, Si t_imp+t_pauze=T. Ciclul de funcționare este raportul dintre durata impulsului și perioada - S \u003d t_imp/T. Dar, în practică, sa dovedit a fi mai convenabil să folosești valoarea reciprocă - factorul de umplere: D=1/S=T/t_imp. Este și mai convenabil să exprimați factorul de umplere ca procent.

Care este diferența dintre PWM și SIR

În literatura tehnică străină nu există nicio diferență între modularea lățimii impulsului și reglarea lățimii impulsului (PWR). Specialiștii ruși încearcă să facă distincția între aceste concepte. De fapt, PWM este un tip de modulație, adică modificări ale semnalului purtător sub influența altuia, modulator. Semnalul purtător acționează ca un purtător de informații, iar semnalul de modulare stabilește această informație. Iar reglarea lățimii impulsului este reglarea modului de încărcare folosind PWM.

Motive și aplicații ale PWM

Principiul modulării lățimii impulsului este utilizat în regulatoare de viteză ale motoarelor asincrone puternice. În acest caz, semnalul de modulare a frecvenței reglabile (monofazat sau trifazat) este generat de un generator de undă sinusoidală de putere redusă și suprapus pe purtător într-un mod analog. Ieșirea este un semnal PWM, care este alimentat la tastele puterii necesare. Apoi puteți trece secvența rezultată de impulsuri printr-un filtru trece-jos, de exemplu, printr-un circuit RC simplu și selectați sinusoidul original. Sau puteți face fără ea - filtrarea va avea loc în mod natural datorită inerției motorului. Evident, cu cât frecvența purtătorului este mai mare, cu atât forma de undă de ieșire este mai aproape de sinusoida originală.

Apare o întrebare firească - de ce este imposibil să amplificați imediat semnalul generatorului, de exemplu, folosind tranzistori puternici? Deoarece un element de reglare care funcționează într-un mod liniar va redistribui puterea între sarcină și cheie. În acest caz, puterea semnificativă este irosită pe elementul cheie. Dacă un element de control puternic funcționează într-un mod cheie (trinistor, triac, tranzistor RGBT), atunci puterea este distribuită în timp. Pierderile vor fi mult mai mici, iar eficiența va fi mult mai mare.

În tehnologia digitală, nu există o alternativă specială la reglarea lățimii impulsului. Amplitudinea semnalului este constantă acolo, tensiunea și curentul pot fi modificate numai prin modularea purtătorului de-a lungul lățimii impulsului și, ulterior, o medie. Prin urmare, PWM este folosit pentru a regla tensiunea și curentul pe acele obiecte care pot media semnalul pulsului. Media are loc în diferite moduri:

1. datorita inertiei de sarcina.Astfel, inerția termică a încălzitoarelor termoelectrice și a lămpilor incandescente permite obiectelor reglate să nu se răcească vizibil în pauzele dintre impulsuri.
2. Datorită inerţiei percepţiei. LED-ul are timp să se stingă de la puls la puls, dar ochiul uman nu observă acest lucru și îl percepe ca pe o strălucire constantă cu intensitate variabilă. Acest principiu este folosit pentru a controla luminozitatea punctelor monitoarelor LED. Dar clipirea imperceptibilă cu o frecvență de câteva sute de herți este încă prezentă și provoacă oboseală oculară.
3. datorita inertiei mecanice. Această proprietate este utilizată în controlul motoarelor DC cu perii. Cu o frecvență de reglare selectată corect, motorul nu are timp să încetinească în pauzele moarte.

Prin urmare, PWM este utilizat acolo unde valoarea medie a tensiunii sau curentului joacă un rol decisiv. Pe langa cazurile obisnuite mentionate, metoda PWM regleaza curentul mediu in aparatele de sudura si incarcatoarele de baterii etc.

Dacă medierea naturală nu este posibilă, în multe cazuri acest rol poate fi preluat de filtrul trece-jos deja menționat (LPF) sub forma unui lanț RC. În scopuri practice, acest lucru este suficient, dar trebuie înțeles că este imposibil să izolați semnalul original de PWM folosind un filtru trece-jos fără distorsiuni. La urma urmei, spectrul PWM conține un număr infinit de armonici care vor cădea inevitabil în banda de trecere a filtrului. Prin urmare, nu ar trebui să vă faceți iluzii cu privire la forma sinusoidei reconstruite.

Control LED PWM RGB foarte eficient și eficient. Acest dispozitiv are trei joncțiuni p-n - roșu, albastru, verde.Schimbând separat luminozitatea strălucirii fiecărui canal, puteți obține aproape orice culoare a strălucirii LED (cu excepția albului pur). Posibilitățile de a crea efecte de iluminare cu PWM sunt nelimitate.

Cea mai comună aplicație a unui semnal digital modulat pe lățime de impuls este controlul curentului sau tensiunii medii care circulă printr-o sarcină. Dar este posibilă și utilizarea non-standard a acestui tip de modulație. Totul depinde de imaginația dezvoltatorului.

Articole similare: