Obwód sinusoidalny PWM (SPWM) wykorzystujący Opamp

SPWM odnosi się do modulacji szerokości impulsu fali sinusoidalnej, która jest układem szerokości impulsu, w którym impulsy są węższe na początku, które stopniowo stają się szersze w środku, a następnie ponownie węższe na końcu układu. Ten zestaw impulsów zaimplementowany w aplikacji indukcyjnej, takiej jak falownik, umożliwia przekształcenie sygnału wyjściowego w wykładniczy przebieg sinusoidalny, który może wyglądać dokładnie identycznie jak konwencjonalny przebieg sinusoidalny sieci,

Uzyskanie sygnału sinusoidalnego z falownika może być najważniejszą i najkorzystniejszą cechą zapewniającą maksymalną sprawność jednostki pod względem jakości wyjściowej. Nauczmy się, jak zrobić sinusoidę PWM lub SPWM za pomocą opampu.

Symulacja przebiegu sinusoidalnego nie jest łatwa

Uzyskanie sinusoidalnej fali wyjściowej może być dość złożone i może nie być zalecane w przypadku falowników, ponieważ urządzenia elektroniczne zwykle nie „lubią” prądów lub napięć o rosnącym wykładniczym wzroście. Ponieważ falowniki są zasadniczo wykonane przy użyciu półprzewodnikowych urządzeń elektronicznych, zwykle unika się przebiegu sinusoidalnego.

Elektroniczne urządzenia zasilające, gdy są zmuszone do pracy z falami sinusoidalnymi, dają nieefektywne wyniki, ponieważ urządzenia mają tendencję do nagrzewania się stosunkowo bardziej w porównaniu do pracy z impulsami fali prostokątnej.

Więc następna najlepsza opcja implementacji sinusoida z falownika jest przy okazji PWM, co oznacza modulację szerokości impulsu.

PWM to zaawansowany sposób (wariant cyfrowy) generowania wykładniczego kształtu fali przez proporcjonalnie zmieniające się kwadratowe szerokości impulsu, którego wartość netto jest obliczana tak, aby dokładnie odpowiadała wartości netto wybranego przebiegu wykładniczego, tutaj wartość „netto” odnosi się do wartości RMS. Dlatego doskonale obliczony PWM w odniesieniu do danej fali sinusoidalnej może być użyty jako doskonały odpowiednik do replikacji danej fali sinusoidalnej.

Ponadto PWM stają się idealnie kompatybilne z elektronicznymi urządzeniami zasilającymi (mosfety, BJT, IGBTS) i pozwalają im działać z minimalnym rozpraszaniem ciepła.

Jednak generowanie lub tworzenie przebiegów sinusoidalnych PWM jest zwykle uważane za złożone, a to dlatego, że implementacja nie jest łatwa do symulacji w umyśle.

Nawet ja musiałem przejść burzę mózgów, zanim mogłem poprawnie zasymulować tę funkcję poprzez intensywne myślenie i wyobrażenia.

Co to jest SPWM

Najłatwiejszą znaną metodą generowania sygnału PWM fali sinusoidalnej (SPWM) jest doprowadzenie kilku sygnałów o zmiennej wykładniczo do wejścia wzmacniacza operacyjnego w celu wymaganego przetwarzania. Jeden z dwóch sygnałów wejściowych musi mieć znacznie wyższą częstotliwość w porównaniu do drugiego.

Plik IC 555 może być również skutecznie używany do generowania PWM równoważnych sinusowi , poprzez włączenie jego wbudowanych wzmacniaczy operacyjnych i obwodu generatora trójkątnej rampy R / C.

Poniższa dyskusja pomoże ci zrozumieć całą procedurę.

Nowi hobbystów, a nawet profesjonaliści, będą teraz dość łatwo zrozumieć, w jaki sposób realizowane są PWM z falą sinusoidalną (SPWM), przetwarzając kilka sygnałów za pomocą wzmacniacza operacyjnego, ustalmy to za pomocą poniższego schematu i symulacji.

Korzystanie z dwóch sygnałów wejściowych

Jak wspomniano w poprzedniej sekcji, procedura polega na podawaniu dwóch wykładniczo zmieniających się przebiegów na wejścia wzmacniacza operacyjnego.

Tutaj wzmacniacz operacyjny jest skonfigurowany jako typowy komparator, więc możemy założyć, że wzmacniacz operacyjny natychmiast rozpocznie porównywanie chwilowych poziomów napięcia tych dwóch nałożonych przebiegów w momencie, gdy pojawią się lub zostaną przyłożone do jego wejść.

Aby umożliwić wzmacniaczowi operacyjnemu prawidłowe zaimplementowanie wymaganych PWM fali sinusoidalnej na wyjściu, konieczne jest, aby jeden z sygnałów miał znacznie wyższą częstotliwość niż drugi. Wolniejsza częstotliwość to ta, która ma być próbką sinusoidy, która musi być imitowana (replikowana) przez PWM.

Idealnie, oba sygnały powinny być falami sinusoidalnymi (jeden o wyższej częstotliwości niż drugi), jednak to samo można zrealizować poprzez włączenie fali trójkątnej (wysoka częstotliwość) i fali sinusoidalnej (fala próbkowa o niskiej częstotliwości).

Jak widać na poniższych obrazach, sygnał o wysokiej częstotliwości jest niezmiennie podawany na wejście odwracające (-) wzmacniacza operacyjnego, podczas gdy druga wolniejsza fala sinusoidalna jest podawana na nieodwracające (+) wejście wzmacniacza operacyjnego.

W najgorszym przypadku oba sygnały mogą być falami trójkątnymi z zalecanymi poziomami częstotliwości, jak omówiono powyżej. Mimo to pomogłoby to w osiągnięciu rozsądnie dobrego równoważnika PWM dla fali sinusoidalnej.

Sygnał o wyższej częstotliwości nazywany jest sygnałem nośnym, natomiast wolniejszy sygnał próbkowy nazywany jest wejściem modulującym.

Tworzenie SPWM z falą trójkątną i falą sinusoidalną

Odnosząc się do powyższego rysunku, możemy wyraźnie wizualizować za pomocą wykreślonych punktów różne pokrywające się lub nakładające się punkty napięcia dwóch sygnałów w danym przedziale czasowym.

Oś pozioma oznacza okres czasu przebiegu, podczas gdy oś pionowa wskazuje poziomy napięć dwóch jednocześnie działających, nałożonych przebiegów.

Rysunek informuje nas o tym, jak wzmacniacz operacyjny zareagowałby na pokazane zbieżne chwilowe poziomy napięcia dwóch przebiegów i wytworzyłby odpowiednio zmieniającą się sinusoidę PWM na swoim wyjściu.

Procedura właściwie nie jest tak trudna do wyobrażenia. Wzmacniacz operacyjny po prostu porównuje zmieniające się chwilowe poziomy napięcia szybkiej fali trójkątnej ze stosunkowo wolniejszą falą sinusoidalną (może to być również fala trójkątna) i sprawdza przypadki, w których napięcie fali trójkąta może być niższe niż napięcie fali sinusoidalnej i reaguje natychmiast tworzenie wysokiej logiki na swoich wyjściach.

Jest to utrzymywane tak długo, jak długo potencjał fali trójkąta pozostaje poniżej potencjału fali sinusoidalnej, aw momencie wykrycia, że ​​potencjał fali sinusoidalnej jest niższy niż chwilowy potencjał fali trójkąta, wyjście powraca do niskiego poziomu i utrzymuje się do powrotu sytuacji .

To ciągłe porównanie chwilowych poziomów potencjału dwóch nałożonych na siebie przebiegów na dwóch wejściach wzmacniaczy operacyjnych skutkuje tworzeniem odpowiednio zmieniających się PWM, które mogą być dokładnie replikacją przebiegu sinusoidalnego zastosowanego na nieodwracającym wejściu wzmacniacza operacyjnego.

Opamp Przetwarzanie SPWM

Poniższy obrazek przedstawia symulację w zwolnionym tempie powyższej operacji:

Tutaj możemy być świadkami praktycznej implementacji powyższego wyjaśnienia i tak właśnie działałby wzmacniacz operacyjny (choć w znacznie szybszym tempie, w ms).

Górny rysunek przedstawia nieco dokładniejszy obraz SPWM niż drugi przewijany diagram, to dlatego, że na pierwszym rysunku miałem komfort układu wykresu w tle, podczas gdy na drugim symulowanym wykresie musiałem wykreślić to samo bez pomocy współrzędne wykresu, dlatego mogłem przegapić kilka zbiegających się punktów i dlatego wyniki wyglądają trochę niedokładnie w porównaniu do pierwszego.

Niemniej jednak operacja jest dość oczywista i wyraźnie pokazuje, w jaki sposób wzmacniacz operacyjny ma przetwarzać falę sinusoidalną PWM, porównując dwa jednocześnie zmieniające się sygnały na swoich wejściach, jak wyjaśniono w poprzednich sekcjach.

W rzeczywistości wzmacniacz operacyjny przetwarzałby PWM fali sinusoidalnej znacznie dokładniej niż pokazana powyżej symulacja, może być 100 razy lepszy, wytwarzając niezwykle jednorodne i dobrze zwymiarowane PWM odpowiadające podawanej próbce. sinusoida.

Schemat obwodu