Co to jest PWM, jak to zmierzyć

Co to jest PWM, jak to zmierzyć

PWM oznacza modulację szerokości impulsu, która oznacza zmienną naturę szerokości impulsów, które mogą być generowane z określonego źródła, takiego jak dyskretny układ scalony, MCU lub obwód tranzystorowy.



Co to jest PWM

Mówiąc prościej, proces PWM to nic innego jak włączanie i wyłączanie napięcia zasilania z określoną szybkością z różnymi stosunkami czasowymi WŁ. / WYŁ., Tutaj długość przełączania napięcia może być większa, mniejsza lub równa długości wyłączenia przełącznika.

Na przykład PWM może składać się z napięcia ustalonego do włączania i wyłączania z częstotliwością 2 sekundy załączenia 1 sekundy wyłączenia, 1 sekundy włączenia 2 sekundy wyłączenia lub 1 sekundy włączenia i 1 sekundy wyłączenia.





Kiedy ta częstotliwość włączania / wyłączania napięcia zasilania jest różnie zoptymalizowana, mówimy, że napięcie jest modulowane PWM lub szerokość impulsu.

Wszyscy musicie być już zaznajomieni z tym, jak stały potencjał DC pojawia się na wykresie napięcia v / s w czasie, jak pokazano poniżej:



Na powyższym obrazku widzimy linię prostą na poziomie 9V, osiągnięto to, ponieważ poziom 9V nie zmienia się w czasie, a zatem jesteśmy w stanie zobaczyć linię prostą.

Teraz, jeśli to 9 V jest włączane i wyłączane co 1 sekundę, powyższy wykres wyglądałby tak:

Widzimy wyraźnie, że teraz linia 9V nie jest już prostoliniowym oceniającym w postaci bloków co 1 sekundę, ponieważ 9V jest naprzemiennie włączane i wyłączane co sekundę.

Powyższe ślady wyglądają jak prostokątne bloki, ponieważ gdy 9V jest włączane i wyłączane, operacje są natychmiastowe, co nagle powoduje, że 9V przechodzi do poziomu zerowego, a następnie nagle do poziomu 9V, tworząc w ten sposób prostokątne kształty na wykresie.

Powyższy warunek powoduje powstanie pulsującego napięcia, które ma dwa parametry do zmierzenia, a mianowicie: napięcie szczytowe i napięcie średnie lub napięcie skuteczne.

Szczytowe i średnie napięcie

Na pierwszym zdjęciu szczytowe napięcie wynosi oczywiście 9 V, a średnie napięcie również wynosi 9 V po prostu dlatego, że napięcie jest stałe bez żadnych przerw.

Jednak na drugim obrazie, chociaż napięcie jest włączane / wyłączane z częstotliwością 1 Hz (1 sekunda WŁ., 1 sekunda WYŁ.), Wartość szczytowa będzie nadal równa 9 V, ponieważ szczyt zawsze osiąga znak 9 V w okresach włączenia. Ale średnie napięcie tutaj nie wynosi 9 V, a raczej 4,5 V, ponieważ włączanie i wyłączanie napięcia odbywa się z szybkością 50%.

W dyskusjach o PWM ta stawka ON / OFF nazywana jest cyklem pracy PWM, dlatego w powyższym przypadku jest to 50% cykl pracy.

Kiedy mierzysz PWM multimetrem cyfrowym w zakresie DC, zawsze otrzymasz średnią wartość odczytaną na mierniku.

Nowi hobbyści często mylą się z tym odczytem i traktują go jako wartość szczytową, co jest całkowicie błędne.

Jak wyjaśniono powyżej, wartość szczytowa PWM będzie w większości równa napięciu zasilania podawanemu do obwodu, podczas gdy średnie napięcie na mierniku będzie średnią z okresów włączenia / wyłączenia PWM.

Przełączanie Mosfet z PWM

Więc jeśli przełączasz mosfet z PWM i stwierdzasz, że napięcie bramki wynosi, powiedzmy, 3 V, nie panikuj, ponieważ może to być tylko średnie napięcie wskazywane przez miernik, napięcie szczytowe może być tak wysokie, jak zasilanie twojego obwodu Napięcie.

Dlatego można oczekiwać, że mosfet będzie dobrze i całkowicie przewodził te wartości szczytowe, a średnie napięcie wpłynie tylko na jego okres przewodzenia, a nie na specyfikację przełączania urządzenia.

Jak omówiliśmy w poprzednich sekcjach, PWM zasadniczo obejmuje zmianę szerokości impulsu, innymi słowy okresy włączenia i wyłączenia DC.

Załóżmy na przykład, że chcesz, aby wyjście PWM miało czas włączenia o 50% krótszy niż czas włączenia.

Załóżmy, że wybrany czas włączenia wynosi 1/2 sekundy, a następnie czas wyłączenia byłby równy 1 sekundzie, co spowodowałoby cykl pracy 1/2 sekundy włączenia i 1 sekundy wyłączenia, jak widać na poniższym schemacie .

Analiza cyklu pracy PWM

W tym przykładzie PWM są zoptymalizowane do wytwarzania napięcia szczytowego 9 V, ale średnie napięcie 3,15 V, ponieważ czas włączenia wynosi zaledwie 35% pełnego pełnego cyklu włączania / wyłączania.

Jeden pełny cykl odnosi się do okresu czasu, który pozwala danemu impulsowi zakończyć swój jeden pełny czas włączenia i jeden czas wyłączenia.

Podobnie można zamierzać zoptymalizować szerokość impulsu częstotliwości za pomocą następujących danych:

Tutaj można zobaczyć, że czas włączenia jest zwiększony niż czas wyłączenia o 65% w jednym pełnym cyklu, dlatego tutaj średnia wartość napięcia wynosi 5,85V.

Omówione powyżej średnie napięcie jest również nazywane RMS lub średnią kwadratową napięcia.

Ponieważ są to wszystkie impulsy prostokątne lub kwadratowe, wartość skuteczną RMS można po prostu obliczyć, mnożąc procent cyklu pracy przez napięcie szczytowe.

Optymalizacja PWM w celu symulacji fali sinusoidalnej

Jednak w przypadkach, gdy PWM jest zoptymalizowany do symulacji impulsu prądu przemiennego, obliczenia wartości skutecznej stają się nieco skomplikowane.

Weźmy przykład następującego PWM, który jest zoptymalizowany w celu zmiany szerokości odpowiadającej zmieniającej się amplitudzie lub poziomowi sinusoidalnego sygnału AC.

Możesz dowiedzieć się więcej na ten temat w jednym z moich poprzednich artykułów, w których wyjaśniłem, w jaki sposób można użyć IC 555 Generowanie wyjścia PWM równoważne fali sinusoidalnej .

Jak widać na powyższym obrazie, szerokość impulsów zmienia się w zależności od chwilowego poziomu fali sinusoidalnej. Gdy fala sinusoidalna ma tendencję do osiągania szczytu, odpowiadająca jej szerokość impulsu staje się szersza i odwrotnie.

Korzystanie z SPWM

Wskazuje to na to, że ponieważ poziom napięcia sinusoidy stale się zmienia w czasie, PWM również zmieniają się w czasie, stale zmieniając swoją szerokość. Takie PWM jest również określane jako SPWM lub modulacja szerokości impulsu fali sinusoidalnej.

Stąd w powyższym przypadku impulsy nigdy nie są stałe, a raczej zmieniają swoją szerokość inaczej w czasie.

To sprawia, że ​​jego wartość skuteczna lub obliczenie wartości średniej jest trochę skomplikowane i nie możemy po prostu pomnożyć cyklu pracy przez napięcie szczytowe w celu uzyskania wartości skutecznej.

Chociaż faktyczny wzór na wyprowadzenie wyrażenia RMS jest dość złożony, po odpowiednich wyprowadzeniach ostateczna implementacja staje się dość łatwa.

Obliczanie napięcia RMS PWM

Zatem do obliczenia wartości skutecznej RMS zmieniającego się napięcia PWM w odpowiedzi na falę sinusoidalną można uzyskać mnożąc wartość 0,7 (stała) przez napięcie szczytowe.

Tak więc dla szczytu 9 V otrzymujemy 9 x 0,7 = 6,3 V, to jest napięcie RMS lub średnia wartość sygnału PWM 9 V od szczytu do szczytu symulującego falę sinusoidalną.

Rola PWM w obwodach elektronicznych?

Przekonasz się, że koncepcja PWM jest zasadniczo związana z
projekty obwodów, które mają cewki indukcyjne, zwłaszcza topologie buck boost, takie jak falowniki, SMPS , MPPT, obwody sterownika LED itp.

Bez cewki indukcyjnej funkcja PWM może nie mieć rzeczywistej wartości ani roli w danym obwodzie, dzieje się tak, ponieważ tylko cewka indukcyjna ma nieodłączną cechę przekształcania zmiennej szerokości impulsu na równoważną ilość podwyższonego (wzmocnionego) lub obniżonego (obniżonego) napięcie lub prąd, które staje się całą i jedyną ideą technologii PWM.

Używanie PWM z cewkami

Aby zrozumieć, jak PWM wpływa na wyjście cewki indukcyjnej pod względem napięcia i prądu, należałoby najpierw dowiedzieć się, jak zachowuje się cewka indukcyjna pod wpływem pulsującego napięcia.

W jednym z moich poprzednich postów wyjaśniłem odnośnie jak działa obwód doładowania złotówki , jest to klasyczny przykład pokazujący, jak PWM lub zmienną szerokość impulsu można wykorzystać do zwymiarowania wyjścia cewki indukcyjnej.

Powszechnie wiadomo, że z natury induktor zawsze przeciwstawia się nagłemu przyłożeniu do niego napięcia i pozwala mu przejść dopiero po pewnym czasie w zależności od specyfikacji uzwojenia, a podczas tego procesu magazynuje równoważną ilość energii w to.

Otóż, jeśli w trakcie powyższego procesu następuje nagłe wyłączenie napięcia, cewka ponownie nie jest w stanie poradzić sobie z tym nagłym zanikiem przyłożonego napięcia i próbuje je zrównoważyć, uwalniając zgromadzony w nim prąd.

Reakcja cewki indukcyjnej na PWM

Tak więc cewka indukcyjna będzie próbowała przeciwstawić się włączeniu napięcia poprzez gromadzenie prądu i spróbuje wyrównać w odpowiedzi na nagłe wyłączenie napięcia przez „wyrzucenie” zmagazynowanej energii z powrotem do systemu.

To odbicie jest nazywane tylną siłą elektromagnetyczną cewki indukcyjnej, a zawartość tej energii (napięcie, prąd) będzie zależeć od specyfikacji uzwojenia cewki indukcyjnej.

Zasadniczo liczba zwojów decyduje o tym, czy pole elektromagnetyczne powinno być wyższe niż napięcie zasilania, czy niższe niż napięcie zasilania, a grubość drutu decyduje o natężeniu prądu, jaki cewka może być w stanie oddać.

Jest jeszcze jeden aspekt powyższego induktora, którym jest czas trwania okresów włączania / wyłączania napięcia.

Właśnie wtedy użycie PWM staje się kluczowe.

Chociaż liczba zwojów zasadniczo determinuje wartości wyjściowe dla konkretnego, mogą one również zmieniać się zgodnie z potrzebami, zasilając zoptymalizowane wejście PWM do cewki indukcyjnej.

Poprzez zmienne PWM możemy zmusić cewkę indukcyjną do generowania / konwersji napięć i prądów z dowolną pożądaną szybkością, albo jako podwyższone napięcie (obniżony prąd), albo podwyższony prąd (obniżone napięcie) lub odwrotnie.

W niektórych zastosowaniach PWM może być używany nawet bez cewki indukcyjnej, na przykład do ściemniania światła LED lub w obwodach timera MCU, gdzie wyjście może być zoptymalizowane do generowania napięć przy różnych włączeniach, okresach wyłączania w celu sterowania obciążeniem zgodnie z zamierzone specyfikacje robocze.




Poprzedni: Prosty obwód alarmowy czujnika ultradźwiękowego za pomocą Opamp Dalej: Prosty obwód mieszacza kolorów LED RGB wykorzystujący układ LM317