Použitie PWM ako spínacej techniky
Pulzná šírková modulácia (PWM) je bežne používaná technika na všeobecné riadenie jednosmerného napájania elektrického zariadenia, ktorú umožňujú moderné elektronické výkonové spínače. Svoje miesto si však nájde aj v AC sekačkách. Priemerná hodnota prúdu dodávaného do záťaže je riadená polohou spínača a trvaním jeho stavu. Ak je doba zapnutia spínača dlhšia v porovnaní s obdobím vypnutia, záťaž dostane porovnateľne vyšší výkon. Frekvencia spínania PWM musí byť teda rýchlejšia.
Spínanie sa zvyčajne musí robiť niekoľkokrát za minútu v elektrickom sporáku, 120 Hz v stmievači žiarovky, od niekoľkých kilohertzov (kHz) do desiatok kHz pre motorový pohon. Spínacia frekvencia pre zvukové zosilňovače a napájanie počítača je asi desať až stovky kHz. Pomer času ZAPNUTIA k času periódy impulzu je známy ako pracovný cyklus. Ak je pracovný cyklus nízky, znamená to nízky výkon.
Strata výkonu v spínacom zariadení je veľmi nízka v dôsledku takmer zanedbateľného množstva prúdu tečúceho vo vypnutom stave zariadenia a zanedbateľného množstva poklesu napätia v jeho vypnutom stave. Digitálne ovládače tiež používajú techniku PWM. PWM sa tiež používa v určitých komunikačných systémoch, kde sa jeho pracovný cyklus používal na prenos informácií cez komunikačný kanál.
PWM sa môže použiť na nastavenie celkového množstva energie dodanej do záťaže bez strát, ktoré bežne vznikajú, keď je prenos energie obmedzený odporovými prostriedkami. Nevýhodou sú pulzácie definované pracovným cyklom, spínacou frekvenciou a vlastnosťami záťaže. S dostatočne vysokou spínacou frekvenciou a, ak je to potrebné, použitím ďalších pasívnych elektronických filtrov môže byť sled impulzov vyhladený a obnovený priemerný analógový priebeh. Vysokofrekvenčné riadiace systémy PWM možno ľahko implementovať pomocou polovodičových spínačov.
Ako už bolo uvedené vyššie, takmer žiadny výkon sa nerozptyľuje prepínačom v zapnutom ani vypnutom stave. Avšak počas prechodov medzi stavmi zapnutia a vypnutia sú napätie aj prúd nenulové, a teda sa značný výkon rozptýli v prepínačoch. Našťastie je zmena stavu medzi úplným zapnutím a úplným vypnutím pomerne rýchla (zvyčajne menej ako 100 nanosekúnd) v porovnaní s typickými časmi zapnutia alebo vypnutia, takže priemerný rozptyl energie je v porovnaní s dodávaným výkonom aj pri vysokých spínacích frekvenciách pomerne nízky. sa používajú.
Použitie PWM na dodanie jednosmerného prúdu do záťaže
Väčšina priemyselných procesov vyžaduje, aby boli prevádzkované na určitých parametroch, pokiaľ ide o rýchlosť pohonu. Systémy elektrického pohonu používané v mnohých priemyselných aplikáciách vyžadujú kvôli ľahkej ovládateľnosti vyšší výkon, spoľahlivosť a premennú rýchlosť. The regulácia otáčok jednosmerného motora je dôležitý v aplikáciách, kde je zásadná presnosť a ochrana. Účelom regulátora otáčok motora je prijať signál predstavujúci požadovanú rýchlosť a poháňať motor pri tejto rýchlosti.
Impulzná šírková modulácia (PWM), ktorá sa týka riadenia motora, je spôsob dodávania energie skôr postupnosťou impulzov, ako kontinuálne sa meniacim (analógovým) signálom. Zvyšovaním alebo zmenšovaním šírky impulzu reguluje regulátor tok energie do hriadeľa motora. Vlastná indukčnosť motora funguje ako filter, ktorý ukladá energiu počas cyklu „ON“ a uvoľňuje ju rýchlosťou zodpovedajúcou vstupnému alebo referenčnému signálu. Inými slovami, energia prúdi do záťaže ani nie tak spínacou frekvenciou, ako skôr referenčnou frekvenciou.
Obvod slúži na riadenie rýchlosti Jednosmerný motor pomocou techniky PWM. Sériový ovládač jednosmerného motora s premenlivou rýchlosťou 12V používa 555 časovač IC ako generátor impulzov PWM na reguláciu otáčok motora DC12 V. IC 555 je populárny časovačový čip používaný na výrobu časovacích obvodov. Zaviedli ju v roku 1972 Signetics. Nazýva sa ako 555, pretože vo vnútri sú tri 5 K rezistory. IC sa skladá z dvoch komparátorov, reťazca rezistorov, Flip Flop a koncového stupňa. Funguje v 3 základných režimoch - Astabilný, Monostabilný (kde pôsobí na jednorazový generátor impulzov a Bistabilný režim). To znamená, že keď sa spustí, výstup ide na určitý čas vysoko na základe hodnôt časovacieho odporu a kondenzátora. Astable mode (AMV), IC funguje ako voľne bežiaci multivibrátor. Výstup sa neustále stáča vysoko a nízko, aby dával pulzujúci výstup ako oscilátor. V bistabilnom režime známom tiež ako Schmittova spúšť pracuje IC ako Flip-Flop s vysokým alebo nízky výstup na každom spúšti a reset.
V tomto obvode sa používa IRF540 MOSFET. Toto je N-Channel vylepšenie MOSFET. Jedná sa o pokročilý výkonový MOSFET navrhnutý, testovaný a zaručene odoláva stanovenej úrovni energie v režime lavínovej poruchy. Tieto výkonové MOSFETy sú určené pre aplikácie, ako sú spínacie regulátory, spínacie konvertory, budiče motorov, budiče relé a budiče pre vysoko výkonné bipolárne spínacie tranzistory vyžadujúce vysokú rýchlosť a nízky výkon pohonu brány. Tieto typy je možné ovládať priamo z integrovaných obvodov. Pracovné napätie tohto obvodu je možné upraviť podľa potrieb poháňaného jednosmerného motora. Tento obvod môže pracovať od 5-18VDC.
Nad obvodom t.j. Regulácia otáčok jednosmerného motora pomocou PWM technika mení pracovný cyklus, ktorý zase riadi rýchlosť motora. IC 555 je pripojený v nestabilnom režime k voľnému chodu viac vibrátorov. Obvod pozostáva z usporiadania potenciometra a dvoch diód, ktoré sa používajú na zmenu pracovného cyklu a udržanie konštantnej frekvencie. Pretože sa mení odpor variabilného rezistora alebo potenciometra, mení sa pracovný cyklus impulzov aplikovaných na MOSFET a podľa toho sa mení jednosmerný výkon motora, a tým sa zvyšuje jeho rýchlosť so zvyšovaním pracovného cyklu.
Využitie PWM na dodanie striedavého prúdu do záťaže
Moderné polovodičové spínače, ako sú MOSFET alebo bipolárne tranzistory s izolovanou bránou (IGBT), sú celkom ideálne komponenty. Takto je možné zostaviť vysokoúčinné regulátory. Frekvenčné meniče používané na riadenie striedavých motorov majú zvyčajne účinnosť vyššiu ako 98%. Spínané zdroje majú nižšiu účinnosť z dôvodu nízkej úrovne výstupného napätia (pre mikroprocesory sú často potrebné aj menej ako 2 V), ale stále je možné dosiahnuť účinnosť viac ako 70 - 80%.
Tento druh riadenia pre striedavý prúd je výkonovo známa metóda oneskoreného streľby. Je to lacnejšie a vytvára veľa elektrického šumu a harmonických v porovnaní so skutočnou reguláciou PWM, ktorá vytvára zanedbateľný hluk.
V mnohých aplikáciách, ako je priemyselné vykurovanie, riadenie osvetlenia, indukčné motory s mäkkým štartom a regulátory otáčok pre ventilátory a čerpadlá, je potrebné premenlivé striedavé napätie z pevného zdroja striedavého prúdu. Pre tieto požiadavky sa často používalo riadenie fázového uhla regulátorov. Ponúka niektoré výhody, ako je jednoduchosť a schopnosť ekonomického riadenia veľkého množstva energie. Avšak oneskorený uhol streľby spôsobuje diskontinuitu a veľké množstvo harmonických v zaťažovacom prúde a pri zvýšení uhla streľby na strane striedavého prúdu nastáva zaostávajúci výkonový faktor.
Tieto problémy je možné zlepšiť použitím sekačky PWM AC. Tento striedavý prúd PWM ponúka niekoľko výhod, ako je sínusový vstupný prúd s takmer jednotkovým účinníkom. Avšak na zmenšenie veľkosti filtra a zlepšenie kvality výstupného regulátora by sa mala zvýšiť spínacia frekvencia. To spôsobuje vysoké straty spínania. Ďalším problémom je komutácia medzi odovzdávajúcim spínačom SI s voľnobežným spínačom S2. Ak sú obidva spínače zapnuté súčasne (skrat), spôsobí to prúdový skok a skok napätia, ak sú oba spínače vypnuté (žiadna voľnobežná dráha). Aby sa zabránilo týmto problémom, boli použité RC tlmiče. To však zvyšuje stratu energie v obvode a je to ťažké, drahé, objemné a neefektívne pre aplikácie s vysokým výkonom. Navrhuje sa striedavý prúd s prepínaním nulového prúdu (ZCS-ZVS). Jeho výstupný regulátor napätia musí meniť čas vypínania riadený signálom PWM. Preto je potrebné na dosiahnutie mäkkého prepínania použiť riadenie frekvencie a všeobecné riadiace systémy používajú techniky PWM produkujúce čas zapnutia. Táto technika má výhody, ako napríklad jednoduché ovládanie so sigma-delta moduláciou a pokračujúci vstupný prúd. Vlastnosti navrhovanej konfigurácie obvodu a sekaných vzorov PWM sú uvedené nižšie.
