Obvod sínusových vĺn PWM (SPWM) využívajúci operačný zosilňovač

SPWM označuje sínusovú vlnovú šírkovú moduláciu, čo je usporiadanie šírky impulzu, v ktorom sú impulzy na začiatku užšie, v strede sa postupne rozširujú a na konci usporiadania sa opäť zužujú. Táto sada impulzov, ak je implementovaná v indukčnej aplikácii, ako je invertor, umožňuje transformáciu výstupu na exponenciálny sínusový priebeh, ktorý môže vyzerať úplne rovnako ako bežný sínusový priebeh mriežky,

Získanie sinusového výstupu z invertora môže byť najdôležitejšou a najvýhodnejšou vlastnosťou pre zaistenie maximálnej účinnosti jednotky z hľadiska jej výstupnej kvality. Naučme sa, ako vyrobiť sínusoidu PWM alebo SPWM pomocou operačného zosilňovača.

Simulácia sínusového priebehu nie je jednoduchá

Dosiahnutie výstupu sínusových vĺn môže byť dosť zložité a nemusí sa odporúčať pre invertory, pretože elektronické zariadenia zvyčajne nemajú „radi“ exponenciálne rastúce prúdy alebo napätia. Pretože invertory sa vyrábajú v zásade pomocou polovodičových elektronických zariadení, je obvykle zabránené vzniku sínusového priebehu.

Elektronické výkonové zariadenia, keď sú nútené pracovať so sínusovými vlnami, vytvárajú neúčinné výsledky, pretože tieto zariadenia majú tendenciu byť v porovnaní s prevádzkou s impulzmi štvorcových vĺn relatívne horšie.

Ďalšia najlepšia možnosť implementácie a sínusoida z invertora je cestou PWM, čo je skratka pre Pulse width modulation.

PWM je pokročilý spôsob (digitálny variant) uvádzania exponenciálneho priebehu do proporčne sa meniacich šírok štvorcových impulzov, ktorých čistá hodnota sa počíta tak, aby presne zodpovedala čistej hodnote vybraného exponenciálneho priebehu, tu sa „čistá“ hodnota vzťahuje na hodnotu RMS. Preto sa dá perfektne vypočítaný PWM s odkazom na danú sínusovú vlnu použiť ako dokonalý ekvivalent na replikáciu danej sínusoidy.

Ďalej sa PWM stávajú ideálne kompatibilnými s elektronickými napájacími zariadeniami (mosfety, BJT, IGBTS) a umožňujú ich prevádzku s minimálnym odvodom tepla.

Avšak generovanie alebo vytváranie sínusových vĺn PWM sa bežne považuje za zložité, a to preto, lebo implementácia nie je v ich mysli jednoduchá.

Dokonca som musel absolvovať nejaký brainstorming, kým som mohol správne simulovať funkciu pomocou intenzívneho myslenia a predstavovania si.

Čo je to SPWM

Najjednoduchšou známou metódou generovania sinewaver PWM (SPWM) je privádzanie niekoľkých exponenciálne sa meniacich signálov na vstup operačného zosilňovača pre požadované spracovanie. Spomedzi dvoch vstupných signálov musí byť jeden vo svojej frekvencii omnoho vyšší v porovnaní s druhým.

The IC 555 možno tiež efektívne použiť na generovanie sínusových ekvivalentov PWM začlenením svojich vstavaných zosilňovačov a obvodu generátora rampy trojuholníka R / C.

Nasledujúca diskusia vám pomôže pochopiť celý postup.

Noví fandovia a dokonca aj profesionáli budú teraz celkom ľahko pochopiť, ako sa implementujú sínusové vlny PWM (SPWM) spracovaním niekoľkých signálov pomocou operačného zosilňovača, poďme na to prísť pomocou nasledujúcej schémy a simulácie.

Pomocou dvoch vstupných signálov

Ako bolo uvedené v predchádzajúcej časti, postup zahrnuje napájanie dvoch exponenciálne sa meniacich kriviek na vstupy operačného zosilňovača.

Tu je operačný zosilňovač nakonfigurovaný ako typický komparátor, takže môžeme predpokladať, že operačný zosilňovač okamžite začne porovnávať okamžité úrovne napätia týchto dvoch superponovaných tvarov v okamihu, keď sa objavia alebo sa použijú na jeho vstupy.

Aby operačný zosilňovač mohol na svojom výstupe správne implementovať požadované sínusové vlny PWM, je nevyhnutné, aby jeden zo signálov mal oveľa vyššiu frekvenciu ako druhý. Pomalšia frekvencia je tu frekvencia, ktorá má byť vzorkovou sínusovou vlnou, ktorú musia PWM napodobňovať (replikovať).

V ideálnom prípade by oba signály mali byť sínusové vlny (jeden s vyššou frekvenciou ako druhé), ale to isté je možné implementovať aj začlenením trojuholníkového vlnenia (vysoká frekvencia) a sínusového signálu (vzorka s nízkou frekvenciou).

Ako je možné vidieť na nasledujúcich obrázkoch, vysokofrekvenčný signál sa vždy aplikuje na invertujúci vstup (-) operačného zosilňovača, zatiaľ čo druhá pomalšia sínusová vlna sa aplikuje na neinvertujúci (+) vstup operačného zosilňovača.

V najhoršom prípade môžu byť obidva signály trojuholníkové vlny s odporúčanými frekvenčnými úrovňami, ako je uvedené vyššie. Stále by vám to pomohlo dosiahnuť primerane dobrú hodnotu sinusového ekvivalentu PWM.

Signál s vyššou frekvenciou sa nazýva nosný signál, zatiaľ čo signál pomalšej vzorky sa nazýva modulačný vstup.

Vytvorenie SPWM s vlnami Triangle a Sinewave

S odkazom na obrázok vyššie môžeme jasne vykresliť prostredníctvom vykreslených bodov rôzne koincidenčné alebo prekrývajúce sa napäťové body dvoch signálov v danom časovom rozpätí.

Vodorovná os označuje časové obdobie tvaru vlny, zatiaľ čo zvislá os označuje úrovne napätia dvoch súčasne prebiehajúcich, prekrytých tvarov vlny.

Obrázok nás informuje o tom, ako by operačný zosilňovač reagoval na zobrazené okamžité úrovne napätia týchto dvoch kriviek a produkoval na svojom výstupe príslušne sa meniacu sínusovú vlnu PWM.

Postup nie je v skutočnosti taký zložitý na predstavenie. Operačný zosilňovač jednoducho porovnáva rôzne okamžité úrovne napätia rýchlej trojuholníkovej vlny s relatívne oveľa pomalšou sínusovou vlnou (môže to byť aj trojuholníková vlna) a kontroluje prípady, počas ktorých môže byť napätie v tvare trojuholníka nižšie ako napätie sínusovej vlny a reaguje okamžite vytváranie vysokej logiky na jeho výstupoch.

Toto je udržané, pokiaľ je potenciál trojuholníkových vĺn stále pod potenciálom sínusových vĺn a v okamihu, keď je zistený potenciál sínusových vĺn, ktorý je nižší ako okamžitý potenciál trojuholníkových vĺn, výstupy sa reverzujú s nízkou hodnotou a udržujú sa, kým sa situácia nevráti .

Toto kontinuálne porovnanie okamžitých úrovní potenciálu dvoch superponovaných tvarov vĺn cez dva vstupy operačných zosilňovačov vedie k vytvoreniu zodpovedajúco sa meniacich PWM, čo môže byť presne replikácia sínusového priebehu použitého na neinvertujúcom vstupe operačného zosilňovača.

Operačný zosilňovač spracúva SPWM

Nasledujúci obrázok zobrazuje slo-mo simuláciu vyššie uvedenej operácie:

Tu môžeme byť svedkami toho, ako sa vyššie uvedené vysvetlenie prakticky implementuje, a celkom tak by operačný zosilňovač vykonával to isté (aj keď v oveľa väčšej miere, v ms).

Horný obrázok zobrazuje o niečo presnejšie zobrazenie SPWM ako druhý posúvací diagram, je to preto, že na prvom obrázku som mal pohodlie rozloženia grafu na pozadí, zatiaľ čo na druhom simulovanom diagrame som to isté musel vykresliť bez pomoci súradnice grafu, preto mi mohlo uniknúť niekoľko zhodných bodov, a preto výstupy vyzerajú v porovnaní s prvým trochu nepresne.

Operácia je napriek tomu celkom zrejmá a zreteľne prináša, ako má operačný zosilňovač spracovávať sínusovú vlnu PWM porovnaním dvoch súčasne sa meniacich signálov na jej vstupoch, ako je vysvetlené v predchádzajúcich častiach.

Operačný zosilňovač by v skutočnosti spracovával PWM sínusovej vlny oveľa presnejšie ako vyššie uvedená simulácia, môže byť stokrát lepší a produkovať extrémne jednotné a dobre dimenzované PWM zodpovedajúce privádzanej vzorke. sínusoida.

Schéma zapojenia