Čo je PWM, ako ho merať

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





PWM je skratka pre moduláciu šírky impulzu, čo znamená variabilnú povahu šírky impulzu, ktorá môže byť generovaná z konkrétneho zdroja, ako je diskrétny IC, MCU alebo tranzistorový obvod.

Čo je PWM

Zjednodušene povedané, proces PWM nie je nič iné ako zapínanie a vypínanie napájacieho napätia určitou rýchlosťou s rôznymi časovacími pomermi zapínania a vypínania, tu môže byť dĺžka zapínania napätia väčšia, menšia alebo rovnaká ako dĺžka vypínania.



Napríklad PWM môže pozostávať z napätia fixného na zapínanie a vypínanie rýchlosťou 2 sekundy ZAPNUTÉ 1 sekunda VYPNUTÉ, 1 sekunda ZAPNUTÉ 2 sekundy VYPNUTÉ alebo 1 sekunda ZAPNUTÉ, 1 sekunda vypnuté.

Keď sú táto rýchlosť ON / OFF napájacieho napätia rôzne optimalizovaná, hovoríme, že napätie je modulované PWM alebo Pulse Width.



Všetci už musíte byť oboznámení s tým, ako sa na časovom grafe napätia v / s zobrazuje konštantný potenciál DC, ako je uvedené nižšie:

Na vyššie uvedenom obrázku vidíme priamku na úrovni 9 V, čo sa dá dosiahnuť, pretože úroveň 9 V sa nemení s ohľadom na čas, a preto sme schopní byť svedkami priamky.

Teraz, ak je tento 9V zapnutý a vypnutý po každej 1 sekunde, potom by vyššie uvedený graf vyzeral takto:

Jasne vidíme, že vedenie 9V už nie je hodnotiteľom priamky vo forme blokov po každej 1 sekunde, pretože 9V sa zapína a vypína po každej druhej striedavo.

Vyššie uvedené stopy vyzerajú ako obdĺžnikové bloky, pretože keď je 9V zapnuté a vypnuté, operácie sú okamžité, čo náhle spôsobí, že 9V prejde na nulovú úroveň a potom náhle na úroveň 9V, čím sa v grafe vytvoria obdĺžnikové tvary.

Vyššie uvedená podmienka vedie k pulzujúcemu napätiu, ktoré má merať dva parametre, a to: špičkové napätie a priemerné napätie alebo RMS napätie.

Špičkové a priemerné napätie

Na prvom obrázku je špičkové napätie zjavne 9 V a priemerné napätie je tiež 9 V, pretože napätie je konštantné bez akýchkoľvek prerušenia.

Avšak na druhom obrázku, aj keď je napätie ZAPNUTÉ / VYPNUTÉ s frekvenciou 1 Hz (1 sekunda ZAPNUTÉ, 1 sekunda VYPNUTÉ), vrchol bude stále rovný 9V, pretože vrchol počas periód ON vždy dosiahne značku 9V. Ale priemerné napätie tu nie je 9V, skôr 4,5V, pretože vytváranie a prerušovanie napätia sa vykonáva s rýchlosťou 50%.

V diskusiách o PWM sa táto miera ON / OFF nazýva pracovný cyklus PWM, preto v uvedenom prípade ide o 50% pracovný cyklus.

Keď meriate PWM s digitálnym multimetrom v rozsahu DC, vždy získate priemernú hodnotu nameranú na merači.

Noví fandovia sa často mýlia s týmto čítaním a berú ho ako vrcholnú hodnotu, čo je úplne nesprávne.

Ako je vysvetlené vyššie, špičková hodnota PWM sa bude väčšinou rovnať napájaciemu napätiu privádzanému do obvodu, zatiaľ čo priemerná odchýlka na merači bude priemerom periód ON / OFF PWM.

Prepínanie Mosfet s PWM

Takže ak prepínate mosfet s PWM a zistíte, že hradlové napätie je napríklad 3 V, neprepadajte panike, pretože to môže byť iba priemerné napätie indikované meradlom, špičkové napätie môže byť také vysoké ako napájanie vášho obvodu. Napätie.

Dalo by sa preto očakávať, že mosfet bude cez tieto špičkové hodnoty viesť v poriadku a úplne a priemerné napätie bude mať vplyv iba na jeho vodivú periódu, nie na spínaciu špecifikáciu zariadenia.

Ako sme diskutovali v predchádzajúcich častiach, PWM zásadne zahŕňa zmenu šírky impulzu, inými slovami doby zapnutia a vypnutia jednosmerného prúdu.

Povedzme napríklad, že chcete výstup PWM s časom ZAPNUTIA, ktorý je o 50% kratší ako čas ZAPNUTIA.

Predpokladajme, že zvolený čas ON je 1/2 sekundy, potom by čas OFF bol rovný 1 sekunde, čo by viedlo k vzniku pracovného cyklu 1/2 sekundy ON a 1 sekundu OFF, ako je vidieť na nasledujúcom diagrame. .

Analýza pracovného cyklu PWM

V tomto príklade sú PWM optimalizované tak, aby produkovali špičkové napätie 9 V, ale priemerné napätie 3,15 V, pretože čas ZAP je iba 35% jedného úplného úplného cyklu ZAP / VYP.

Jeden úplný cyklus sa vzťahuje na časové obdobie, ktoré umožňuje danému impulzu dokončiť jeden úplný čas zapnutia a jeden čas vypnutia.

Podobne je možné optimalizovať šírku impulzu frekvencie pomocou nasledujúcich údajov:

Tu je možné vidieť čas ZAPNUTIA zvýšený ako čas VYPNUTÍ o 65% počas jedného celého cyklu, preto tu priemerná hodnota napätia dosiahne 5,85 V.

Vyššie uvedené priemerné napätie sa tiež nazýva RMS alebo efektívna hodnota napätia.

Pretože sa jedná o všetky obdĺžnikové alebo štvorcové impulzy, je možné RMS vypočítať jednoduchým vynásobením percenta pracovného cyklu špičkovým napätím.

Optimalizácia PWM na simuláciu sínusoidy

Avšak v prípadoch, keď je PWM optimalizovaný na simuláciu impulzu striedavého prúdu, je výpočet pre RMS trochu zložitý.

Zoberme si príklad nasledujúceho PWM, ktorý je optimalizovaný tak, aby menil svoju šírku zodpovedajúcu meniacej sa amplitúde alebo úrovni sínusového striedavého signálu.

Viac sa o tom dozviete v jednom z mojich predchádzajúcich článkov, kde som vysvetlil, ako sa dá IC 555 použiť generovanie PWM výstupu ekvivalentného sínusovej vlny .

Ako vidíme na obrázku vyššie, šírka impulzov sa mení s ohľadom na okamžitú úroveň sínusoidy. Keď bude mať sínusoida sklon k vrcholu, zodpovedajúca šírka impulzu sa rozšíri a naopak.

Pomocou SPWM

To naznačuje, že pretože úroveň napätia sínusovej vlny sa neustále mení s časom, PWM sa tiež menia s časom tým, že neustále menia svoje šírky. Takéto PWM sa tiež označuje ako SPWM alebo Sinewave Pulse Width Modulation.

Vo vyššie uvedenom prípade teda impulzy nie sú nikdy konštantné, skôr časom menia svoju šírku inak.

Toto robí jeho RMS alebo výpočet priemernej hodnoty trochu zložitým a nemôžeme tu jednoducho znásobiť pracovný cyklus špičkovým napätím na dosiahnutie RMS.

Aj keď je skutočný vzorec na odvodenie výrazu RMS dosť zložitý, po vhodných deriváciách je konečná implementácia skutočne dosť ľahká.

Výpočet RMS napätia PWM

Teda na výpočet RMS premenlivého napätia PWM v reakcii na sínusovú vlnu je možné získať vynásobením 0,7 (konštantnej) špičkovým napätím.

Takže pre vrchol 9V dostaneme 9 x 0,7 = 6,3V, to je RMS napätie alebo priemerná hodnota vrcholu 9V od špičky po vrchol PWM simulujúcu sínusovú vlnu.

Úloha PWM v elektronických obvodoch?

Uvidíte, že koncept PWM je v podstate spojený s
návrhy obvodov, ktoré majú zapojené tlmivky, najmä topológie zosilnenia dolára, ako sú invertory, SMPS , MPPT, obvody ovládačov LED atď.

Bez induktora nemusí mať funkcia PWM v danom obvode žiadnu skutočnú hodnotu alebo úlohu, je to preto, lebo iba induktor má inherentnú vlastnosť transformácie meniacej sa šírky impulzu na ekvivalentné množstvo zosilneného (zosilneného) alebo zníženého (zarážaného) napätie alebo prúd, ktoré sa stávajú úplnou a jedinou myšlienkou technológie PWM.

Použitie PWM s induktormi

Aby sme pochopili, ako PWM ovplyvňuje výstup induktora z hľadiska napätia a prúdu, bolo by najskôr dôležité naučiť sa, ako sa induktor správa pri vplyve pulzujúceho napätia.

V jednom z mojich predchádzajúcich príspevkov som vysvetlil ohľadne ako funguje obvod na zvýšenie dolára , toto je klasický príklad na demonštráciu toho, ako je možné použiť PWM alebo rôznu šírku impulzu na dimenzovanie výstupu induktora.

Je dobre známe, že induktor zo svojej podstaty vždy vystupuje proti náhlemu použitiu napätia a umožňuje mu prechádzať až po určitom čase v závislosti od jeho špecifikácií vinutia, a počas tohto procesu ukladá ekvivalentné množstvo energie v to.

Teraz, ak sa v priebehu vyššie uvedeného procesu napätie náhle vypne, induktor opäť nie je schopný vyrovnať sa s týmto náhlym zmiznutím aplikovaného napätia a snaží sa ho vyvážiť uvoľnením v ňom uloženého prúdu.

Reakcia induktora na PWM

Induktor sa teda pokúsi brániť zapínaniu napätia ukladaním prúdu a pokúša sa vyrovnať v reakcii na náhle vypnutie napätia „kopnutím“ uloženej energie späť do systému.

Tento spätný ráz sa nazýva spätný EMF induktora a obsah tejto energie (napätie, prúd) bude závisieť od špecifikácií vinutia induktora.

Počet závitov v zásade rozhoduje o tom, či by EMF mal mať vyššie napätie ako napájacie alebo nižšie ako napájacie napätie, a hrúbka drôtu rozhoduje o množstve prúdu, ktoré je induktor schopný poskytnúť.

Existuje ešte ďalší aspekt vyššie uvedeného induktora, ktorým je načasovanie periód zapnutia / vypnutia napätia.

To je miesto, kde sa použitie PWM stáva rozhodujúcim.

Aj keď počet závitov zásadne určuje výstupné hodnoty pre konkrétny, môžu sa tiež meniť podľa potreby napájaním optimalizovaného PWM do induktora.

Prostredníctvom premennej PWM môžeme induktor prinútiť, aby generoval / prevádzal napätia a prúdy ľubovoľnou požadovanou rýchlosťou, buď ako zosilnené napätie (znížený prúd), alebo zosilnený prúd (znížené napätie) alebo naopak.

V niektorých aplikáciách sa PWM môže použiť aj bez tlmivky, napríklad na stmievanie LED svetla alebo v časových obvodoch MCU, kde je možné optimalizovať výstup tak, aby generoval napätie pri inom zapnutí, periódy vypnutia pre riadenie záťaže podľa zamýšľané pracovné špecifikácie.




Dvojica: Jednoduchý obvod alarmu ultrazvukového zvukového senzora využívajúci operačný zosilňovač Ďalej: Jednoduchý obvod RGB LED mixéra farieb využívajúci LM317 IC