Какво е PWM - широчинна импулсна модулация

Модулацията е нелинеен електрически процес, при който параметрите на един сигнал (носител) се променят с помощта на друг сигнал (модулиращ, информационен). В комуникационните технологии честотата, амплитудата и фазовата модулация се използват широко. В силовата електроника и микропроцесорната технология широчинно-импулсната модулация е широко разпространена.

Какво е PWM (широчинна импулсна модулация)

При широчинно-импулсна модулация на оригиналния сигнал амплитудата, честотата и фазата на оригиналния сигнал остават непроменени. Продължителността (широчината) на правоъгълния импулс подлежи на промяна под действието на информационния сигнал. В английската техническа литература е съкратено като PWM - широтно-импулсна модулация.

Как работи PWM

Модулираният с ширина на импулса сигнал се формира по два начина:

• аналогов;
• дигитален.

С аналоговия метод за създаване на PWM сигнал, носител под формата на триъгълен или триъгълен сигнал се подава към инвертиращ вход за сравнение, а информация - за неинвертиране. Ако моментното ниво на носителя е по-високо от модулиращия сигнал, тогава изходът на компаратора е нула, ако е по-нисък - един. Изходът е дискретен сигнал с честота, съответстваща на честотата на носещия триъгълник или триона, и дължина на импулса, пропорционална на нивото на модулиращото напрежение.

Като пример, модулацията на ширината на импулса на триъгълен сигнал се увеличава линейно. Продължителността на изходните импулси е пропорционална на нивото на изходния сигнал.

Аналоговите PWM контролери се предлагат и под формата на готови микросхеми, вътре в които са инсталирани компаратор и верига за генериране на носител. Има входове за свързване на външни честотни елементи и подаване на информационен сигнал. От изхода се премахва сигнал, който управлява мощни външни ключове. Има и входове за обратна връзка - те са необходими за поддържане на зададените параметри на управление. Такъв например е чипът TL494. За случаите, когато мощността на консуматора е сравнително малка, се предлагат PWM контролери с вградени ключове. Вътрешният ключ на микросхемата LM2596 е проектиран за ток до 3 ампера.

Цифровият метод се извършва с помощта на специализирани микросхеми или микропроцесори. Дължината на импулса се контролира от вътрешната програма. Много микроконтролери, включително популярните PIC и AVR, имат вграден модул за хардуерно внедряване на PWM „на борда“, за да получите PWM сигнал, трябва да активирате модула и да зададете параметрите му за работа.Ако такъв модул не е наличен, тогава PWM може да бъде организиран чисто софтуерно, това не е трудно. Този метод дава повече мощност и свобода чрез гъвкаво използване на изходите, но използва повече ресурси на контролера.

Характеристики на PWM сигнала

Важните характеристики на PWM сигнала са:

• амплитуда (U);
• честота (f);
• работен цикъл (S) или работен цикъл D.

Амплитудата във волта се задава в зависимост от натоварването. Той трябва да осигурява номиналното захранващо напрежение на консуматора.

Честотата на сигнала, модулиран от ширината на импулса, се избира от следните съображения:

1. Колкото по-висока е честотата, толкова по-висока е точността на управлението.
2. Честотата не трябва да е по-ниска от времето за реакция на устройството, управлявано от ШИМ, в противен случай ще се появят забележими вълни на контролирания параметър.
3. Колкото по-висока е честотата, толкова по-високи са загубите при превключване. Това произтича от факта, че времето за превключване на ключа е крайно. В заключено състояние цялото захранващо напрежение пада върху ключовия елемент, но почти няма ток. В отворено състояние токът на пълно натоварване протича през ключа, но спадът на напрежението е малък, тъй като съпротивлението на пропускателната способност е няколко ома. И в двата случая разсейването на мощността е незначително. Преходът от едно състояние в друго става бързо, но не мигновено. В процеса на отключване-заключване върху частично отворен елемент пада голямо напрежение и в същото време през него протича значителен ток. По това време разсеяната мощност достига високи стойности. Този период е кратък, ключът няма време да се затопли значително.Но с увеличаване на честотата на такива интервали от време за единица време тя става повече и топлинните загуби се увеличават. Ето защо, за да изградите ключове, е важно да използвате бързи елементи.
4. При шофиране електрически мотор честотата трябва да бъде отстранена от зоната, която човек може да чува - 25 kHz и повече. Защото при по-ниска честота на ШИМ се получава неприятна свирка.

Тези изисквания често са в противоречие помежду си, така че изборът на честота в някои случаи е компромис.

Стойността на модулацията характеризира работния цикъл. Тъй като честотата на повторение на импулса е постоянна, продължителността на периода също е постоянна (T=1/f). Периодът се състои от импулс и пауза, с продължителност, съответно, t_имп и т_паузи, и t_имп+t_паузи=Т. Работният цикъл е съотношението на продължителността на импулса към периода - S \u003d t_имп/T. Но на практика се оказа по-удобно да се използва реципрочната стойност - коефициентът на запълване: D=1/S=T/t_имп. Още по-удобно е да изразите коефициента на запълване като процент.

Каква е разликата между PWM и SIR

В чуждестранната техническа литература няма разлика между широчинно-импулсна модулация и широчинно-импулсно регулиране (PWR). Руските специалисти се опитват да разграничат тези понятия. Всъщност ШИМ е вид модулация, тоест промени в носещия сигнал под влияние на друг, модулиращ. Носещият сигнал действа като носител на информация, а модулиращият сигнал задава тази информация. А регулирането на широчината на импулса е регулиране на режима на натоварване с помощта на ШИМ.

Причини и приложения на ШИМ

Принципът на модулация на ширината на импулса се използва в регулатори на скоростта на мощни асинхронни двигатели. В този случай регулируемият честотно модулиращ сигнал (монофазен или трифазен) се генерира от генератор на синусоида с ниска мощност и се наслагва върху носителя по аналогов начин. Изходът е PWM сигнал, който се подава към клавишите с необходимата мощност. След това можете да прехвърлите получената последователност от импулси през нискочестотен филтър, например през обикновена RC верига, и да изберете оригиналната синусоида. Или можете да направите без него - филтрирането ще се случи естествено поради инерцията на двигателя. Очевидно, колкото по-висока е носещата честота, толкова повече изходната вълна е близка до оригиналната синусоида.

Възниква естествен въпрос - защо е невъзможно незабавно да се усили сигналът на генератора, например, използвайки мощни транзистори? Тъй като регулиращ елемент, работещ в линеен режим, ще преразпредели мощността между товара и ключа. В този случай значителна мощност се губи върху ключовия елемент. Ако мощен контролен елемент работи в ключов режим (тринистор, триак, RGBT транзистор), тогава мощността се разпределя във времето. Загубите ще бъдат много по-ниски, а ефективността ще бъде много по-висока.

В цифровите технологии няма особена алтернатива на регулирането на широчината на импулса. Там амплитудата на сигнала е постоянна, напрежението и токът могат да се променят само чрез модулиране на носителя по ширината на импулса и последващо усредняване. Следователно, PWM се използва за регулиране на напрежението и тока на тези обекти, които могат да осреднят импулсния сигнал. Усредняването става по различни начини:

1. поради инерцията на натоварването.Така топлинната инерция на термоелектрическите нагреватели и лампите с нажежаема жичка позволява на регулираните обекти да не се охлаждат забележимо в паузите между импулсите.
2. Поради инерцията на възприятието. Светодиодът има време да изгасне от импулс на импулс, но човешкото око не забелязва това и го възприема като постоянно сияние с различна интензивност. Този принцип се използва за управление на яркостта на точките на LED монитори. Но незабележимо мигане с честота от няколкостотин херца все още присъства и причинява умора на очите.
3. поради механична инерция. Това свойство се използва при управлението на четкови DC двигатели. При правилно избрана честота на регулиране, двигателят няма време да се забави в мъртви паузи.

Следователно ШИМ се използва там, където средната стойност на напрежението или тока играе решаваща роля. В допълнение към споменатите често срещани случаи, методът PWM регулира средния ток в заваръчните машини и зарядните устройства за батерии и др.

Ако естественото усредняване не е възможно, в много случаи тази роля може да бъде поета от вече споменатия нискочестотен филтър (LPF) под формата на RC верига. За практически цели това е достатъчно, но трябва да се разбере, че е невъзможно да се изолира оригиналният сигнал от PWM с помощта на нискочестотен филтър без изкривяване. В крайна сметка, спектърът на ШИМ съдържа безкраен брой хармоници, които неизбежно ще попаднат в лентата на пропускане на филтъра. Затова не бива да се градят илюзии относно формата на реконструираната синусоида.

Много ефективно и ефективно PWM RGB LED управление. Това устройство има три p-n прехода - червен, син, зелен.Променяйки отделно яркостта на сиянието на всеки канал, можете да получите почти всеки цвят на светодиода (с изключение на чисто бяло). Възможностите за създаване на светлинни ефекти с ШИМ са безкрайни.

Най-често срещаното приложение на цифровия сигнал с модулирана ширина на импулса е да контролира средния ток или напрежение, протичащи през товара. Но е възможно и нестандартно използване на този тип модулация. Всичко зависи от въображението на разработчика.

Подобни статии: