Upotreba PWM-a kao tehnika prebacivanja
Modulacija širine impulsa (PWM) često je korištena tehnika za općenito upravljanje istosmjernom strujom električnog uređaja, a praktična je zahvaljujući modernim elektroničkim prekidačima napajanja. Međutim, svoje mjesto pronalazi i u AC sjeckalicama. Prosječna vrijednost struje koja se dovodi u teret kontrolira se položajem prekidača i trajanjem njegovog stanja. Ako je razdoblje uključivanja sklopke duže u odnosu na razdoblje isključenja, opterećenje dobiva razmjerno veću snagu. Stoga frekvencija prebacivanja PWM-a mora biti brža.
Uobičajeno se prebacivanje nekoliko puta u minuti u električnom štednjaku, 120 Hz u prigušivaču žarulje, s nekoliko kiloherca (kHz) na desetke kHz za motorni pogon. Uklopna frekvencija za audio pojačala i napajanja računala je oko deset do stotina kHz. Odnos vremena uključivanja i vremenskog razdoblja impulsa poznat je pod nazivom radni ciklus. Ako je radni ciklus nizak, to podrazumijeva malu snagu.
Gubitak snage u sklopnom uređaju vrlo je nizak, zbog gotovo neznatne količine struje koja teče u isključenom stanju uređaja i zanemarive količine pada napona u isključenom stanju. Digitalne kontrole također koriste PWM tehniku. PWM se također koristi u određenim komunikacijskim sustavima gdje se njegov radni ciklus koristi za prijenos informacija preko komunikacijskog kanala.
PWM se može koristiti za podešavanje ukupne količine snage koja se isporučuje na teret bez gubitaka koji nastaju kada je prijenos snage ograničen otpornim sredstvima. Nedostaci su pulsiranja definirana radnim ciklusom, frekvencijom prebacivanja i svojstvima tereta. Uz dovoljno visoku frekvenciju prebacivanja i, po potrebi, pomoću dodatnih pasivnih elektroničkih filtara, impulsni sklop može se izravnati i oporaviti prosječni analogni valni oblik. Visokofrekventni PWM upravljački sustavi mogu se jednostavno implementirati pomoću poluvodičkih prekidača.
Kao što je gore već rečeno, prekidač ne odvodi gotovo nikakvu snagu u stanju uključivanja ili isključivanja. Međutim, tijekom prijelaza između stanja uključivanja i isključivanja i napon i struja nisu nula i time se u sklopkama rasipa znatna snaga. Srećom, promjena stanja između potpuno uključenog i potpuno isključenog prilično je brza (obično manje od 100 nanosekundi) u odnosu na tipična vremena uključivanja i isključivanja, pa je prosječna disipacija snage prilično niska u usporedbi s napajanjem koja se isporučuje čak i kada su visoke frekvencije prebacivanja su korišteni.
Upotreba PWM-a za isporuku istosmjerne energije za opterećenje
Većina industrijskog procesa zahtijeva da se izvodi na određenim parametrima kada je riječ o brzini pogona. Električni pogonski sustavi koji se koriste u mnogim industrijskim primjenama zahtijevaju veće performanse, pouzdanost i promjenjivu brzinu zbog jednostavnosti upravljanja. The kontrola brzine istosmjernog motora je važan u primjenama gdje su preciznost i zaštita najvažniji. Svrha regulatora brzine motora je uzeti signal koji predstavlja potrebnu brzinu i pokretati motor tom brzinom.
Modulacija širine impulsa (PWM), kako se odnosi na upravljanje motorom, način je isporuke energije kroz niz impulsa, a ne kontinuirano varirajući (analogni) signal. Povećavanjem ili smanjenjem širine impulsa, regulator regulira protok energije do osovine motora. Vlastiti induktivitet motora djeluje poput filtra, čuvajući energiju tijekom ciklusa 'ON', dok je otpušta brzinom koja odgovara ulaznom ili referentnom signalu. Drugim riječima, energija se u teret ulijeva ne toliko preklopnom frekvencijom, već referentnom frekvencijom.
Krug se koristi za kontrolu brzine Istosmjerni motor uporabom PWM tehnike. Serijski kontroler istosmjerne brzine s promjenjivom brzinom 12V koristi 555 IC tajmera kao PWM impulsni generator za regulaciju brzine motora DC12 Volt. IC 555 je popularni timer čip koji se koristi za izradu krugova s timerima. Uvela ga je 1972. tvrtka Signetics. Nazvan je 555 jer su unutra tri otpora od 5 K. IC se sastoji od dvije usporedbe, otporničkog lanca, flip flopa i izlaznog stupnja. Djeluje u 3 osnovna načina rada - podesivi, monostabilni (gdje djeluje s jednim pulsnim generatorom i bistabilni način rada. Odnosno, kada se aktivira, izlaz se povećava tijekom razdoblja na temelju vrijednosti vremenskog otpornika i kondenzatora. U Atable mode (AMV), IC radi kao multivibrator koji radi slobodno. Izlaz se kontinuirano okreće visoko i nisko dajući pulsirajući izlaz kao oscilator. U bistabilnom načinu rada poznatom i kao Schmittov okidač, IC djeluje kao flip-flop s visokim ili nizak izlaz na svakom okidaču i resetiranje.
U ovom se krugu koristi IRF540 MOSFET. Ovo je MOSFET za poboljšanje N-kanala. To je napredni MOSFET snage koji je dizajniran, testiran i zajamčeno podnosi određenu razinu energije u načinu rada kvarne lavine. Ovi MOSFET-ovi snage dizajnirani su za primjene kao što su preklopni regulatori, sklopni pretvarači, pokretači motora, pokretači releja i pogonski sklopovi za bipolarne preklopne tranzistore velike snage kojima je potrebna velika brzina i mala pogonska snaga. Ovim se tipovima može upravljati izravno iz integriranih krugova. Radni napon ovog kruga može se prilagoditi prema potrebama pogonskog istosmjernog motora. Ovaj krug može raditi od 5-18VDC.
Iznad kruga tj. Upravljanje brzinom istosmjernog motora pomoću PWM-a tehnika mijenja radni ciklus koji zauzvrat kontrolira brzinu motora. IC 555 spojen je u stabilnom načinu rada vibro vibratora koji radi slobodno. Krug se sastoji od rasporeda potenciometra i dvije diode koji se koristi za promjenu radnog ciklusa i održavanje frekvencije konstantnom. Kako se otpor promjenjivog otpora ili potenciometra mijenja, radni ciklus impulsa primijenjenih na MOSFET varira, a u skladu s tim varira istosmjerna snaga motora i tako se njegova brzina povećava s povećanjem radnog ciklusa.
Upotreba PWM-a za isporuku izmjenične struje za opterećenje
Moderni poluvodički prekidači poput MOSFET-a ili bipolarnih tranzistora s izoliranim vratima (IGBT) sasvim su idealne komponente. Tako se mogu graditi kontroleri visoke učinkovitosti. Uobičajeno pretvarači frekvencije koji se koriste za upravljanje izmjeničnim motorima imaju učinkovitost bolju od 98%. Preklopna napajanja imaju manju učinkovitost zbog niske razine izlaznog napona (često je potrebno čak i manje od 2 V za mikroprocesore), ali još uvijek se može postići učinkovitost veća od 70-80%.
Ova vrsta kontrole za izmjeničnu struju poznata je po metodi odgođenog kuta paljenja. Jeftiniji je i stvara puno električne buke i harmonika u usporedbi sa stvarnom PWM regulacijom koja stvara zanemarivu buku.
U mnogim primjenama, poput industrijskog grijanja, upravljanja rasvjetom, indukcijskih motora s mekim pokretanjem i regulatora broja okretaja za ventilatore i pumpe, potreban je promjenjivi napon izmjeničnog napona iz fiksnog izvora izmjenične struje. Regulacija faznog kuta regulatora široko se koristi za ove zahtjeve. Nudi neke prednosti poput jednostavnosti i mogućnosti ekonomskog upravljanja velikom količinom energije. Međutim, odgođeni kut pucanja uzrokuje diskontinuitet i obilne harmonike u struji opterećenja, a faktor zaostajanja snage javlja se na AC strani kada se kut pucanja poveća.
Ti se problemi mogu popraviti korištenjem PWM sjeckalice. Ovaj PWM izmjenjivač naizmjenične struje nudi nekoliko prednosti poput sinusne ulazne struje s faktorom snage približno jedinice. Međutim, kako bi se smanjila veličina filtra i poboljšala kvaliteta izlaznog regulatora, frekvenciju prebacivanja treba povećati. To uzrokuje velike prekidačke gubitke. Drugi je problem komutacija između preklopne sklopke S1 s slobodnim prekidačem S2. Uzrok strujnom skoku je ako su obje sklopke uključene istodobno (kratki spoj), a naponski skok ako su obje sklopke isključene (nema slobodnog puta). Da bi se izbjegli ovi problemi, korišteni su RC snuberi. Međutim, to povećava gubitak snage u krugu i teško je, skupo, glomazno i neučinkovito za aplikacije velike snage. Predložen je izmjenjivač izmjeničnog napona s nultostrujnim prebacivanjem napona (ZCS-ZVS). Njegov regulator izlaznog napona mora varirati vrijeme isključivanja kontrolirano PWM signalom. Stoga je potrebno koristiti frekvencijsku kontrolu kako bi se postiglo meko prebacivanje, a opći upravljački sustavi koriste PWM tehnike koje daju vrijeme uključivanja. Ova tehnika ima prednosti kao što je jednostavno upravljanje s sigma-delta modulacijom i nastavlja ulaznu struju. Značajke predložene konfiguracije sklopa i PWM sjeckani uzorci predstavljeni su u nastavku.
