Što je PWM, kako ga izmjeriti

PWM označava modulaciju širine impulsa koja označava promjenjivu prirodu širine impulsa koja se može generirati iz određenog izvora, poput diskretne IC, MCU ili tranzistoriziranog kruga.

Što je PWM

Jednostavno rečeno, PWM postupak nije ništa drugo nego UKLJUČIVANJE I ISKLJUČIVANJE opskrbnog napona pri određenoj brzini s različitim omjerima vremena uključivanja / isključivanja, ovdje duljina napona prekidača može biti veća, manja ili jednaka duljini prekidača.

Na primjer, PWM može sadržavati napon fiksiran za UKLJUČIVANJE i ISKLJUČIVANJE brzinom od 2 sekunde UKLJUČENO 1 sekundu ISKLJUČENO, 1 sekundu UKLJUČENO 2 sekunde ISKLJUČENO ili 1 sekundu UKLJUČENO, 1 sekundu ISKLJUČENO.

Kad su ove UKLJ / ISKLJ. Opskrbnog napona različito optimizirane, kažemo da je napon moduliran PWM-om ili širinom impulsa.

Svi ste sigurno već upoznati s time kako se konstantni istosmjerni potencijal pojavljuje na vremenskom grafikonu napona v / s kao što je prikazano dolje:

Na gornjoj slici možemo vidjeti ravnu crtu na razini od 9 V, to je postignuto jer se razina od 9 V ne mijenja s obzirom na vrijeme i stoga smo u mogućnosti svjedočiti ravnoj crti.

Ako se ovaj 9V uključi i isključi nakon svake 1 sekunde, gornji graf će izgledati ovako:

Jasno možemo vidjeti da 9V linija više nije ratar u obliku blokova nakon svake 1 sekunde, budući da se 9V uključuje i isključuje naizmjenično nakon svake sekunde.

Gore navedeni tragovi izgledaju kao blokovi pravokutnika, jer kada se 9V uključi i isključi, operacije su trenutne, što odjednom čini da 9V pređe na nultu razinu, a zatim iznenada na razinu od 9V, čime nastaju pravokutni oblici na grafikonu.

Gornji uvjet dovodi do pulsirajućeg napona koji ima dva parametra koja treba izmjeriti, a to su: vršni napon i prosječni napon ili efektivni napon.

Vršni i prosječni napon

Na prvoj slici vršni napon je očito 9V, a prosječni napon je također 9V jednostavno zato što je napon konstantan bez ikakvih prekida.

Međutim, na drugoj slici, iako se napon UKLJUČUJE / ISKLJUČUJE brzinom od 1 Hz (1 sekunda UKLJUČENO, 1 sekunda ISKLJUČENO), vrh će i dalje biti jednak 9 V, jer maksimum uvijek doseže oznaku 9 V tijekom razdoblja UKLJUČIVANJA. Ali ovdje prosječni napon nije 9 V, već 4,5 V, jer se stvaranje i prekid napona vrši po stopi od 50%.

U raspravama o PWM-u ta se stopa UKLJ / UKLJUČIVANJA naziva radni ciklus PWM-a, stoga je u gore navedenom slučaju radni ciklus 50%.

Kada mjerite PWM digitalnim multimetrom na istosmjernom rasponu, uvijek ćete dobiti očitanje prosječne vrijednosti na mjeraču.

Novi se hobisti često zbune s ovim čitanjem i shvate ga kao najvišu vrijednost, što je potpuno pogrešno.

Kao što je gore objašnjeno, vršna vrijednost PWM-a bit će uglavnom jednaka opskrbnom naponu dovedenom u krug, dok će prosječna volatura na mjeraču biti prosjek ON / OFF razdoblja PWM-a.

Prebacivanje Mosfet-a s PWM-om

Dakle, ako prebacujete MOSFET s PWM-om i utvrdite da je napon na vratima, recimo 3 V, nemojte paničariti jer bi to mogao biti samo prosječni napon koji pokazuje mjerač, vršni napon mogao bi biti visok kao napajanje vašeg kruga napon.

Stoga bi se moglo očekivati ​​da će mosfet provoditi dobro i potpuno kroz ove vršne vrijednosti, a prosječni napon utjecao bi samo na njegovo razdoblje provođenja, a ne na preklopne specifikacije uređaja.

Kao što smo raspravljali u prethodnim odjeljcima, PWM u osnovi uključuje promjenu širine impulsa, drugim riječima ON i OFF razdoblja istosmjerne struje.

Recimo, na primjer, želite PWM izlaz s vremenom UKLJUČENJA koji je 50% manji od vremena UKLJ.

Pretpostavimo da je odabrano vrijeme uključivanja 1/2 sekunde, tada bi vrijeme isključenja bilo jednako 1 sekundi, što bi dovelo do radnog ciklusa od 1/2 sekunde UKLJUČENJA i 1 sekunde ISKLJUČENJA, kao što se može vidjeti na sljedećem dijagramu .

Analizirajući radni ciklus PWM-a

U ovom primjeru PWM-ovi su optimizirani da proizvode vršni napon od 9V, ali prosječni napon od 3,15V, budući da je vrijeme UKLJUČIVANJA samo 35% jednog cjelovitog ciklusa UKLJ.

Jedan cjeloviti ciklus odnosi se na vremensko razdoblje koje omogućuje danom impulsu da završi jedno puno vrijeme uključivanja i jedno vrijeme isključenja.

Slično tome, netko može namjeravati optimizirati širinu impulsa frekvencije sa sljedećim podacima:

Ovdje se može vidjeti vrijeme uključenja povećano od vremena ISKLJUČENJA za 65% tijekom jednog punog ciklusa, pa ovdje prosječna vrijednost napona postaje 5,85 V.

Gore spomenuti prosječni napon naziva se i RMS ili srednja kvadratna vrijednost napona.

Budući da su to svi pravokutni ili kvadratni impulsi, RMS se može izračunati jednostavnim množenjem postotka radnog ciklusa s vršnim naponom.

Optimizacija PWM-a za simulaciju sinusnog vala

Međutim, u slučajevima kada je PWM optimiziran za simulaciju AC impulsa, izračun za RMS postaje malo složen.

Uzmimo primjer sljedećeg PWM-a koji je optimiziran za promjenu njegove širine koja odgovara promjenljivoj amplitudi ili razini sinusoidnog AC signala.

O tome možete saznati više iz jednog od mojih prethodnih članaka u kojem sam objasnio kako se IC 555 može koristiti generiranje izlaza PWM ekvivalenta sinusnog vala .

Kao što vidimo na gornjoj slici, širina impulsa se mijenja s obzirom na trenutnu razinu sinusnog vala. Kako sinusni val nastoji doseći vrhunac, odgovarajuća širina impulsa postaje šira i obrnuto.

Korištenje SPWM-a

To ukazuje na to da se zbog toga što se razina napona sinusnog vala stalno mijenja s vremenom, PWM također mijenjaju s vremenom neprestano mijenjajući njegove širine. Takav se PWM također naziva SPWM ili modulacija širine impulsa sinusnog vala.

Stoga u gore navedenom slučaju impulsi nikada nisu konstantni, već mijenjaju širinu s vremenom.

To čini njegov RMS ili izračun prosječne vrijednosti malo složenim i ovdje ne možemo jednostavno pomnožiti radni ciklus s vršnim naponom za postizanje RMS.

Iako je stvarna formula za izvođenje RMS izraza prilično složena, nakon odgovarajućih izvoda konačna implementacija zapravo postaje prilično jednostavna.

Izračunavanje efektivnog napona PWM-a

Tako se za izračunavanje efektivnog efektivnog vrijednosti promjenljivog PWM napona kao odgovora na sinusni val može dobiti množenjem 0,7 (konstante) s vršnim naponom.

Dakle, za vrh od 9V dobivamo 9 x 0,7 = 6,3V, to je efektivni napon ili prosječna vrijednost vrha od 9V do vrha PWM koji simulira sinusni val.

Uloga PWM-a u elektroničkim krugovima?

Otkrit ćete da je koncept PWM u osnovi povezan sa
izvedbe krugova s ​​induktorima koji su posebno uključeni topologije pojačanja, poput pretvarača, SMPS , MPPT, upravljački krugovi LED itd.

Bez prigušnice, PWM značajka možda nema stvarnu vrijednost ili ulogu u određenom krugu, to je zato što samo prigušnica ima svojstvenu značajku pretvaranja različite širine impulsa u ekvivalentnu količinu pojačanog (pojačanog) ili odstupljenog (uspravnog) napon ili struja, što postaje cjelovita i jedina ideja PWM tehnologije.

Korištenje PWM-a s induktorima

Da bismo razumjeli kako PWM utječe na izlaz induktora u smislu napona i struje, prvo bi bilo važno naučiti kako se induktor ponaša u utjecaju pulsirajućeg napona.

U jednom od svojih prethodnih postova objasnio sam u vezi kako radi buck boost krug , ovo je klasični primjer koji pokazuje kako se PWM-ovi ili promjenjiva širina impulsa mogu koristiti za dimenzioniranje izlaza induktora.

Dobro je poznato da se po svojoj prirodi induktor uvijek suprotstavlja naglom pojavu napona na njemu i dopušta mu da prođe tek nakon određenog vremena, ovisno o njegovim specifikacijama namota, a tijekom tog postupka u sebi pohranjuje ekvivalentnu količinu energije u to.

Ako se tijekom gore navedenog postupka napon naglo ISKLJUČI, induktor se opet ne može nositi s tim iznenadnim nestankom primijenjenog napona i pokušava ga uravnotežiti puštanjem pohranjene struje u njemu.

Reakcija induktora na PWM

Tako će se induktor pokušati suprotstaviti uključivanju napona pohranjivanjem struje i pokušati izjednačiti kao odgovor na naglo ISKLJUČENJE napona 'udaranjem' uskladištene energije natrag u sustav.

Taj povratni udarac naziva se stražnji EMF induktora, a sadržaj te energije (napon, struja) ovisit će o specifikacijama namota induktora.

U osnovi broj zavoja odlučuje hoće li EMF biti veći u naponu od napona napajanja ili niži od napona napajanja, a debljina žice odlučuje o količini struje koju induktor može dati.

Postoji još jedan aspekt t gornje prigušnice, a to je vrijeme razdoblja uključivanja / isključivanja napona.

Tu upotreba PWM-a postaje presudna.

Iako broj zavoja u osnovi određuje izlazne vrijednosti za pojedinu, one također mogu varirati po želji dodavanjem optimiziranog PWM-a u induktor.

Putem varijabilnog PWM-a možemo prisiliti induktor da generira / pretvori napone i struje bilo kojom željenom brzinom, bilo kao pojačani napon (smanjena struja), ili pojačanu struju (smanjeni napon) ili obrnuto.

U nekim se primjenama PWM može koristiti i bez prigušnice, kao što je prigušivanje LED svjetla ili u krugovima MCU timera, gdje se izlaz može optimizirati za generiranje napona kod različitih prekidača UKLJUČENO, isključiti razdoblja za kontrolu opterećenja prema njegove predviđene radne specifikacije.