Uporaba PWM kot preklopne tehnike
Modulacija širine impulza (PWM) je pogosto uporabljena tehnika za splošno krmiljenje enosmernega toka na električno napravo, ki jo uvajajo sodobna elektronska stikala. Vendar pa svoje mesto najde tudi v AC helikopterjih. Povprečno vrednost toka, ki se dovaja v breme, nadzira položaj stikala in trajanje njegovega stanja. Če je obdobje vklopa stikala daljše od obdobja izklopa, dobi obremenitev sorazmerno večjo moč. Tako mora biti frekvenca preklopa PWM hitrejša.
Običajno je treba v električnem štedilniku preklapljati večkrat na minuto, 120 Hz v zatemnilniku žarnice, z nekaj kilohercev (kHz) na deset kHz za motorni pogon. Preklopna frekvenca za avdio ojačevalnike in računalniške napajalnike je približno deset do sto kHz. Razmerje med časom vklopa in časovnim obdobjem impulza je znano kot delovni cikel. Če je delovni cikel majhen, to pomeni nizko moč.
Izguba moči v stikalni napravi je zelo majhna zaradi skoraj zanemarljive količine toka, ki teče v izklopljenem stanju naprave, in zanemarljive količine padca napetosti v izklopljenem stanju. Digitalni nadzor uporablja tudi tehniko PWM. PWM se uporablja tudi v nekaterih komunikacijskih sistemih, kjer je bil njegov delovni cikel uporabljen za prenos informacij prek komunikacijskega kanala.
PWM se lahko uporablja za prilagoditev celotne količine moči, ki se odda tovoru, brez običajnih izgub, kadar je prenos moči omejen z uporovnimi sredstvi. Pomanjkljivosti so pulzacije, opredeljene z delovnim ciklom, preklopno frekvenco in lastnostmi obremenitve. Z dovolj visoko frekvenco preklapljanja in po potrebi z uporabo dodatnih pasivnih elektronskih filtrov lahko impulzni tok izravnamo in obnovimo povprečno analogno valovno obliko. Visokofrekvenčni PWM nadzorni sistem je mogoče enostavno implementirati s polprevodniškimi stikali.
Kot je bilo že omenjeno zgoraj, stikalo v stanju vklopa ali izklopa ne odvaja skoraj nobene moči. Vendar pa med prehodi med vklopljenim in izklopljenim stanjem napetost in tok nista enaka nič, zato se v stikalih razprši precejšnja moč. Na srečo je sprememba stanja med popolnim vklopom in popolnim izklopom precej hitra (običajno manj kot 100 nanosekund) glede na tipične čase vklopa ali izklopa, zato je povprečna disipacija moči v primerjavi z močjo, ki se oddaja, tudi pri visokih preklopnih frekvencah precej nizka so uporabljeni.
Uporaba PWM za oddajanje enosmerne energije za obremenitev
Večino industrijskega procesa je treba izvajati na določenih parametrih, kar zadeva hitrost pogona. Električni pogonski sistemi, ki se uporabljajo v mnogih industrijskih aplikacijah, zahtevajo večjo zmogljivost, zanesljivost in spremenljivo hitrost zaradi enostavnosti vodljivosti. The nadzor hitrosti enosmernega motorja je pomembna v aplikacijah, kjer sta natančnost in zaščita bistveni. Namen regulatorja hitrosti motorja je sprejeti signal, ki predstavlja zahtevano hitrost, in poganjati motor s to hitrostjo.
Širinsko-pulzna modulacija (PWM), kot velja za krmiljenje motorja, je način dovajanja energije skozi zaporedje impulzov in ne nenehno spreminjajoč se (analogni) signal. S povečevanjem ali zmanjševanjem širine impulza krmilnik uravnava pretok energije na gred motorja. Induktivnost motorja deluje kot filter, ki med ciklom 'ON' shranjuje energijo in jo sprošča s hitrostjo, ki ustreza vhodnemu ali referenčnemu signalu. Z drugimi besedami, energija se v obremenitev pretaka ne toliko s preklopno frekvenco, temveč z referenčno frekvenco.
Vezje se uporablja za nadzor hitrosti Enosmerni motor z uporabo PWM tehnike. Krmilnik DC enosmernega motorja s spremenljivo hitrostjo 12V uporablja 555 IC časovnika kot impulzni generator PWM za uravnavanje hitrosti motorja DC12 Volt. IC 555 je priljubljeni timer chip, ki se uporablja za izdelavo časovnih vezij. Leta 1972 ga je predstavil Signetics. Imenuje se 555, ker so v njem trije 5 K upori. IC je sestavljen iz dveh primerjalnikov, uporovne verige, flip flopa in izhodne stopnje. Deluje v 3 osnovnih načinih - Astable, Monostable (kjer deluje z enim impulznim generatorjem in Bistable mode. Se pravi, ko se sproži, gre izhod za določeno obdobje na podlagi vrednosti časovnega upora in kondenzatorja. V nastavljivem načinu (AMV) IC deluje kot prosto delujoči multivibrator. Izhod se neprekinjeno obrača visoko in nizko, da daje utripajoč izhod kot oscilator. V bistabilnem načinu, znanem tudi kot Schmittov sprožilec, IC deluje kot flip-flop z visoko ali nizka moč na vsakem sprožilcu in ponastavitev.
V tem vezju se uporablja IRF540 MOSFET. To je MOSFET za izboljšanje N-kanala. Je napredni močnostni MOSFET, zasnovan, preizkušen in zajamčen, da zdrži določeno raven energije v načinu obratovanja plazov. Ta močnostni MOSFET je zasnovan za aplikacije, kot so preklopni regulatorji, preklopni pretvorniki, gonilniki motorjev, relejski gonilniki in gonilniki za močne bipolarne preklopne tranzistorje, ki zahtevajo visokohitrostne in nizko pogonske moči vrat. Te vrste lahko upravljate neposredno iz integriranih vezij. Delovno napetost tega vezja je mogoče prilagoditi glede na potrebe gnanega enosmernega motorja. To vezje lahko deluje od 5-18VDC.
Nad vezjem t.j. Krmiljenje hitrosti enosmernega motorja s PWM tehnika spreminja delovni cikel, ki nato nadzira hitrost motorja. IC 555 je priključen v nestabilnem načinu prosti tek multi vibrator. Vezje je sestavljeno iz razporeditve potenciometra in dveh diod, ki se uporablja za spreminjanje delovnega cikla in vzdrževanje frekvence konstantne. Ko se upor spremenljivega upora ali potenciometra spreminja, se delovni cikel impulzov, ki se nanašajo na MOSFET, spreminja in s tem se spreminja enosmerna moč motorja in s tem njegova hitrost narašča s povečanjem delovnega cikla.
Uporaba PWM za oddajanje izmeničnega napajanja
Sodobna polprevodniška stikala, kot so MOSFET ali bipolarni tranzistorji z izoliranimi vrati (IGBT), so povsem idealne komponente. Tako je mogoče zgraditi visoko učinkovite krmilnike. Običajno imajo frekvenčni pretvorniki, ki se uporabljajo za krmiljenje izmeničnih motorjev, učinkovitost boljšo od 98%. Preklopni napajalniki imajo nižjo učinkovitost zaradi nizke ravni izhodne napetosti (za mikroprocesorje so pogosto potrebni tudi manj kot 2 V), vendar je vseeno mogoče doseči več kot 70-80% učinkovitosti.
Ta vrsta krmiljenja izmeničnega toka je metoda, poznana z odloženim kotom streljanja. Je cenejši in ustvarja veliko električnega šuma in harmonikov v primerjavi z resničnim PWM krmiljenjem, ki razvije zanemarljiv hrup.
V mnogih aplikacijah, kot so industrijsko ogrevanje, nadzor razsvetljave, indukcijski motorji z mehkim zagonom in regulatorji hitrosti za ventilatorje in črpalke, je potrebna spremenljiva izmenična napetost iz fiksnega vira izmeničnega toka. Za te zahteve se pogosto uporablja regulator faznega kota regulatorjev. Ponuja nekatere prednosti, kot sta preprostost in sposobnost ekonomičnega nadzora velike količine energije. Vendar zapozneli kot streljanja povzroči diskontinuiteto in obilne harmonike v obremenitvenem toku, pri povečanju kota streljanja pa se na strani izmeničnega toka pojavi faktor zaostajanja moči.
Te težave je mogoče izboljšati z uporabo sekalnika PWM AC. Ta PWM AC sekalnik ponuja številne prednosti, kot je sinusoidni vhodni tok s faktorjem moči skoraj enotnosti. Za zmanjšanje velikosti filtra in izboljšanje kakovosti izhodnega regulatorja pa je treba povečati frekvenco preklopa. To povzroči visoko preklopno izgubo. Druga težava je komutacija med preklopnim stikalom S1 s prosti tek stikala S2. Tokovni vzpon povzroči, če sta obe stikali vklopljeni hkrati (kratek stik), in napetostni skok, če sta obe stikali izklopljeni (brez prostega teka). Da bi se izognili tem težavam, so uporabili RC snubber. Vendar to poveča izgubo moči v vezju in je težko, drago, zajetno in neučinkovito za visoko zmogljive aplikacije. Predlagan je izmenični sekalnik z ničelnim preklopom napetosti (ZCS-ZVS). Njegov regulator izhodne napetosti mora spreminjati čas izklopa, ki ga nadzoruje signal PWM. Tako je za uporabo mehkega preklopa treba uporabiti regulacijo frekvence, splošni nadzorni sistemi pa uporabljajo tehnike PWM, ki zagotavljajo čas vklopa. Ta tehnika ima prednosti, kot je preprosto upravljanje s sigma-delta modulacijo in nadaljevanje vhodnega toka. Spodaj so predstavljene značilnosti predlagane konfiguracije vezja in sesekljani vzorci PWM.
