Kaj je PWM, kako ga izmeriti

PWM pomeni modulacijo širine impulza, kar pomeni spremenljivo naravo širine impulza, ki se lahko generira iz določenega vira, kot je diskretna IC, MCU ali tranzistorizirano vezje.

Kaj je PWM

Preprosto povedano, postopek PWM ni nič drugega kot vklop in izklop napajalne napetosti z določeno hitrostjo z različnimi časovnimi razmerji VKLOP / IZKLOP, tu je lahko dolžina vklopa VKLOP napetosti večja, manjša ali enaka dolžini IZKLOPA.

Na primer, PWM lahko vsebuje napetost, nastavljeno za vklop in izklop s hitrostjo 2 sekunde ON 1 sekundo OFF, 1 sekundo ON 2 sekundi OFF ali 1 sekundo ON, 1 sekundo OFF.

Če je ta stopnja vklopa / izklopa napajalne napetosti različno optimizirana, rečemo, da je napetost modulirana s PWM ali impulzno širino.

Vsi že morate biti seznanjeni s tem, kako se konstantni enosmerni potencial prikaže na časovnem grafu napetosti v / s, kot je prikazano spodaj:

Na zgornji sliki lahko vidimo ravno črto na ravni 9V, to je doseženo, ker se raven 9V ne spreminja glede na čas, zato smo lahko priča ravni črti.

Če je ta 9V vklopljen in izklopljen po vsaki 1 sekundi, bi zgornji graf izgledal takole:

Jasno lahko vidimo, da 9V linija po vsaki 1 sekundi ni več ocenjevalnik ravne črte v obliki blokov, saj se 9V izmenično vklopi in izklopi po vsaki sekundi.

Zgornje sledi so videti kot pravokotni bloki, ker ko je 9V vklopljen in izklopljen, so operacije takojšnje, zaradi česar se 9V nenadoma premakne na ničelno raven in nato nenadoma na 9V raven, s čimer se oblikujejo pravokotne oblike na grafu.

Zgornji pogoj povzroča utripajočo napetost, ki ima dva merljiva parametra, in sicer: najvišjo napetost in povprečno napetost ali efektivno napetost.

Najvišja in povprečna napetost

Na prvi sliki je najvišja napetost očitno 9V, povprečna napetost pa je tudi 9V preprosto zato, ker je napetost konstantna brez prekinitev.

Na drugi sliki pa bo, čeprav je napetost vklopljena / izklopljena s hitrostjo 1 Hz (1 sekunda vklopljena, 1 sekunda izklopljena), vrh še vedno enak 9V, ker vrh v obdobjih vklopa vedno doseže oznako 9V. Toda povprečna napetost tukaj ni 9V, temveč 4,5V, ker se prekinitev in prekinitev napetosti izvedeta s 50-odstotno stopnjo.

V razpravah o PWM se ta stopnja vklopa / izklopa imenuje delovni cikel PWM, zato je v zgornjem primeru 50-odstotni delovni cikel.

Ko merite PWM z digitalnim multimetrom na enosmernem območju, boste vedno dobili povprečno vrednost na merilniku.

Novi ljubitelji se pogosto begajo s tem branjem in ga jemljejo kot najvišjo vrednost, kar je povsem napačno.

Kot je razloženo zgoraj, bo največja vrednost PWM večinoma enaka napajalni napetosti, dovedeni v vezje, medtem ko bo povprečna napetost merilnika povprečje obdobij vklopa / izklopa PWM.

Preklop Mosfet-a s PWM

Torej, če preklapljate mosfet s PWM in ugotovite, da je napetost na vratih, recimo 3 V, ne paničite, ker je to lahko le povprečna napetost, ki jo prikazuje merilnik, lahko najvišja napetost doseže vrednost oskrbe vašega vezja Napetost.

Zato bi lahko pričakovali, da bo mosfet dobro in v celoti vodil te vršne vrednosti, povprečna napetost pa bo vplivala le na njegovo obdobje prevodnosti, ne pa tudi na preklopne lastnosti naprave.

Kot smo razpravljali v prejšnjih odsekih, PWM v osnovi vključuje spreminjanje širine impulzov, z drugimi besedami, obdobja vklopa in izklopa enosmernega toka.

Recimo na primer, da želite izhod PWM s časom vklopa, ki je 50% manjši od časa vklopa.

Predpostavimo, da je izbrani čas vklopa 1/2 sekunde, potem bi bil čas izklopa enak 1 sekundi, kar bi povzročilo delovni cikel 1/2 sekunde vklopa in 1 sekundo izklopa, kot je razvidno iz naslednjega diagrama .

Analiza delovnega cikla PWM

V tem primeru so PWM optimizirani tako, da proizvajajo najvišjo napetost 9 V, vendar povprečno napetost 3,15 V, saj je čas vklopa le 35% enega celotnega celotnega cikla VKLOP / IZKLOP.

En celoten cikel se nanaša na časovno obdobje, ki omogoča danemu impulzu, da zaključi svoj polni čas vklopa in en čas izklopa.

Podobno lahko nameravamo optimizirati impulzno širino frekvence z naslednjimi podatki:

Tu lahko opazimo, da se čas vklopa v enem celotnem ciklu poveča za 65% kot čas izklopa, zato tukaj povprečna vrednost napetosti postane 5,85 V.

Zgornja obravnavana povprečna napetost se imenuje tudi RMS ali srednja kvadratna vrednost napetosti.

Ker so to vsi pravokotni ali kvadratni impulzi, lahko efektivno vrednost izračunamo tako, da odstotek delovnega cikla pomnožimo z najvišjo napetostjo.

Optimizacija PWM za simulacijo sinusnega vala

V primerih, ko je PWM optimiziran za simulacijo izmeničnega impulza, izračun RMS postane nekoliko zapleten.

Vzemimo primer naslednjega PWM, ki je optimiziran tako, da spreminja svojo širino, ki ustreza različni amplitudi ali ravni sinusoidnega AC signala.

Več o tem lahko izveste v enem od mojih prejšnjih člankov, kjer sem razložil, kako je mogoče uporabiti IC 555 generiranje izhoda PWM, enakovrednega sinusnemu valovanju .

Kot lahko vidimo na zgornji sliki, se širina impulzov spreminja glede na trenutno raven sinusnega vala. Ko sinusni val ponavadi doseže vrh, se ustrezna širina impulza širi in obratno.

Uporaba SPWM

To kaže na to, da se, ker se raven napetosti sinusnega vala s časom nenehno spreminja, spreminjajo s časom tudi PWM z nenehnim spreminjanjem njegovih širin. Takšen PWM se imenuje tudi SPWM ali modulacija širine impulza s sinovskim valom.

Tako v zgornjem primeru impulzi niso nikoli konstantni, temveč s časom spreminjajo širino.

Zaradi tega je njegov RMS ali izračun povprečne vrednosti nekoliko zapleten in za doseganje RMS tukaj ne moremo preprosto pomnožiti delovnega cikla z najvišjo napetostjo.

Čeprav je dejanska formula za izpeljavo izraza RMS precej zapletena, je po ustreznih izpeljavah končna izvedba dejansko precej enostavna.

Izračun efektivne napetosti PWM

Tako lahko za izračun efektivne efektivne vrednosti spremenljive napetosti PWM kot odziv na sinusni val pomnožimo 0,7 (konstanto) z najvišjo napetostjo.

Torej za vrh 9V dobimo 9 x 0,7 = 6,3V, to je efektivna napetost ali povprečna vrednost vrha 9V do vrha PWM, ki simulira sinusni val.

Vloga PWM v elektronskih vezjih?

Ugotovili boste, da je koncept PWM v bistvu povezan z
zasnove vezij, ki vključujejo induktorje, zlasti topologije pospeševalnega toka, kot so pretvorniki, SMPS , MPPT, vezja gonilnikov LED itd.

Brez induktorja funkcija PWM morda ne bi imela dejanske vrednosti ali vloge v določenem vezju, ker je samo induktorju značilna lastnost pretvorbe spremenljive širine impulza v enakovredno količino stopnjevanja (povečane) ali stopnjevanja navzdol napetost ali tok, kar postane celotna in edina ideja tehnologije PWM.

Uporaba PWM z induktorji

Da bi razumeli, kako PWM vpliva na izhod induktorja glede na napetost in tok, bi bilo najprej pomembno izvedeti, kako se induktor vede v vplivu pulzirajoče napetosti.

V enem od svojih prejšnjih prispevkov sem razložil glede kako deluje vezje za povečanje dolarjev , to je klasičen primer, ki prikazuje, kako lahko PWM-je ali spremenljivo širino impulza uporabimo za dimenzioniranje izhodne moči induktorja.

Dobro je znano, da induktor po svoji naravi vedno nasprotuje nenadni uporabi napetosti na njem in mu dovoli, da preide šele po določenem času, odvisno od njegovih specifikacij navijanja, in med tem postopkom shrani enakovredno količino energije v to.

Če se med zgornjim postopkom napetost nenadoma IZKLOPI, se induktor spet ne more spopasti s tem nenadnim izginotjem uporabljene napetosti in jo poskuša uravnotežiti tako, da sprosti shranjeni tok v njej.

Reakcija induktorja na PWM

Tako bo induktor poskušal nasprotovati vklopu napetosti s shranjevanjem toka in poskušal izenačiti kot odziv na nenadno izklop napetosti tako, da bo 'shranjeno energijo' brcnil nazaj v sistem.

Ta povratni udarec se imenuje zadnji EMF induktorja in vsebnost te energije (napetost, tok) bo odvisna od specifikacij navitja induktorja.

Število obratov v bistvu odloča, ali naj bo EMF višji od napetosti napajalne napetosti ali nižji od napajalne napetosti, debelina žice pa odloča o količini toka, ki jo lahko induktor prikaže.

Obstaja še en vidik t zgoraj induktorja, to je čas napetostnih vklopov / izklopov.

Tam postane uporaba PWM ključnega pomena.

Čeprav število obratov v osnovi določa izhodne vrednosti za določeno, se lahko te po želji spreminjajo tudi tako, da v induktor vnesemo optimiziran PWM.

Prek spremenljivega PWM lahko prisili induktor, da generira / pretvori napetosti in tokove s poljubno želeno hitrostjo, bodisi kot stopnjevana napetost (zmanjšani tok) ali stopnjevalni tok (zmanjšana napetost) ali obratno.

V nekaterih aplikacijah se lahko PWM uporablja tudi brez induktorja, na primer za zatemnitev LED luči ali v vezjih časovnika MCU, kjer je izhod lahko optimiziran za ustvarjanje napetosti pri različnih stikalih ON, izklopite obdobja za nadzor obremenitve po njegove predvidene delovne specifikacije.