Kas yra PWM - impulsų pločio moduliacija

Moduliacija - tai netiesinis elektrinis procesas, kurio metu vieno signalo (nešlio) parametrus keičia kitas signalas (moduliuojantis, informacija). Ryšių inžinerijoje plačiai naudojama dažninė, amplitudinė ir fazinė moduliacija. Maitinimo elektronikoje ir mikroprocesorinėje technikoje vis dažniau naudojama impulsų pločio moduliacija.

Kas yra PWM (impulsų pločio moduliacija)?

Vykdant impulsų pločio moduliaciją pradinio signalo amplitudė, dažnis ir fazė išlieka nepakitę. Kvadratinio impulso trukmei (pločiui) įtakos turi informacinis signalas. Angliškoje techninėje literatūroje jis žymimas santrumpa PWM - pulso pločio moduliacija.

PWM veikimo principas

Impulso pločio moduliuotas signalas formuojamas dviem būdais:

• analogiškas;
• skaitmeninis.

Taikant analoginį PWM generavimo metodą, pjūklo arba trikampio formos nešlio signalas tiekiamas į invertuojantį komparatoriaus įėjimaso informacinis signalas paduodamas į neinvertuojantį komparatoriaus įėjimą. Jei momentinis nešlio lygis yra aukštesnis už moduliuojantį signalą, komparatoriaus išėjimas yra lygus nuliui, jei žemesnis - vienetui. Išėjimas yra diskretusis signalas, kurio dažnis atitinka nešlio trikampio arba pjūklo danties dažnį, o impulso ilgis proporcingas moduliuojančios įtampos lygiui.

Kaip pavyzdys pateikiama trikampio formos signalo impulsų pločio moduliacija tiesiniu kylančiu impulsu. Išėjimo impulsų trukmė yra proporcinga išėjimo signalo lygiui.

Analoginius PWM valdiklius taip pat galima įsigyti kaip gatavus integrinius grandynus, kuriuose yra komparatorius ir nešlio generavimo grandinė. Įėjimai skirti išoriniams dažnio kodavimo elementams ir informaciniam signalui prijungti. Išėjimas naudojamas galingiems išoriniams jungikliams valdyti. Taip pat yra grįžtamojo ryšio įėjimai, skirti nustatytiems valdymo parametrams palaikyti. Taip yra, pavyzdžiui, TL494 lusto atveju. PWM valdiklius su vidiniais jungikliais galima naudoti tais atvejais, kai vartotojo galia yra palyginti nedidelė. Vidinis LM2596 jungiklis skirtas iki 3 amperų srovei.

Skaitmeninis metodas taikomas naudojant specializuotas mikroschemas arba mikroprocesorius. Impulso ilgį valdo vidinė programa. Daugelyje mikrovaldiklių, įskaitant populiarius PIC ir AVR, yra įmontuotas PWM techninės įrangos modulis. Norint gauti PWM signalą, reikia įjungti modulį ir nustatyti jo veikimo parametrus. Jei tokio modulio nėra, PWM galima organizuoti tik programinės įrangos metodu, tai nėra sudėtinga. Šis metodas suteikia daugiau galimybių ir daugiau laisvės dėl lankstaus išėjimų naudojimo, tačiau reikalauja daugiau valdiklio išteklių.

PWM signalo charakteristikos

Svarbios PWM signalo charakteristikos:

• amplitudė (U);
• dažnis (f);
• Darbinis ciklas (S) arba užpildymo koeficientas D.

Amplitudė voltais nustatoma pagal apkrovą. Ji turi užtikrinti vardinę vartotojo maitinimo įtampą.

Impulsų pločio moduliuoto signalo dažnis pasirenkamas atsižvelgiant į šiuos aspektus:

1. Kuo didesnis dažnis, tuo didesnis reguliavimo tikslumas.
2. Dažnis turi būti ne mažesnis už PWM valdomą įrenginio reakcijos laiką, nes priešingu atveju bus pastebimos valdomo parametro pulsacijos.
3. Kuo didesnis dažnis, tuo didesni perjungimo nuostoliai. Taip yra dėl to, kad rakto perjungimo laikas yra baigtinis. Užfiksuotoje būsenoje visa maitinimo įtampa patenka ant pagrindinio elemento, tačiau srovės beveik nėra. Atviros būsenos atveju per raktą teka visa apkrovos srovė, tačiau įtampos kritimas yra nedidelis, nes pralaidumo varža yra keli omai. Abiem atvejais išsklaidoma nedaug energijos. Iš vienos būsenos į kitą pereinama greitai, bet ne akimirksniu. Vykstant atidarymo ir uždarymo procesui, ant iš dalies atviro elemento krinta aukšta įtampa ir tuo pačiu metu elementu teka didelė srovė. Per šį laiką išsklaidoma daug energijos. Šis laikotarpis yra trumpas ir raktas nespėja gerokai įkaisti. Tačiau, didėjant dažniui, tokių laiko intervalų per laiko vienetą daugėja ir šilumos nuostoliai didėja. Todėl kuriant raktus svarbu naudoti greitai veikiančius elementus.
4. Valdant varikliai dažnis turi būti išvestas iš žmogui suprantamų dažnių diapazono - 25 kHz ir daugiau. Taip yra todėl, kad dėl mažesnio perjungimo dažnio atsiranda nemalonus švilpimo garsas.

Šie reikalavimai dažnai prieštarauja vienas kitam, todėl kai kuriais atvejais dažnis pasirenkamas kaip kompromisas.

Moduliacijos vertę apibūdina darbo ciklas. Kadangi impulsų pasikartojimo dažnis yra pastovus, periodo trukmė taip pat yra pastovi (T=1/f). Periodą sudaro impulsas ir pauzė, kurių trukmė t_imp ir t_pauzė, kur t_imp+t_pauzė=Т. Santykis yra impulso trukmės ir periodo santykis - S=t_imp/T. Tačiau praktiškai pasirodė, kad patogiau naudoti atvirkštinę vertę - užpildymo koeficientą: D=1/S=T/t_imp.. Dar patogiau užpildymo koeficientą išreikšti procentais.

Kuo skiriasi PWM ir PWM

Užsienio techninėje literatūroje nėra skirtumo tarp impulsų pločio moduliacijos ir impulsų pločio valdymo (PWM). Rusijos ekspertai bando atskirti šias sąvokas. Iš tikrųjų PWM yra moduliacijos rūšis, t. y. nešančiojo signalo keitimas veikiant kitam moduliuojančiam signalui. Nešantysis signalas yra informacijos nešėjas, o moduliuojantis signalas nustato šią informaciją. O impulsų pločio reguliavimas - tai apkrovos režimo reguliavimas naudojant PWM.

PWM priežastys ir taikymo sritys

Impulso pločio moduliacijos principas naudojamas Galingų asinchroninių variklių greičio reguliatoriai. Šiuo atveju moduliuojantis kintamo dažnio signalas (vienfazis arba trifazis) generuojamas naudojant mažos galios sinusinių bangų generatorių ir analoginiu būdu uždedamas ant nešlio. Išėjimas yra PWM signalas, kuris perduodamas į galios poreikio klavišus. Gautą impulsų seką galima praleisti per žemųjų dažnių filtrą, pvz., paprastą RC grandinę, ir išskirti pradinę sinusinę bangą. Arba galite apsieiti be jo - filtravimas vyks natūraliai dėl variklio inercijos. Akivaizdu, kad kuo aukštesnis nešlio dažnis, tuo labiau išėjimo bangos forma artima pradinei sinusoidei.

Kyla natūralus klausimas - kodėl, pavyzdžiui, osciliatoriaus signalas negali būti stiprinamas iš karto, naudojant didelės galios tranzistorius? Kadangi reguliavimo elementas, veikiantis tiesiniu režimu, perskirsto galią tarp apkrovos ir jungiklio. Dėl to pagrindiniam elementui bus iššvaistyta daug energijos. Kita vertus, jei didelės galios reguliavimo elementas veikia raktiniu režimu (trinistorius, triakas, RGBT tranzistorius), galia paskirstoma laike. Nuostoliai bus daug mažesni, o efektyvumas - didesnis.

Skaitmeninėje technologijoje nėra jokios konkrečios alternatyvos impulsų pločio valdymui. Čia signalo amplitudė yra pastovi, o įtampą ir srovę galima keisti tik moduliuojant nešančiojo impulso plotį ir vėliau jį vidurkinant. Todėl PWM naudojama įtampai ir srovei valdyti tose srityse, kuriose impulsų signalą galima vidurkinti. Vidutininimas atliekamas įvairiais būdais:

1. Dėl apkrovos inercijos. Pavyzdžiui, termoelektrinių šildytuvų ir kaitinamųjų lempų šiluminė inercija reiškia, kad valdymo objektai tarp impulsų pastebimai neatvėsta.
2. Dėl suvokimo inercijos. Šviesos diodas šviečia nuo impulso iki impulso, tačiau žmogaus akis to nepastebi ir suvokia tai kaip nuolatinį švytėjimą, kurio intensyvumas kinta. Šis principas naudojamas LED taškų ryškumui valdyti. Tačiau nepastebimas kelių šimtų hercų blyksėjimas vis tiek išlieka ir sukelia akių nuovargį.
3. Dėl mechaninės inercijos. Ši savybė naudojama valdant nuolatinės srovės kolektoriaus variklį. Pasirinkus tinkamą valdymo dažnį, variklis neturi laiko sustoti per tuščiosios eigos pauzes.

Todėl PWM naudojama tada, kai lemiamą vaidmenį vaidina vidutinė įtampos ar srovės vertė. Be pirmiau minėtų įprastų atvejų, PWM metodu reguliuojama vidutinė srovė suvirinimo aparatuose, akumuliatorių įkrovikliuose ir kt.

Jei natūralus vidurkinimas neįmanomas, daugeliu atvejų šį vaidmenį gali atlikti jau minėtas žemųjų dažnių filtras (LPF) RC grandinės pavidalo. Praktiniais tikslais to pakanka, tačiau reikia suprasti, kad su LPF neįmanoma be iškraipymų atskirti pradinio signalo nuo PWM. Juk PWM spektre yra be galo daug harmonikų, kurios neišvengiamai patenka į filtro dažnių juostos plotį. Todėl neturėkite iliuzijų dėl atkurtos sinusoidės formos.

RGB šviesos diodų PWM valdymas yra labai veiksmingas ir efektyvus. Šis prietaisas turi tris p-n sandūras - raudoną, mėlyną ir žalią. Keičiant kiekvieno kanalo ryškumą atskirai, galima išgauti beveik bet kokią LED spalvą (išskyrus grynai baltą). Galimybės kurti apšvietimo efektus naudojant PWM yra neribotos.

Dažniausiai skaitmeninis impulsų pločio moduliacijos signalas naudojamas vidutinei srovei arba įtampai, tekančiai per apkrovą, valdyti. Tačiau šią moduliaciją galima naudoti ir netradiciniais būdais. Viskas priklauso nuo dizainerio vaizduotės.

Susiję straipsniai: