Pulse Width Modulation (PWM). Analogové a digitální

PWM nebo PWM (pulse-width modulation) je způsob, jak ovládat napájení zátěže. Řízení spočívá ve změně trvání pulzu při konstantní frekvenci opakování pulzu. Pulzní šířková modulace je analogová, digitální, binární a ternární.

Použití pulsně šířkové modulace umožňuje zvýšit účinnost elektrických měničů, zejména u pulsních měničů, které dnes tvoří základ sekundárních zdrojů pro různá elektronická zařízení. Flyback a forward jednocyklové, push-pull a poloviční můstky i můstkové pulzní měniče jsou dnes řízeny za účasti PWM, to platí i pro rezonanční měniče.

Pulsně-šířková modulace umožňuje upravit jas podsvícení displejů z tekutých krystalů mobilních telefonů, smartphonů, notebooků. PWM je implementováno v automobilových měničích, v nabíječkách atd. Jakákoli nabíječka dnes využívá při svém provozu PWM.

Jako spínací prvky se v moderních vysokofrekvenčních měničích používají bipolární a polem řízené tranzistory pracující v režimu klíče. To znamená, že tranzistor je po část periody zcela otevřen a po část periody zcela uzavřen.

A protože v přechodných stavech trvajících jen desítky nanosekund je výkon uvolněný na klíčku ve srovnání se spínaným výkonem malý, průměrný výkon uvolněný jako teplo na klíči se nakonec ukáže jako nevýznamný. Přitom v zavřeném stavu je odpor tranzistoru jako klíče velmi malý a úbytek napětí na něm se blíží nule.

V otevřeném stavu se vodivost tranzistoru blíží nule a proud jím prakticky neteče. To umožňuje vytvářet kompaktní měniče s vysokou účinností, tedy s nízkými tepelnými ztrátami. A rezonanční měniče ZCS (zero-current-switching) umožňují tyto ztráty minimalizovat.

U generátorů PWM analogového typu je řídicí signál generován analogovým komparátorem, když je například na invertující vstup komparátoru přiveden trojúhelníkový nebo pilový signál a na neinvertující vstup je přiveden modulační spojitý signál.

Výstupní impulsy jsou získány, frekvence jejich opakování je rovna frekvenci pily (nebo trojúhelníkového signálu) a doba trvání kladné části impulsu souvisí s dobou, po kterou je úroveň modulačního konstantního signálu přivedený na neinvertující vstup komparátoru je vyšší než úroveň signálu pily, který je přiveden na invertující vstup. Když je napětí pily vyšší než modulační signál, výstup bude zápornou částí impulsu.

Pokud je pila přivedena na neinvertující vstup komparátoru a modulační signál je přiveden na invertující, pak výstupní obdélníkové impulsy budou mít kladnou hodnotu, když je napětí pily vyšší než hodnota modulačního signálu. přiveden na invertující vstup a záporný, když je napětí pily nižší než modulační signál. Příkladem analogové generace PWM je čip TL494, který je dnes široce používán při konstrukci spínaných zdrojů.

Digitální PWM se používají v binární digitální technologii. Výstupní impulsy také nabývají pouze jedné ze dvou hodnot (zapnuto nebo vypnuto) a průměrná výstupní úroveň se blíží požadované hodnotě. Zde se pilový signál získává pomocí N-bitového čítače.

Digitální zařízení PWM také pracují na konstantní frekvenci, nezbytně delší, než je doba odezvy řízeného zařízení, což je přístup nazývaný oversampling. Mezi hodinovými hranami zůstává digitální PWM výstup stabilní, buď vysoký nebo nízký, v závislosti na aktuálním stavu výstupu digitálního komparátoru, který porovnává úrovně signálu na čítači a blížícím se digitálu.

Výstup je taktován jako sekvence pulsů se stavy 1 a 0, každý cyklus se stav může, ale nemusí změnit na opačný. Frekvence pulzů je úměrná úrovni blížícího se signálu a jednotky následující za sebou mohou tvořit jeden širší, delší pulz.

Výsledné pulzy proměnné šířky budou násobkem periody hodin a frekvence bude rovna 1/2NT, kde T je hodinová perioda, N je počet hodinových cyklů. Zde je dosažitelná nižší frekvence ve vztahu k hodinové frekvenci. Popsané schéma digitálního generování je jednobitová nebo dvouúrovňová PWM, pulzně kódovaná PCM modulace.

Tato dvouúrovňová pulzně kódovaná modulace je v podstatě sérií pulzů s frekvencí 1/T a šířkou T nebo 0. Oversampling je aplikován na průměr za delší časové období. Vysoce kvalitní PWM lze dosáhnout jednobitovou pulzně-hustotní modulací (pulse-density-modulation), nazývanou také pulzně-frekvenční modulace.

Při digitální pulzně šířkové modulaci mohou pravoúhlé subpulzy, které vyplňují periodu, padat na libovolné místo v periodě a pak pouze jejich počet ovlivňuje průměrnou hodnotu signálu za periodu. Pokud tedy periodu rozdělíme na 8 částí, pak kombinace pulzů 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 atd. dají stejnou průměrnou hodnotu za periodu, avšak samostatně stojící jednotky způsobí, že provozní režim klíčového tranzistoru je těžší. .

Svítidla elektroniky, mluvící o PWM, dávají takovou analogii s mechanikou. Pokud motor otáčí těžkým setrvačníkem, pak protože motor lze zapnout nebo vypnout, setrvačník se buď roztočí a bude pokračovat v otáčení, nebo se zastaví kvůli tření, když je motor vypnutý.

Ale pokud je motor zapnutý na několik sekund za minutu, pak se rotace setrvačníku udrží díky setrvačnosti při určité rychlosti. A čím déle je motor zapnutý, tím výše se setrvačník roztočí na vyšší otáčky. Takže s PWM přichází na výstup signál zapnutí a vypnutí (0 a 1) a v důsledku toho je dosaženo průměrné hodnoty. Integrací napětí impulsů v čase získáme plochu pod impulsy a účinek na pracovní těleso bude shodný s prací při průměrné hodnotě napětí.

Takto fungují převodníky, kde dochází k přepínání tisíckrát za sekundu a frekvence dosahují jednotek megahertzů. Rozšířené jsou speciální PWM regulátory, které se používají k ovládání předřadníků energeticky úsporných zářivek, napájecích zdrojů atd.

Poměr celkové doby trvání periody impulsu k době zapnutí (kladná část impulsu) se nazývá pracovní cyklus impulsu. Pokud je tedy doba zapnutí 10 µs a perioda trvá 100 µs, pak při frekvenci 10 kHz bude pracovní cyklus 10 a píšou, že S = 10. Reciproční pracovní cyklus se nazývá pulz pracovní cyklus, anglicky Duty cycle, nebo zkráceně DC.

Takže pro daný příklad je DC = 0,1, protože 10/100 = 0,1. S modulací šířky pulzu se úpravou pracovního cyklu pulzu, tj. změnou DC, dosáhne požadované průměrné hodnoty na výstupu elektronického nebo jiného elektrického zařízení, jako je motor.

Schéma generátoru a nastavitelný pracovní cyklus impulsů, řízený vstupním napětím. Zdroj pulzního signálu s proměnným pracovním cyklem. Limit šířky pulzu (10+)

Pracovní cyklus pulzního signálu. Pracovní cyklus - Generátor

Nastavení pracovního cyklu

Pro získání signálu s řízeným pracovním cyklem je vhodné použít PWM regulátory. Tyto speciální mikroobvody jsou navrženy tak, aby generovaly signály s pracovním cyklem, který závisí na vnějších podmínkách.

Zvažte například obvody na integrovaném PWM řadiči 1156EU3 nebo UC3823.

Při práci s mnoha různými technologiemi často vyvstává otázka: jak řídit výkon, který je k dispozici? Co dělat, když je potřeba snížit nebo zvýšit? Odpovědí na tyto otázky je PWM regulátor. co zastupuje? Kde se uplatňuje? A jak si takové zařízení sestavit sami?

Co je modulace šířky pulzu?

Bez objasnění významu tohoto pojmu nemá smysl pokračovat. Modulace šířky pulsů je tedy proces řízení výkonu, který je dodáván do zátěže, prováděný úpravou pracovního cyklu pulsů, který se provádí při konstantní frekvenci. Existuje několik typů pulzně šířkové modulace:

1. Analogové.

2. Digitální.

3. Binární (dvouúrovňové).

4. Trojice (tříúrovňová).

Co je PWM regulátor?

Nyní, když víme, co je pulsně-šířková modulace, můžeme mluvit o hlavním tématu článku. Regulátor PWM se používá k regulaci napájecího napětí a k zabránění silnému setrvačnému zatížení v automobilovém a motocyklovém vybavení. To může znít příliš složitě a nejlépe se to vysvětluje na příkladu. Předpokládejme, že je nutné, aby lampy vnitřního osvětlení neměnily svůj jas okamžitě, ale postupně. Totéž platí pro parkovací světla, světlomety aut nebo ventilátory. Toto přání lze realizovat instalací tranzistorového regulátoru napětí (parametrického nebo kompenzačního). Ale při vysokém proudu bude generovat extrémně vysoký výkon a vyžaduje instalaci dalších velkých radiátorů nebo přidání systému nuceného chlazení pomocí malého ventilátoru odstraněného z počítačového zařízení. Jak vidíte, tato cesta s sebou nese mnoho důsledků, které bude třeba překonat.

Skutečnou záchranou z této situace byl PWM regulátor, který pracuje na výkonných polních výkonových tranzistorech. Mohou spínat vysoké proudy (až 160 A) pouze s 12-15V na bráně. Je třeba poznamenat, že odpor otevřeného tranzistoru je poměrně nízký a díky tomu může být úroveň ztrátového výkonu výrazně snížena. Pro vytvoření vlastního PWM regulátoru budete potřebovat řídící obvod, který dokáže zajistit rozdíl napětí mezi zdrojem a hradlem v rozsahu 12-15V. Pokud toho nelze dosáhnout, výrazně se zvýší odpor kanálu a výrazně se zvýší ztrátový výkon. A to zase může vést k tomu, že se tranzistor přehřeje a selže.

Existuje řada mikroobvodů pro PWM regulátory, které snesou zvýšení vstupního napětí na úroveň 25-30V, a to navzdory skutečnosti, že napájení bude pouze 7-14V. To umožní výstupní tranzistor v obvodu spolu se společným kolektorem. To je zase nutné pro připojení zátěže se společným mínusem. Příklady zahrnují: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Většina zátěží neodebírá více než 10 ampérů, takže nemohou způsobit pokles napětí. A díky tomu lze bez úprav použít i jednoduché obvody v podobě dodatečného uzlu, který zvýší napětí. A právě o těchto ukázkách PWM regulátorů bude v článku řeč. Mohou být postaveny na bázi multivibrátoru s jedním koncem nebo pohotovostního režimu. Stojí za to mluvit o regulátoru otáček motoru PWM. Více o tom později.

Schéma č. 1

Tento obvod regulátoru PWM byl sestaven na invertorech CMOS. Jedná se o obdélníkový generátor impulsů, který pracuje na 2 logických prvcích. Díky diodám se zde samostatně mění časová konstanta vybíjení a nabíjení frekvenčně nastavujícího kondenzátoru. To umožňuje změnit pracovní cyklus, který mají výstupní impulsy, a v důsledku toho hodnotu efektivního napětí, které je na zátěži. V tomto obvodu je možné použít libovolné invertující prvky CMOS, stejně jako OR-NOT a AND, vhodnými příklady jsou K176PU2, K561LN1, K561LA7, K561LE5. Můžete použít i jiné typy, ale předtím si musíte dobře rozmyslet, jak jejich vstupy správně seskupit, aby mohly plnit přiřazenou funkcionalitu. Výhodou schématu je dostupnost a jednoduchost prvků. Nevýhody - složitost (prakticky nemožná) zdokonalování a nedokonalost ve vztahu ke změně rozsahu výstupního napětí.

Schéma č. 2

Má lepší vlastnosti než první vzorek, ale je obtížnější jej implementovat. Dokáže regulovat efektivní napětí na zátěži v rozsahu 0-12V, na které se mění z výchozí hodnoty 8-12V. Maximální proud závisí na typu tranzistoru s efektem pole a může dosáhnout významných hodnot. Vzhledem k tomu, že výstupní napětí je úměrné vstupnímu řízení, lze tento obvod použít jako součást řídicího systému (pro udržení úrovně teploty).

Důvody šíření

Co přitahuje motoristy na PWM regulátoru? Je třeba poznamenat touhu zvýšit účinnost při výstavbě sekundárních pro elektronická zařízení. Díky této vlastnosti lze tuto technologii nalézt i při výrobě počítačových monitorů, displejů v telefonech, noteboocích, tabletech a podobném zařízení, a to nejen v automobilech. Je třeba také poznamenat významnou nízkou cenu, která odlišuje tuto technologii při jejím použití. Také, pokud se rozhodnete nekupovat, ale sestavit PWM regulátor vlastníma rukama, můžete ušetřit peníze při vylepšování vlastního auta.

Závěr

Nyní víte, co je regulátor výkonu PWM, jak funguje, a dokonce si taková zařízení můžete sami sestavit. Pokud tedy chcete experimentovat se schopnostmi vašeho vozu, lze o tom říci pouze jednu věc - udělejte to. Kromě toho můžete zde uvedená schémata nejen používat, ale také je výrazně upravovat, pokud máte odpovídající znalosti a zkušenosti. Ale i když vše nevyjde napoprvé, můžete získat velmi cennou věc - zkušenost. Kdo ví, kde by se to mohlo hodit příště a jak důležité to bude.

LED diody se používají téměř ve všech technologiích kolem nás. Pravda, někdy je nutné upravit jejich jas (například u baterek nebo monitorů). Nejjednodušší cestou z této situace se zdá být změna velikosti proudu procházejícího LED. Ale není. LED je poměrně citlivá součástka. Neustálá změna velikosti proudu může výrazně snížit jeho životnost, nebo dokonce zlomit. Je také třeba mít na paměti, že nelze použít omezovací odpor, protože se v něm bude hromadit přebytečná energie. Při použití baterií to není povoleno. Dalším problémem tohoto přístupu je, že se změní barva světla.

Jsou dvě možnosti:

• PWM regulace
• analogový

Tyto metody řídí proud protékající LED, ale existují mezi nimi určité rozdíly.
Analogová regulace mění úroveň proudu, který prochází LED diodami. A PWM reguluje frekvenci dodávky proudu.

PWM regulace

Cestou z této situace může být použití pulzně šířkové modulace (PWM). S tímto systémem dostávají LED diody požadovaný proud a jas je regulován přiváděním energie o vysoké frekvenci. To znamená, že frekvence periody napájení mění jas LED.
Nepochybnou výhodou PWM systému je zachování produktivity LED. Účinnost bude asi 90 %.

Typy PWM regulace

• Dvoudrátový. Často se používá v systému osvětlení automobilů. Napájecí zdroj měniče musí mít obvod, který generuje PWM signál na stejnosměrném výstupu.
• bočníkové zařízení. K provedení periody zapnutí/vypnutí převodníku použijte bočníkovou součást, která poskytuje cestu pro výstupní proud kromě LED.

Parametry pulzu pro PWM

Frekvence opakování pulsu se nemění, takže nejsou žádné požadavky na stanovení jasu světla. V tomto případě se mění pouze šířka nebo čas kladného impulsu.

Pulzní frekvence

I když vezmeme v úvahu skutečnost, že neexistují žádné zvláštní nároky na frekvenci, existují okrajové ukazatele. Jsou určeny citlivostí lidského oka na blikání. Pokud například ve filmu musí být blikání snímků 24 snímků za sekundu, aby to naše oko vnímalo jako jeden pohyblivý obraz.
Aby bylo blikání světla vnímáno jako rovnoměrné světlo, musí být frekvence alespoň 200 Hz. Neexistují žádná omezení pro horní indikátory, ale neexistuje žádná cesta dolů.

Jak funguje PWM regulátor

K přímému ovládání LED se používá tranzistorový klíčový stupeň. Obvykle používají tranzistory, které mohou uložit velké množství energie.
To je nutné při použití LED pásků nebo vysoce výkonných LED.
Pro malé množství nebo nízký výkon zcela postačí použití bipolárních tranzistorů. LED můžete také připojit přímo k čipům.

PWM generátory

V systému PWM lze jako hlavní oscilátor použít mikrokontrolér nebo obvod skládající se z obvodů malého stupně integrace.
Regulátor je možné vytvořit i z mikroobvodů, které jsou určeny pro spínané zdroje, nebo logických mikroobvodů K561 nebo integrovaného časovače NE565.
Řemeslníci k tomu dokonce používají operační zesilovač. K tomu je na něm sestaven generátor, který lze nastavit.
Jeden z nejpoužívanějších obvodů je založen na časovači 555. Ve skutečnosti se jedná o běžný generátor obdélníkových vln. Frekvence je řízena kondenzátorem C1. na výstupu musí mít kondenzátor vysoké napětí (stejné je to s připojením ke kladnému napájení). A nabíjí se, když je na výstupu nízké napětí. Tento moment dává vzniknout pulzům různé šířky.
Dalším oblíbeným obvodem je PWM založený na čipu UC3843. v tomto případě byl spínací obvod změněn směrem ke zjednodušení. Pro řízení šířky impulsu se používá řídicí napětí s kladnou polaritou. V tomto případě je na výstupu získán požadovaný pulzní signál PWM.
Řídicí napětí působí na výstup následujícím způsobem: s poklesem se zeměpisná šířka zvětšuje.

Proč PWM?

• Hlavní výhodou tohoto systému je jednoduchost. Vzory použití jsou velmi jednoduché a snadno implementovatelné.
• Řídicí systém PWM poskytuje velmi široký rozsah regulace jasu. Pokud mluvíme o monitorech, pak je možné použít CCFL podsvícení, ale v tomto případě lze jas snížit pouze na polovinu, protože podsvícení CCFL je velmi náročné na množství proudu a napětí.
• Pomocí PWM můžete udržovat proud na konstantní úrovni, což znamená, že LED diody nebudou trpět a teplota barev se nezmění.

Nevýhody použití PWM

• V průběhu času může být blikání obrazu docela patrné, zejména při nízkém jasu nebo pohybu očí.
• Pokud je světlo trvale jasné (například sluneční světlo), může být obraz rozmazaný.

Dobrá definice pulzně šířkové modulace (PWM) spočívá v jejím samotném názvu. To znamená modulaci (změnu) šířky impulsu (nikoli frekvence). Pro lepší pochopení co je PWM Nejprve se podívejme na některé zajímavosti.

Mikrokontroléry jsou inteligentní digitální součástky, které pracují na bázi binárních signálů. Nejlepší reprezentací binárního signálu je meandr (signál obdélníkového tvaru). Následující diagram vysvětluje základní pojmy spojené s obdélníkovou vlnou.

V PWM signálu je čas (perioda), a tedy frekvence, vždy konstantní hodnotou. Mění se pouze doba zapnutí a vypnutí pulzu (pracovní cyklus). Pomocí této modulační metody můžeme získat napětí, které potřebujeme.

Jediný rozdíl mezi obdélníkovou vlnou a signálem PWM je v tom, že obdélníková vlna má stejnou a konstantní dobu zapnutí a vypnutí (50% pracovní cyklus), zatímco signál PWM má proměnný pracovní cyklus.

Obdélníková vlna může být považována za speciální případ signálu PWM, který má 50% pracovní cyklus (perioda zapnutí = doba vypnutí).

Zvažte použití PWM jako příkladu

Řekněme, že máme napájecí napětí 50 voltů a potřebujeme napájet nějaký druh zátěže pracující od 40 voltů. V tomto případě je dobrým způsobem, jak získat 40 V z 50 V, použít to, čemu se říká buck chopper.

Signál PWM generovaný chopperem jde do výkonové jednotky obvodu (tyristor, tranzistor s efektem pole), který zase řídí zátěž. Tento PWM signál může být snadno generován mikrokontrolérem s časovačem.

Požadavky na PWM signál pro získání 40V z 50V pomocí tyristoru: zapnutí, na čas = 400 ms a vypnutí na čas = 100 ms (s přihlédnutím k periodě PWM signálu 500 ms).

Obecně to lze snadno vysvětlit následovně: tyristor v zásadě funguje jako spínač. Zátěž přijímá napájecí napětí ze zdroje přes tyristor. Když je tyristor ve vypnutém stavu, zátěž není připojena ke zdroji a když je tyristor v otevřeném stavu, zátěž je připojena ke zdroji.

Tento proces zapínání a vypínání tyristoru se provádí pomocí PWM signálu.

Poměr periody PWM signálu k jeho trvání se nazývá pracovní cyklus signálu a převrácená hodnota pracovního cyklu se nazývá pracovní cyklus.

Pokud je pracovní cyklus 100, pak v tomto případě máme konstantní signál.

Pracovní cyklus (pracovní cyklus) lze tedy vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Pomocí výše uvedených vzorců můžeme vypočítat dobu zapnutí tyristoru, abychom získali napětí, které potřebujeme.

Vynásobením pracovního cyklu 100 to můžeme vyjádřit v procentech. Procento pracovního cyklu impulsů je tedy přímo úměrné velikosti napětí z originálu. Ve výše uvedeném příkladu, pokud chceme získat 40 voltů z 50 voltového zdroje napájení, pak toho lze dosáhnout generováním signálu s pracovním cyklem 80 %. Protože 80 % z 50 místo 40.

Pro konsolidaci materiálu řešíme následující problém:

• Vypočítejme dobu zapnutí a vypnutí signálu o frekvenci 50 Hz a pracovním cyklu 60 %.

Výsledná PWM vlna bude vypadat takto:

Jedním z nejlepších příkladů pulzně šířkové modulace je použití PWM k řízení rychlosti motoru nebo jasu LED.

Tato technika změny šířky impulsu pro získání požadovaného pracovního cyklu se nazývá „modulace šířky impulsu“.