Wat is PWM - Pulsbreedtemodulatie?

Modulatie is een niet-lineair elektrisch proces waarbij de parameters van het ene signaal (drager) worden gewijzigd met behulp van een ander signaal (moduleren, informatie). In de communicatietechnologie wordt frequentie-, amplitude- en fasemodulatie veel gebruikt. In vermogenselektronica en microprocessortechnologie is pulsbreedtemodulatie wijdverbreid.

Wat is PWM (Pulse Width Modulation)

Bij pulsbreedtemodulatie van het oorspronkelijke signaal blijven de amplitude, frequentie en fase van het oorspronkelijke signaal ongewijzigd. De duur (breedte) van de rechthoekige puls is onderhevig aan verandering onder invloed van het informatiesignaal. In de Engelse technische literatuur wordt het afgekort als PWM - pulsbreedtemodulatie.

Hoe PWM werkt

Het pulsbreedte-gemoduleerde signaal wordt op twee manieren gevormd:

• analoog;
• digitaal.

Bij de analoge methode om een ​​PWM-signaal te creëren, wordt een drager in de vorm van een zaagtand- of driehoekig signaal naar een inverterend vergelijker ingang, en informatie - over niet-inverterend. Als het momentane draaggolfniveau hoger is dan het modulerende signaal, dan is de uitvoer van de comparator nul, indien lager - één. De output is een discreet signaal met een frequentie die overeenkomt met de frequentie van de draaggolfdriehoek of zaag, en een pulslengte die evenredig is met het niveau van de modulerende spanning.

Als voorbeeld neemt de pulsbreedtemodulatie van een driehoekig signaal lineair toe. De duur van de uitgangspulsen is evenredig met het niveau van het uitgangssignaal.

Analoge PWM-controllers zijn ook beschikbaar in de vorm van kant-en-klare microschakelingen, waarin een comparator en een carrier-generatieschakeling zijn geïnstalleerd. Er zijn ingangen voor het aansluiten van externe frequentie-instelelementen en het leveren van een informatiesignaal. Een signaal wordt verwijderd uit de uitgang die krachtige externe sleutels bestuurt. Er zijn ook ingangen voor feedback - deze zijn nodig om de ingestelde regelparameters te behouden. Dat is bijvoorbeeld de TL494-chip. Voor gevallen waar het vermogen van de consument relatief klein is, zijn PWM-controllers met ingebouwde toetsen beschikbaar. De interne sleutel van de LM2596-microschakeling is ontworpen voor stroom tot 3 ampère.

De digitale methode wordt uitgevoerd met behulp van gespecialiseerde microschakelingen of microprocessors. De pulsduur wordt geregeld door het interne programma. Veel microcontrollers, waaronder de populaire PIC en AVR, hebben een ingebouwde module voor hardware-implementatie van PWM "aan boord", om een ​​PWM-signaal te ontvangen, moet u de module activeren en de werkingsparameters instellen.Als zo'n module niet beschikbaar is, dan kan PWM puur softwarematig worden georganiseerd, dit is niet moeilijk. Deze methode geeft meer kracht en vrijheid door flexibel gebruik van uitgangen, maar gebruikt meer controller-resources.

Kenmerken van het PWM-signaal

De belangrijke kenmerken van het PWM-signaal zijn:

• amplitude (U);
• frequentie (f);
• inschakelduur (S) of inschakelduur D.

De amplitude in volt wordt ingesteld afhankelijk van de belasting. Het moet de nominale voedingsspanning van de consument leveren.

De frequentie van het signaal gemoduleerd door de pulsbreedte wordt gekozen uit de volgende overwegingen:

1. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de regelnauwkeurigheid.
2. De frequentie mag niet lager zijn dan de responstijd van het apparaat dat wordt bestuurd door PWM, anders zullen er merkbare rimpelingen van de gecontroleerde parameter optreden.
3. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de schakelverliezen. Het komt voort uit het feit dat de schakeltijd van de sleutel eindig is. In de vergrendelde toestand valt alle voedingsspanning op het sleutelelement, maar er is bijna geen stroom. In de open toestand vloeit de vollaststroom door de sleutel, maar de spanningsval is klein, omdat de doorvoerweerstand een paar ohm is. In beide gevallen is de vermogensdissipatie verwaarloosbaar. De overgang van de ene toestand naar de andere gebeurt snel, maar niet onmiddellijk. Tijdens het ontgrendelen en vergrendelen daalt een grote spanning op een gedeeltelijk open element en stroomt er tegelijkertijd een aanzienlijke stroom doorheen. Op dit moment bereikt het gedissipeerde vermogen hoge waarden. Deze periode is kort, de sleutel heeft geen tijd om aanzienlijk op te warmen.Maar met een toename van de frequentie van dergelijke tijdsintervallen per tijdseenheid, wordt het meer en nemen de warmteverliezen toe. Daarom is het belangrijk om snelle elementen te gebruiken om sleutels te bouwen.
4. Tijdens het rijden elektrische motor de frequentie moet worden verwijderd uit het gebied dat hoorbaar is voor een persoon - 25 kHz en hoger. Omdat bij een lagere PWM-frequentie een onaangename fluittoon optreedt.

Deze eisen zijn vaak in conflict met elkaar, waardoor de frequentiekeuze in sommige gevallen een compromis is.

De modulatiewaarde kenmerkt de duty-cycle. Omdat de pulsherhalingsfrequentie constant is, is ook de duur van de periode constant (T=1/f). De periode bestaat uit een impuls en een pauze, met een duur van respectievelijk t_impo en t_pauzes, en t_impo+t_pauzes=T. De duty cycle is de verhouding van de pulsduur tot de periode - S \u003d t_impo/T. Maar in de praktijk bleek het handiger om de reciproke waarde te gebruiken - de vulfactor: D=1/S=T/t_impo. Nog handiger is het om de vulfactor in procenten uit te drukken.

Wat is het verschil tussen PWM en SIR

In buitenlandse technische literatuur is er geen verschil tussen pulsbreedtemodulatie en pulsbreedteregeling (PWR). Russische specialisten proberen onderscheid te maken tussen deze concepten. In feite is PWM een type modulatie, dat wil zeggen veranderingen in het draaggolfsignaal onder invloed van een ander, modulerend signaal. Het draaggolfsignaal fungeert als een informatiedrager en het modulerende signaal stelt deze informatie in. En pulsbreedteregeling is de regeling van de laadmodus met behulp van PWM.

Redenen en toepassingen van PWM

Het principe van pulsbreedtemodulatie wordt gebruikt in: snelheidsregelaars van krachtige asynchrone motoren. In dit geval wordt het instelbare frequentiemodulerende signaal (eenfasig of driefasig) gegenereerd door een sinusgolfgenerator met laag vermogen en op analoge wijze op de draaggolf gesuperponeerd. De output is een PWM-signaal, dat naar de toetsen van het vereiste vermogen wordt gevoerd. Vervolgens kunt u de resulterende reeks pulsen door een laagdoorlaatfilter laten gaan, bijvoorbeeld door een eenvoudig RC-circuit, en de originele sinusoïde selecteren. Of u kunt het zonder doen - filtratie zal op natuurlijke wijze plaatsvinden vanwege de traagheid van de motor. Het is duidelijk dat hoe hoger de draaggolffrequentie, hoe meer de uitgangsgolfvorm dicht bij de oorspronkelijke sinusoïde ligt.

Een natuurlijke vraag rijst - waarom het onmogelijk is om het signaal van de generator onmiddellijk te versterken, bijvoorbeeld, krachtige transistoren gebruiken? Omdat een regelelement dat in een lineaire modus werkt, het vermogen herverdeelt tussen de belasting en de sleutel. In dit geval wordt aanzienlijk vermogen verspild aan het sleutelelement. Als een krachtig bedieningselement in een sleutelmodus werkt (trinistor, triac, RGBT-transistor), dan wordt het vermogen in de tijd verdeeld. De verliezen zullen veel lager zijn en de efficiëntie zal veel hoger zijn.

In de digitale technologie is er geen specifiek alternatief voor pulsbreedteregeling. De signaalamplitude is daar constant, de spanning en stroom kunnen alleen worden veranderd door de draaggolf langs de pulsbreedte te moduleren en vervolgens te middelen. Daarom wordt PWM gebruikt om spanning en stroom te regelen op die objecten die het pulssignaal kunnen gemiddelde. Middeling gebeurt op verschillende manieren:

1. als gevolg van traagheid van de belasting.Zo zorgt de thermische traagheid van thermo-elektrische kachels en gloeilampen ervoor dat de gereguleerde objecten niet merkbaar afkoelen in de pauzes tussen pulsen.
2. Door de traagheid van perceptie. De LED heeft de tijd om van puls naar puls uit te gaan, maar het menselijk oog merkt dit niet en neemt het waar als een constante gloed met wisselende intensiteit. Dit principe wordt gebruikt om de helderheid van stippen van LED-monitoren te regelen. Maar onmerkbaar knipperen met een frequentie van enkele honderden hertz is nog steeds aanwezig en veroorzaakt oogvermoeidheid.
3. door mechanische traagheid. Deze eigenschap wordt gebruikt bij de besturing van geborstelde gelijkstroommotoren. Met een correct geselecteerde regelfrequentie heeft de motor geen tijd om te vertragen in dode pauzes.

Daarom wordt PWM gebruikt waar de gemiddelde waarde van spanning of stroom een ​​beslissende rol speelt. Naast de genoemde veelvoorkomende gevallen, regelt de PWM-methode de gemiddelde stroomsterkte in lasmachines en acculaders, etc.

Als natuurlijke middeling niet mogelijk is, kan deze rol in veel gevallen worden overgenomen door het reeds genoemde laagdoorlaatfilter (LPF) in de vorm van een RC-keten. Voor praktische doeleinden is dit voldoende, maar het moet duidelijk zijn dat het onmogelijk is om het originele signaal van de PWM te isoleren met een laagdoorlaatfilter zonder vervorming. Het PWM-spectrum bevat immers een oneindig aantal harmonischen die onvermijdelijk in de doorlaatband van het filter zullen vallen. Daarom moet men zich geen illusies maken over de vorm van de gereconstrueerde sinusoïde.

Zeer efficiënte en effectieve PWM RGB LED-besturing. Dit apparaat heeft drie pn-overgangen - rood, blauw, groen.Door de helderheid van de gloed van elk kanaal afzonderlijk te wijzigen, kunt u bijna elke kleur van de LED-gloed krijgen (met uitzondering van puur wit). De mogelijkheden voor het creëren van lichteffecten met PWM zijn eindeloos.

De meest gebruikelijke toepassing van een pulsbreedte-gemoduleerd digitaal signaal is het regelen van de gemiddelde stroom of spanning die door een belasting vloeit. Maar niet-standaard gebruik van dit type modulatie is ook mogelijk. Het hangt allemaal af van de verbeeldingskracht van de ontwikkelaar.

Vergelijkbare artikelen: