A PWM használata kapcsolási technikaként
Az impulzusszélesség-moduláció (PWM) egy általánosan használt technika az elektromos készülék egyenáramának szabályozására, amelyet a modern elektronikus tápkapcsolók tesznek praktikussá. Megtalálja a helyét az AC szecskázókban is. A terhelésre adott áram átlagos értékét a kapcsoló helyzete és állapotának időtartama szabályozza. Ha a kapcsoló bekapcsolási ideje hosszabb, mint a kikapcsolási ideje, akkor a terhelés viszonylag nagyobb teljesítményt kap. Így a PWM kapcsolási frekvenciának gyorsabbnak kell lennie.
A kapcsolást általában percenként többször kell elvégezni elektromos tűzhelyben, 120 Hz-es lámpavezérlőben, néhány kilohercstől (kHz) tízkHz-ig motorhajtás esetén. Az erősítők és a számítógép tápegységeinek kapcsolási frekvenciája körülbelül tíz-több száz kHz. Az ON idő és az impulzus időtartamának arányát munkaciklusnak nevezzük. Ha az üzemi ciklus alacsony, az alacsony teljesítményt jelent.
A kapcsolóeszköz áramvesztesége nagyon kicsi, a készülék kikapcsolt állapotában áramló áram elhanyagolható mennyisége és az elhanyagolható mértékű feszültségesés miatt KI állapotában. A digitális vezérlések PWM technikát is használnak. A PWM-et bizonyos kommunikációs rendszerekben is alkalmazták, ahol a munkaciklusát arra használták, hogy információt továbbítson egy kommunikációs csatornán.
A PWM segítségével beállítható a terhelésre leadott teljes energiamennyiség normál veszteségek nélkül, amikor az áramátadást rezisztív eszközökkel korlátozzák. A hátrányok az üzemi ciklus, a kapcsolási frekvencia és a terhelés tulajdonságai által meghatározott lüktetések. Megfelelően magas kapcsolási frekvenciával és szükség esetén további passzív elektronikus szűrők alkalmazásával az impulzusvonat simítható és visszanyerhető az átlagos analóg hullámforma. A nagyfrekvenciás PWM vezérlő rendszerek félvezető kapcsolókkal egyszerűen megvalósíthatók.
Mint már fentebb említettük, a kapcsoló szinte semmiféle áramot nem veszít el sem be-, sem kikapcsolt állapotban. A be- és kikapcsolt állapot közötti átmenet során azonban mind a feszültség, mind az áram nulla, és így a kapcsolókban jelentős teljesítmény eloszlik. Szerencsére a teljes be- és kikapcsolás közötti állapotváltozás meglehetősen gyors (jellemzően kevesebb, mint 100 nanoszekundum), a tipikus be- és kikapcsolási időkhöz képest, és így az átlagos teljesítmény-disszipáció meglehetősen kicsi a magas kapcsolási frekvenciák mellett is leadott teljesítményhez képest használt.
A PWM használata egyenáramú energia leadására a terheléshez
Az ipari folyamat nagy részét a hajtás sebességének bizonyos paraméterein kell futtatni. A sok ipari alkalmazásban használt elektromos meghajtórendszerek könnyebb kezelhetőségük miatt nagyobb teljesítményt, megbízhatóságot, változó sebességet igényelnek. Az DC motor fordulatszám-szabályozása fontos azokban az alkalmazásokban, ahol a pontosság és a védelem a legfontosabb. A motor fordulatszám-szabályozójának célja az előírt sebességet jelző jel vétele és a motor ezen a sebességen történő vezetése.
Az impulzusszélesség-moduláció (PWM), ahogyan a motorvezérlésre vonatkozik, az impulzusok egymás utáni leadásának egyik módja, nem pedig folyamatosan változó (analóg) jel. Az impulzusszélesség növelésével vagy csökkentésével a vezérlő szabályozza a motor tengelyébe áramló energiát. A motor saját induktivitása szűrőként működik, az „ON” ciklus alatt tárolja az energiát, miközben a bemeneti vagy a referenciajelnek megfelelő sebességgel engedi fel. Más szóval, az energia nem annyira a kapcsolási frekvencián, hanem a referencia frekvencián áramlik a terhelésbe.
Az áramkör a sebesség szabályozására szolgál DC motor PWM technika alkalmazásával. A 12 V sorozatú változó fordulatszámú motorvezérlő egy 555-ös időzítő IC-t használ PWM impulzusgenerátorként a DC12 Volt motorfordulatszám szabályozására. Az IC 555 a népszerű időzítő chip, amelyet időzítő áramkörök készítésére használnak. 1972-ben vezette be a Signetics. 555-nek hívják, mert három 5 K ellenállás van benne. Az IC két komparátorból áll, egy ellenállási láncból, egy Flip Flop és egy kimeneti fokozatból. 3 alapvető módban működik - Astable, Monostable (ahol egylépéses impulzusgenerátort és Bistable módot működtet. Vagyis amikor beindul, a kimenet egy időre magasra megy az időzítési ellenállás és a kondenzátor értékei alapján. Az Astable módban (AMV) az IC szabadon futó multivibrátorként működik. A kimenet folyamatosan magasan és alacsonyan fordul, hogy oszcillátorként pulzáló kimenetet nyújtson. A Bistable módban, Schmitt triggerként is ismert, az IC Flip-Flopként működik, magas vagy alacsony kimenet az egyes triggereken és visszaállítás.
Ebben az áramkörben az IRF540 MOSFET-et használják. Ez az N-Channel továbbfejlesztő MOSFET. Ez egy fejlett teljesítményű MOSFET, amelyet úgy terveztek, teszteltek és garantáltan ellenáll egy meghatározott energiaszintnek a meghibásodási lavina üzemmódban. Ezt a teljesítményű MOSFET-eket olyan alkalmazásokhoz tervezték, mint a kapcsolószabályozók, a kapcsoló-átalakítók, a motorvezérlők, a relé-meghajtók és a nagy teljesítményű bipoláris kapcsoló tranzisztorok meghajtói, amelyek nagy sebességet és alacsony kaputeljesítményt igényelnek. Ezek a típusok közvetlenül integrált áramkörökről működtethetők. Ennek az áramkörnek a működési feszültsége a hajtott egyenáramú motor igényeinek megfelelően állítható be. Ez az áramkör 5-18 VDC-től működhet.
Áramkör felett, azaz Az egyenáramú motor fordulatszám-szabályozása PWM segítségével technika megváltoztatja az üzemi ciklust, amely viszont szabályozza a motor fordulatszámát. Az IC 555 készüléket stabil, szabadon futó multi-vibrátorral csatlakoztatják. Az áramkör egy potenciométer és két dióda elrendezéséből áll, amelyek a munkaciklus megváltoztatására és a frekvencia állandó tartására szolgálnak. Mivel a változó ellenállás vagy potenciométer ellenállása változik, a MOSFET-re alkalmazott impulzusok munkaciklusa változik, ennek megfelelően változik a motor egyenfeszültsége, és így a sebesség növekszik a munkaciklus növekedésével.
A PWM használata a váltakozó áram feltöltéséhez
A modern félvezető kapcsolók, mint például a MOSFET vagy a szigetelt kapu bipoláris tranzisztorok (IGBT), meglehetősen ideális alkatrészek. Így nagy hatásfokú vezérlők építhetők. Az AC motorok vezérléséhez használt frekvenciaváltók hatékonysága általában jobb, mint 98%. A kapcsoló tápegységek alacsonyabb hatékonysággal rendelkeznek az alacsony kimeneti feszültségszintek miatt (mikroprocesszorokhoz gyakran még 2 V-nál is kevesebbre van szükség), de mégis több mint 70-80% -os hatékonyság érhető el.
Ez a fajta váltakozó áramú vezérlés a teljesítményről ismert késleltetett tüzelési szög módszer. Ez olcsóbb, és sok elektromos zajt és harmonikusokat generál, összehasonlítva a valódi PWM vezérléssel, amely elhanyagolható zajt fejleszt ki.
Számos alkalmazásban, például ipari fűtésnél, világításvezérlésnél, lágyindítású indukciós motoroknál és ventilátorok és szivattyúk fordulatszám-szabályozóinál változtatható váltóáramú feszültségre van szükség fix AC forrásból. A szabályozók fázisszög-szabályozását széles körben alkalmazták ezekhez a követelményekhez. Bizonyos előnyöket kínál, mint például a nagy energiamennyiség gazdaságos vezérlésének egyszerűsége és képessége. A késleltetett égési szög azonban folytonosságot és rengeteg harmonikát okoz a terhelési áramban, és a váltóáramú oldalon késleltetett teljesítménytényező lép fel, amikor az égési szög megnő.
Ezek a problémák javíthatók a PWM AC szecskázó használatával. Ez a PWM AC szecskázó számos előnyt kínál, például szinuszos bemeneti áramot, szinte egységnyi teljesítménytényezővel. A szűrő méretének csökkentése és a kimeneti szabályozó minőségének javítása érdekében azonban növelni kell a kapcsolási frekvenciát. Ez nagy kapcsolási veszteséget okoz. Egy másik probléma az S1 átadó kapcsoló és az S2 szabadonfutó kapcsoló közötti kommutáció. Az áramcsúcsot akkor okozza, ha mindkét kapcsolót egyszerre kapcsolják be (rövidzárlat), és a feszültségcsúcsot, ha a két kapcsolót kikapcsolják (nincs szabadonfutó út). E problémák elkerülése érdekében RC snubber-t használtak. Ez azonban növeli az áramellátás veszteségét, és nehéz, drága, terjedelmes és nem hatékony a nagy teljesítményű alkalmazásokhoz. Javasoljuk az AC szaggató nulla áramfeszültség-kapcsolással (ZCS-ZVS). A kimeneti feszültségszabályozójának változtatnia kell a kikapcsolási időt, amelyet a PWM jel vezérel. Ezért a lágy kapcsolás eléréséhez frekvenciavezérlés szükséges, és az általános vezérlő rendszerek a bekapcsolási időt előállító PWM technikákat használják. Ennek a technikának olyan előnyei vannak, mint az egyszerű vezérlés sigma-delta modulációval, és folytatja a bemeneti áramot. Az alábbiakban bemutatjuk a javasolt áramköri konfiguráció jellemzőit és a PWM aprított mintázatát.
