Mi a PWM, hogyan kell mérni

A PWM az impulzusszélesség-modulációt jelenti, amely jelzi az impulzusszélességek változó jellegét, amelyek adott forrásból, például diszkrét IC-ből, MCU-ból vagy tranzisztoros áramkörből generálhatók.

Mi a PWM

Egyszerűbben fogalmazva, a PWM folyamat nem más, mint a tápfeszültség be- és kikapcsolása bizonyos sebességgel, különböző BE / KI időzítési arányokkal, itt a feszültség kapcsoló BE hossza lehet nagyobb, kisebb vagy egyenlő a kapcsoló KI hosszával.

Például a PWM tartalmazhat egy feszültséget, amely rögzítve van a be- és kikapcsoláshoz 2 másodperc BE 1 másodperc KI, 1 másodperc BE 2 másodperc KI vagy 1 másodperc BE, 1 másodperc KI sebességgel.

Ha ezt a tápfeszültség ON / OFF sebességét másképp optimalizáljuk, akkor azt mondjuk, hogy a feszültség PWM vagy impulzusszélesség modulált.

Mindannyian ismerniük kell, hogy az állandó DC potenciál hogyan jelenik meg a feszültség v / s időgrafikonján az alábbiak szerint:

A fenti képen egyeneset láthatunk 9V-os szinten, ezt azért érjük el, mert a 9V-os szint nem változik az idő függvényében, ezért képesek vagyunk egyenes vonal tanúi lenni.

Ha ezt a 9 V-ot minden másodperc után be- és kikapcsolják, akkor a fenti grafikon így néz ki:

Világosan láthatjuk, hogy most a 9V-os vonal már nem egyenes vonalértékelő blokkok formájában 1 másodperc után, mivel a 9V-ot minden másodperc után felváltva kapcsolják be és ki.

A fenti nyomok téglalap blokkoknak tűnnek, mivel a 9 V be- és kikapcsolásakor a műveletek azonnaliak, ami hirtelen a 9 V-t nullára, majd hirtelen a 9 V szintre emeli, ezáltal téglalap alakú alakzatokat képezve a grafikonon.

A fenti feltétel pulzáló feszültséget eredményez, amelynek két mérendő paramétere van: a csúcsfeszültség és az átlagos feszültség vagy az effektív effektív feszültség.

Csúcs és átlagos feszültség

Az első képen a csúcsfeszültség nyilvánvalóan 9V, és az átlagos feszültség is 9V egyszerűen azért, mert a feszültség állandó, törés nélkül.

Ugyanakkor a második képen, bár a feszültséget 1 Hz-es frekvencián (1 másodperc BE, 1 másodperc KI) kapcsolják be / ki, a csúcs akkor is megegyezik 9 V-mal, mert a csúcs az ON időszakokban mindig eléri a 9 V-os jelet. De az átlagos feszültség itt nem 9V, inkább 4,5V, mert a feszültség gyártása és megszakítása 50% -os sebességgel történik.

A PWM megbeszélések során ezt az ON / OFF arányt hívják a PWM munkaciklusának, ezért a fenti esetben ez 50% -os munkaciklus.

Ha egy digitális multiméterrel mért PWM-et DC tartományban mindig megkapja az átlagos értéket a mérőn.

Az új hobbisták gyakran összetévesztik ezt az olvasatot, és csúcsértéknek veszik, ami teljesen téves.

Amint azt a fentiekben kifejtettük, a PWM csúcsértéke többnyire megegyezik az áramkörbe táplált tápfeszültséggel, míg a mérőeszköz átlagos volatge a PWM-ek ON / OFF periódusainak átlaga lesz.

Mosfet kapcsolása PWM-mel

Tehát, ha PWM-mel kapcsolunk egy mosfet-et, és a kapu feszültsége például 3V, akkor ne essen pánikba, mivel ez csak a mérő által jelzett átlagos feszültség lehet, a csúcsfeszültség elérheti az áramkörét feszültség.

Ezért várható, hogy a mosfet jól és teljes mértékben teljesít ezen csúcsértékeken keresztül, és az átlagos feszültség csak a vezetési periódusát befolyásolja, nem pedig a készülék kapcsolási jellemzőit.

Amint azt az előző szakaszokban tárgyaltuk, a PWM alapvetően magában foglalja az impulzusszélességek változtatását, más szóval a DC ON és OFF periódusait.

Tegyük fel, hogy például egy PWM kimenetet akar, amelynek ON ideje 50% -kal kevesebb, mint az ON ideje.

Tegyük fel, hogy a kiválasztott ON idő 1/2 másodperc, akkor a kikapcsolási idő egyenlő lenne 1 másodperccel, ami 1/2 másodperces ON és 1 másodperces OFF ciklust eredményezne, amint az a következő ábrán látható .

A PWM munkaciklusának elemzése

Ebben a példában a PWM-ek úgy vannak optimalizálva, hogy 9 V csúcsfeszültséget, de átlagosan 3,15 V feszültséget állítsanak elő, mivel az ON idő csupán egy teljes teljes ON / OFF ciklus 35% -a.

Egy teljes ciklus arra az időtartamra vonatkozik, amely lehetővé teszi az adott impulzus számára, hogy teljes teljes ON és OFF állapotát teljesítse.

Hasonlóképpen a következő adatokkal kívánja optimalizálni a frekvencia impulzusszélességét:

Itt látható, hogy az ON idő egy teljes ciklus alatt 65% -kal nőtt, mint a kikapcsolási idő, ezért itt a feszültség átlagos értéke 5,85 V lesz.

A fent tárgyalt átlagos feszültséget RMS-nek vagy a feszültség négyzetértékének középértékének is nevezzük.

Mivel ezek mind téglalap vagy négyzet alakú impulzusok, az effektív értéket egyszerűen úgy lehet kiszámítani, hogy a munkaciklus százalékát megszorozzuk a csúcsfeszültséggel.

A PWM optimalizálása a Sinewave szimulálására

Azokban az esetekben azonban, amikor a PWM-et egy váltakozó áramú impulzus szimulálására optimalizálják, az RMS kiszámítása kissé összetettebbé válik.

Vegyünk egy példát a következő PWM-re, amely úgy van optimalizálva, hogy szélességét a szinuszos AC jel változó amplitúdójának vagy szintjének megfelelően változtassa meg.

Tudjon meg többet erről az egyik korábbi cikkemben, ahol elmagyaráztam, hogyan használható az IC 555 szinusz hullám egyenértékű PWM kimenetet generál .

Amint a fenti képen láthatjuk, az impulzusok szélessége változik a szinusz hullám pillanatnyi szintjéhez viszonyítva. Amint a szinusz hullám eléri a csúcsot, az impulzus megfelelő szélessége szélesebbé válik és fordítva.

Az SPWM használata

Ez azt jelzi, hogy mivel a szinusz hullám feszültségszintje folyamatosan változik az idővel, a PWM-ek is változnak az idővel, folyamatosan változtatva annak szélességét. Az ilyen PWM-et SPWM-nek vagy Sinewave impulzusszélesség-modulációnak is nevezik.

Így a fenti esetben az impulzusok soha nem állandóak, inkább változik a szélességük az idő függvényében.

Ez kissé bonyolulttá teszi az effektív értékét vagy az átlagérték kiszámítását, és az effektív érték eléréséhez nem egyszerűen meg tudjuk szorozni az üzemi ciklust a csúcsfeszültséggel.

Bár az RMS kifejezés levezetésének tényleges képlete meglehetősen összetett, a megfelelő levezetések után a végső megvalósítás valóban nagyon egyszerű.

PWM effektív feszültségének kiszámítása

Így a változó PWM feszültség effektív értékének kiszámításához egy szinuszhullámra válaszul megszerezhetjük a 0,7 (állandó) szorzatot a csúcsfeszültséggel.

Tehát egy 9 V-os csúcsra 9 x 0,7 = 6,3 V-ot kapunk, ez az effektív effektív feszültség, vagy egy szinusz hullámot szimuláló 9 V csúcs és csúcs PWM átlagos értéke.

A PWM szerepe az elektronikus áramkörökben?

Meg fogja találni, hogy a PWM koncepció lényegében társul a
áramköri kivitelek, amelyekben induktorok vannak, különösképpen a buck boost topológiák, például inverterek, SMPS , MPPT, LED meghajtó áramkörök stb.

Induktor nélkül előfordulhat, hogy a PWM funkciónak nincs valódi értéke vagy szerepe egy adott áramkörben, ez azért van, mert csak egy induktor rendelkezik azzal a sajátossággal, hogy a változó impulzusszélességet egyenértékűre fokozottá (fokozottá) vagy lefelé (lefelé) alakítsa át. feszültség vagy áram, amely a PWM technológia teljes és egyetlen gondolatává válik.

A PWM használata induktorokkal

Annak megértéséhez, hogy a PWM hogyan befolyásolja az induktor kimenetét a feszültség és az áram tekintetében, először is fontos lenne megismerni, hogy az induktor hogyan viselkedik a pulzáló feszültség hatására.

Az egyik korábbi bejegyzésemben kifejtettem hogyan működik a buck boost áramkör , ez egy klasszikus példa annak bemutatására, hogyan lehet a PWM-eket vagy a változó impulzusszélességet használni az induktív kimenet méretezéséhez.

Köztudott, hogy „természeténél fogva” az induktor mindig ellenzi a feszültség hirtelen átterjedését rajta, és csak bizonyos idő elteltével engedi átmenni a tekercselési jellemzőitől függően, és e folyamat során ekvivalens energiát tárol a azt.

Ha a fenti folyamat során a feszültség hirtelen kikapcsol, az induktor ismét képtelen megbirkózni az alkalmazott feszültség ezen hirtelen eltűnésével, és megpróbálja kiegyenlíteni a benne tárolt áram felszabadításával.

Az induktor reakciója a PWM-re

Így az induktor megpróbálja ellenállni a feszültség bekapcsolásának az áram tárolásával, és megpróbál kiegyenlíteni a feszültség hirtelen kikapcsolására reagálva azáltal, hogy a tárolt energiát visszarúgja a rendszerbe.

Ezt a visszarúgást egy induktor hátsó EMF-jének hívják, és ennek az energiának a tartalma (feszültség, áram) az induktor tekercselési jellemzőitől függ.

Alapvetően a fordulatok száma dönti el, hogy az EMF legyen-e magasabb feszültségű, mint a tápfeszültség, vagy alacsonyabb, mint a tápfeszültség, és a vezeték vastagsága dönti el, hogy az induktor milyen áramot tud nyújtani.

Van még egy szempont a fenti induktivitásról, amely a feszültség ON / OFF periódusainak időzítése.

Itt válik döntővé a PWM használata.

Noha a fordulatok száma alapvetően meghatározza az adott kimeneti értékeket, ezek tetszés szerint változhatnak azáltal is, hogy egy optimalizált PWM intro-t induktorral táplálnak.

Változó PWM-en keresztül kényszeríthetjük az induktort arra, hogy tetszőleges sebességgel generálja / alakítsa át a feszültségeket és áramokat, akár fokozott feszültségként (csökkentett áram), akár fokozott áramként (csökkentett feszültség), vagy fordítva.

Bizonyos alkalmazásokban a PWM induktor nélkül is használható, például egy LED-es fény tompítására, vagy MCU időzítő áramkörökben, ahol a kimenet optimalizálható, hogy feszültséget állítson elő különböző bekapcsoláskor, kikapcsolási periódusok a terhelés szabályozásához tervezett működési előírásai.