Impulsi laiuse modulatsioon (PWM)

PWM-i kasutamine lülitustehnikana

Pulsilaiuse modulatsioon (PWM) on üldkasutatav tehnika elektriseadme alalisvoolu juhtimiseks, mille kaasaegsed elektroonilised toitelülitid muudavad praktiliseks. Kuid see leiab oma koha ka vahelduvvoolu hakkimismasinates. Koormusele antava voolu keskmist väärtust kontrollib lüliti asend ja selle oleku kestus. Kui lüliti sisselülitusaeg on pikem kui väljalülitusperiood, saab koormus suhteliselt suurema võimsuse. Seega peab PWM-i lülitussagedus olema kiirem.

Tavaliselt tuleb ümberlülitamine elektripliidil toimuda mitu korda minutis, lambi dimmeris 120 Hz, mootori ajami puhul mõnest kilohertsist (kHz) kümneni kHz. Helivõimendite ja arvuti toiteallikate lülitussagedus on umbes kümme kuni sadu kHz. Sisselülitatud aja ja impulsi ajavahemiku suhet nimetatakse töötsükliks. Kui töötsükkel on madal, tähendab see väikest võimsust.

Lülitusseadme võimsuskadu on seadme väljalülitatud olekus voolava voolu peaaegu tühise hulga ja väljalülitatud olekus tühise pingelanguse tõttu väga väike. Digitaalsed juhtelemendid kasutavad ka PWM-tehnikat. PWM-i on kasutatud ka teatud sidesüsteemides, kus selle töötsüklit on kasutatud teabe edastamiseks sidekanalil.

PWM-i saab kasutada koormusele tarnitud koguenergia koguse reguleerimiseks ilma kadudeta, mis tavaliselt tekivad, kui jõuülekanne on takistatud takistuslike vahenditega. Puudused on töötsükli, lülitussageduse ja koormuse omadustega määratletud pulsatsioonid. Piisavalt kõrge lülitussagedusega ja vajadusel täiendavate passiivsete elektrooniliste filtrite abil saab pulsirongi siluda ja taastada keskmise analooglaine kuju. Kõrgsageduslikke PWM-juhtimissüsteeme saab hõlpsasti rakendada pooljuhtlülitite abil.

Nagu juba eespool öeldud, lüliti ei hajuta peaaegu ühtegi toitu sisse- ega väljalülitatud olekus. Kuid sisse- ja väljalülitatud olekute vaheliste üleminekute ajal on nii pinge kui ka vool nullist erinev ja seega hajutatakse lülitites märkimisväärne võimsus. Õnneks on oleku muutus täielikult sisse- ja väljalülitamise vahel üsna kiire (tavaliselt vähem kui 100 nanosekundit) tavaliste sisse- ja väljalülitusaegade suhtes ning seega on keskmine võimsuse hajumine üsna madal võrreldes edastatud võimsusega isegi siis, kui kõrged lülitussagedused kasutatakse.

PWM-i kasutamine alalisvoolu laadimiseks

Suurem osa tööstuslikust protsessist peab käima ajami kiiruse kindlate parameetrite alusel. Paljudes tööstuslikes rakendustes kasutatavad elektriajamiga süsteemid nõuavad oma hõlpsasti juhitavuse tõttu suuremat jõudlust, töökindlust, muutuvat kiirust. The alalisvoolumootori kiiruse reguleerimine on oluline rakendustes, kus täpsus ja kaitse on esmatähtsad. Mootori kiiruse regulaatori eesmärk on võtta vajalikku kiirust tähistav signaal ja juhtida mootorit sellel kiirusel.

Impulsilaiuse modulatsioon (PWM), nagu see kehtib mootori juhtimise kohta, on energia edastamise viis impulsside järjestuse kaudu, mitte pidevalt muutuva (analoog) signaali kaudu. Impulssilaiuse suurendamise või vähendamise abil reguleerib regulaator mootori võlli energia voogu. Mootori enda induktiivsus toimib nagu filter, salvestades energiat sisselülitatud tsükli ajal, vabastades samal ajal sisendi- või võrdlussignaalile vastava kiirusega. Teisisõnu, energia voolab koormusse mitte niivõrd lülitussagedusega, vaid võrdlussagedusega.

Vooluringi kasutatakse kiiruse kontrollimiseks Alalisvoolumootor kasutades PWM tehnikat. Seeria muutuva kiirusega alalisvoolumootori kontroller 12V kasutab mootori kiiruse DC12 V reguleerimiseks PWM-impulssigeneraatorina taimeri 555 taimerit. IC 555 on populaarne taimeri kiip, mida kasutatakse taimerahelate valmistamiseks. Selle tutvustas 1972. aastal Signetics. Seda nimetatakse 555-ks, kuna sees on kolm 5 K takistit. IC koosneb kahest komparaatorist, takisti ahelast, Flip Flopist ja väljundastmest. See töötab kolmes põhirežiimis - stabiilne, monostabiilne (kus see töötab ühe löögiga impulssgeneraatorina ja bistabiilse režiimina. See tähendab, et kui see käivitatakse, läheb väljund aja jooksul kõrgeks ajastustakisti ja kondensaatori väärtuste põhjal. Astable mode (AMV), IC töötab vabalt töötava multivibraatorina. Väljund pöörleb pidevalt kõrgeks ja madalaks, et anda pulseeriv väljund ostsillaatorina. Bistable režiimis, mida tuntakse ka kui Schmitti päästikut, töötab IC kõrge flip-flopina või madala väljundiga igal päästikul ja lähtestage.

Selles vooluringis kasutatakse IRF540 MOSFET-i. See on N-Channel täiustusega MOSFET. See on täiustatud võimsusega MOSFET, mis on projekteeritud, testitud ja garanteeritud taluma kindlat energiataset lagunemislaviini töörežiimis. See võimsus MOSFET on mõeldud sellistele rakendustele nagu regulaatorite lülitamine, muundurite muundamine, mootori draiverid, relee draiverid ja suure võimsusega bipolaarsete kommutaatortransistoride draiverid, mis vajavad suurt kiirust ja madala värava ajami võimsust. Neid tüüpe saab juhtida otse integraallülitustest. Selle vooluahela tööpinget saab reguleerida vastavalt juhitava alalisvoolumootori vajadustele. See vooluahel võib töötada vahemikus 5-18 VDC.

Üle vooluringi s.t. Alalisvoolumootori kiiruse reguleerimine PWM-i abil tehnika muudab töötsüklit, mis omakorda reguleerib mootori kiirust. IC 555 on ühendatud astabrežiimis vabalt töötava mitme vibraatoriga. Vooluring koosneb potentsiomeetri ja kahe dioodi paigutusest, mida kasutatakse töötsükli muutmiseks ja sageduse konstantsena hoidmiseks. Kuna muutuva takisti või potentsiomeetri takistus on erinev, varieerub MOSFET-ile rakendatud impulsside töötsükkel ja vastavalt sellele varieerub mootori alalisvool ja seega suureneb selle töökiirus töötsükli suurenemisega.

PWM-i kasutamine vahelduvvoolu laadimiseks

Kaasaegsed pooljuhtlülitid, näiteks MOSFETid või isoleeritud värava bipolaarsed transistorid (IGBT), on üsna ideaalsed komponendid. Seega saab ehitada kõrge kasuteguriga kontrollereid. Tavaliselt on vahelduvvoolumootorite juhtimiseks kasutatavate sagedusmuundurite kasutegur parem kui 98%. Lülitavatel toiteallikatel on madal väljundpinge tõttu madalam efektiivsus (mikroprotsessorite jaoks on sageli vaja isegi alla 2 V), kuid siiski on võimalik saavutada üle 70–80% -lise efektiivsuse.

Selline vahelduvvoolu juhtimine on võimsusest tuntud viivitatud tulenurga meetod. See on odavam ning tekitab palju elektrilist müra ja harmoonilisi jooni võrreldes tegeliku PWM-juhtimisega, mis tekitab tühist müra.

Paljudes rakendustes, näiteks tööstuslik küte, valgustuse juhtimine, pehme käivitamise induktsioonmootorid ning ventilaatorite ja pumpade kiiruseregulaatorid, vajavad muutuva vahelduvpinge fikseeritud vahelduvvooluallikast. Nende nõuete jaoks on regulaatorite faasinurga juhtimist laialdaselt kasutatud. See pakub mõningaid eeliseid, nagu lihtsus ja võime majandada suures koguses energiat. Viivitatud laskenurk põhjustab aga koormusvoolu katkematust ja rohkesti harmoonilisi ning laskenurga suurenemisel tekib vahelduvvoolu poolel mahajäämus.

Neid probleeme saab parandada PWM AC hakkuri abil. See PWM vahelduvvoolu hakkur pakub mitmeid eeliseid, nagu näiteks sinusoidaalne sisendvool peaaegu ühtse võimsusteguriga. Filtri suuruse vähendamiseks ja väljundregulaatori kvaliteedi parandamiseks tuleks lülitussagedust siiski suurendada. See põhjustab suuri lülituskadusid. Teine probleem on kommuteerimine ülekandelüliti S1 ja vabakäigulüliti S2 vahel. See põhjustab praeguse piigi, kui mõlemad lülitid on korraga sisse lülitatud (lühis), ja pinge, kui mõlemad lülitid on välja lülitatud (vabakäigutee puudub). Nende probleemide vältimiseks kasutati RC snubberit. See aga suurendab vooluahela kadu ja on suure võimsusega rakenduste jaoks keeruline, kallis, mahukas ja ebaefektiivne. Pakutakse välja vahelduvvoolu hakkuri nullvoolulülitiga (ZCS-ZVS). Selle väljundpinge regulaator peab muutma väljalülitusaega, mida kontrollib PWM-signaal. Seega on pehme lülitamise saavutamiseks vaja kasutada sageduse juhtimist ja üldised juhtimissüsteemid kasutavad sisselülitusaega tekitavaid PWM-tehnikaid. Sellel tehnikal on eelised, nagu lihtne juhtimine sigma-delta modulatsiooniga ja jätkab sisendvoolu. Kavandatud vooluahela konfiguratsiooni omadused ja PWM-i tükeldatud mustrid on esitatud allpool.