Mis on PWM, kuidas seda mõõta

PWM tähistab impulsi laiuse modulatsiooni, mis tähistab impulsi laiuste muutuvat olemust, mida võidakse genereerida konkreetsest allikast nagu diskreetne IC, MCU või transistoriga vooluahel.

Mis on PWM

Lihtsamalt öeldes pole PWM-i protsess midagi muud kui toitepinge sisse- ja väljalülitamine kindla kiirusega, millel on erinevad sisse- ja väljalülitamise ajastussuhted, siin võib pinge sisselülitamise pikkus olla suurem, väiksem või võrdne lüliti väljalülitamise pikkusega.

Näiteks võib PWM koosneda pingest, mis on fikseeritud sisse- ja väljalülitamiseks kiirusega 2 sekundit ON 1 sekund OFF, 1 sekund ON 2 sekundit OFF või 1 sekund ON, 1 sekund OFF.

Kui seda toitepinge ON / OFF-määra optimeeritakse erinevalt, ütleme, et pinge on PWM või impulsi laius moduleeritud.

Teil kõigil peab olema juba tuttav, kuidas püsiv alalisvoolu potentsiaal ilmub pinge v / s ajagraafikul, nagu allpool näidatud:

Ülaltoodud pildil näeme sirget joont 9V tasemel, see saavutatakse seetõttu, et 9V tase ei muutu aja suhtes ja seetõttu oleme võimelised sirgjooneliseks tunnistama.

Kui see 9V iga 1 sekundi järel sisse ja välja lülitatakse, näeks ülaltoodud graafik seda välja:

Näeme selgelt, et nüüd ei ole 9V liin enam kui iga 1 sekundi järel sirgjooneline plokkide vormija, kuna 9V lülitatakse vaheldumisi iga sekundi järel sisse ja välja.

Ülaltoodud jäljed näevad välja nagu ristkülikukujulised plokid, sest kui 9V lülitatakse sisse ja välja, on toimingud kohesed, mis paneb 9V ootamatult nulltasemele ja seejärel ootamatult 9V tasemele, moodustades seeläbi graafikul ristkülikukujulised kujundid.

Ülaltoodud tingimusest tuleneb pulseeriv pinge, millel on kaks mõõdetavat parameetrit: tipp- ja keskmine pinge või RMS-pinge.

Tipp ja keskmine pinge

Esimesel pildil on tipppinge ilmselgelt 9V ja keskmine pinge on ka 9V lihtsalt seetõttu, et pinge on pidev ilma katkestusteta.

Teisel pildil, ehkki pinge lülitatakse sisse / välja 1 Hz sagedusega (1 sekund ON, 1 sekund OFF), on tipp siiski võrdne 9V-ga, kuna tipp on ON perioodidel alati 9V märgini jõudmas. Kuid keskmine pinge pole siin 9 V, pigem 4,5 V, kuna pinge muutmine ja purunemine toimub 50% kiirusega.

PWM-i aruteludes nimetatakse seda ON / OFF-määra PWM-i töötsükliks, seega ülaltoodud juhul on see 50% -line töötsükkel.

Kui mõõdate PWM-i digitaalse multimeetriga alalisvoolu vahemikus, saate alati arvesti keskmise väärtuse.

Uued harrastajad ajavad selle lugemisega sageli segamini ja võtavad seda kui tippväärtust, mis on täiesti vale.

Nagu ülalpool selgitatud, on PWM-i tippväärtus enamasti võrdne vooluahelasse sisestatud toitepingega, samas kui loenduri keskmine volati on PWM-ide ON / OFF-perioodide keskmine.

Mosfeti vahetamine PWM-iga

Nii et kui vahetate mosfetti PWM-iga ja leiate, et värava pinge on näiteks 3 V, ärge paanitsege, kuna see võib olla ainult arvesti näidatud keskmine pinge, võib tipppinge olla sama kõrge kui teie vooluahel Pinge.

Seetõttu võib eeldada, et mosfet töötab nende tippväärtuste kaudu hästi ja täielikult ning keskmine pinge mõjutab ainult selle juhtivusperioodi, mitte seadme lülitamise spetsifikatsioone.

Nagu me eelmistes lõikudes arutlesime, hõlmab PWM põhimõtteliselt impulsi laiuste muutmist, teisisõnu alalisvoolu sisse- ja väljalülitamise perioode.

Oletame näiteks, et soovite PWM-väljundit, mille SISSE-aeg on 50% vähem kui SISSE-aeg.

Oletame, et teie valitud ON-aeg on 1/2 sekundit, siis on OFF-aeg võrdne 1 sekundiga, mis tooks kaasa töötsükli 1/2 sekundit ON ja 1 sekund OFF, nagu võib näha järgmiselt skeemilt .

PWM-i töötsükli analüüsimine

Selles näites on PWM-id optimeeritud tippvoolu 9 V, kuid keskmine pinge 3,15 V tekitamiseks, kuna ON-aeg on vaid 35% ühest täielikust ON / OFF-tsüklist.

Üks täielik tsükkel viitab ajaperioodile, mis võimaldab antud impulsil täita ühe täis ON ja ühe OFF aja.

Samamoodi võib kavatseda optimeerida sageduse impulsi laiust järgmiste andmetega:

Siin võib näha, et ON-aeg on ühe tsükli jooksul pikenenud kui OFF-aeg 65%, seetõttu saab siin pinge keskmiseks väärtuseks 5,85 V.

Eespool käsitletud keskmist pinget nimetatakse ka pinge efektiivväärtuseks ehk ruutkeskmiseks väärtuseks.

Kuna need kõik on ristkülikukujulised või ruudukujulised impulsid, saab RMS-i arvutada, korrutades töötsükli protsendi tipppingega.

PWM-i optimeerimine Sinewave'i simuleerimiseks

Kui aga PWM on optimeeritud vahelduvvoolu impulsi simuleerimiseks, muutub RMS arvutamine veidi keerukaks.

Võtame järgmise PWM-i näite, mis on optimeeritud muutma selle laiust vastavalt sinusoidse vahelduvvoolu signaali erinevale amplituudile või tasemele.

Selle kohta saate lisateavet ühe minu eelmise artikli kaudu, kus ma selgitasin, kuidas IC 555 saab kasutada siinusekvivalendi PWM väljundi genereerimine .

Nagu ülaltoodud pildil näeme, muutub impulsside laius siinuslaine hetketaseme suhtes. Kui siinuslaine kipub jõudma tippu, muutub impulsi vastav laius laiemaks ja vastupidi.

SPWM-i kasutamine

See näitab, et kuna siinuslaine pinge tase muutub aja jooksul pidevalt, muutuvad ka PWM-id aja jooksul, muutes pidevalt selle laiusi. Sellist PWM-i nimetatakse ka SPWM-ks või siinuslaine impulsi laiuse modulatsiooniks.

Seega ülaltoodud juhul ei ole impulsid kunagi konstantsed, pigem muutuvad nende laiused aja jooksul erinevalt.

See muudab selle RMS või keskmise väärtuse arvutamise veidi keerukaks ja me ei saa RMS saavutamiseks lihtsalt korrutada töötsüklit siin oleva tipppingega.

Ehkki tegelik RMS-avaldise tuletamise valem on üsna keeruline, muutub lõplik rakendamine pärast asjakohaseid tuletisi üsna lihtsaks.

PWM RMS pinge arvutamine

Seega võib erineva PWM-pinge RMS-i arvutamiseks siinuslainele vastamiseks korrutada 0,7 (konstant) tipppingega.

Niisiis saame 9V piigi jaoks 9 x 0,7 = 6,3 V, see on siinuslainet simuleeriva 9 V piigi kuni tipu PWM keskmine väärtus.

PWM-i roll elektroonilistes vooluringides?

Leiate, et PWM-i kontseptsioon on sisuliselt seotud
vooluahela konstruktsioonid, milles on kaasatud induktiivpoolid, eriti buck-boost topoloogiad, näiteks SMPS , MPPT, LED-draiverite ahelad jne

Ilma induktiivpoolita ei pruugi PWM-funktsioonil antud vooluringis olla tegelikku väärtust ega rolli, seda seetõttu, et ainult induktiivpoolil on omane omadus muuta erineva impulsi laius samaväärseks astmeliseks (suurendatud) või langetatuks (kinnitatud) pinge või vool, mis saab PWM-tehnoloogia terviklikuks ideeks.

PWM-i kasutamine induktoritega

Et mõista, kuidas PWM mõjutab induktori väljundit pinge ja voolu osas, oleks kõigepealt oluline teada saada, kuidas induktor käitub pulseeriva pinge mõjul.

Ühes oma eelmises postituses selgitasin kuidas buck boost circuit töötab , see on klassikaline näide demonstreerimaks, kuidas PWM-e või erineva impulsi laiusega saab kasutada induktori väljundit.

On hästi teada, et oma olemuselt on induktor alati vastu pinge järsule rakendamisele ja võimaldab sellel läbida ainult teatud aja pärast, sõltuvalt selle mähise omadustest, ja selle protsessi käigus salvestab see ekvivalentse hulga energiat seda.

Kui ülaltoodud protsessi käigus lülitatakse pinge äkki välja, ei suuda induktor uuesti rakendatud pinge selle ootamatu kadumisega toime tulla ja üritab seda tasakaalustada, vabastades selles oleva salvestatud voolu.

Induktori reaktsioon PWM-le

Niisiis püüab induktor voolu salvestades seista vastu pinge sisselülitamisele ja püüab pinge ootamatu väljalülitamise korral tasa teha, lüües salvestatud energia süsteemi tagasi.

Seda tagasilööki nimetatakse induktiivpooli tagumiseks EMFiks ja selle energia sisu (pinge, vool) sõltub induktori mähise spetsifikatsioonidest.

Põhimõtteliselt otsustab pöörete arv, kas elektromagnetväli peaks olema kõrgem pingest kui toitepinge või madalam kui toitepinge, ja traadi paksus otsustab voolu suuruse, mida induktor suudab anda.

Ülaltoodud induktiivpoolil on veel üks aspekt, see on pinge ON / OFF perioodide ajastus.

Seal muutub PWM-i kasutamine ülioluliseks.

Ehkki pöörete arv määrab põhimõtteliselt konkreetse toote väljundväärtused, võivad need ka soovi korral erineda, kui optimeeritud PWM-i sisestada induktor.

Muutuva PWM-i kaudu võime sundida induktorit genereerima / teisendama pingeid ja voolusid mis tahes soovitud kiirusega, kas suurendatud pingena (vähendatud vool) või suurendatud vooluna (vähendatud pinge) või vastupidi.

Mõnes rakenduses võib PWM-i kasutada ka ilma induktiivpoolita, näiteks LED-valgustuse hämardamiseks või MCU taimeri ahelates, kus väljundit võib optimeerida pinge tekitamiseks erinevatel lülititel ON, lülitage välja lülitusperioodid koormuse juhtimiseks vastavalt kavandatud töö spetsifikatsioonid.