PWM: n käyttö kytkentätekniikkana
Pulssileveyden modulaatio (PWM) on yleisesti käytetty tekniikka sähkölaitteen DC-tehon yleiseen ohjaamiseen, mikä on käytännöllistä nykyaikaisilla elektronisilla virtakytkimillä. Kuitenkin se löytää paikkansa myös AC-hakkurissa. Kuormalle syötetyn virran keskiarvoa ohjataan kytkimen asennolla ja sen tilan kestolla. Jos kytkimen Päällä-aika on pidempi kuin sen sammutusjakso, kuorma saa suhteellisen suuremman tehon. Siksi PWM-kytkentätaajuuden on oltava nopeampi.
Tyypillisesti kytkentä on tehtävä useita kertoja minuutissa sähköliedessä, 120 Hz lampun himmentimessä, muutamasta kilohertsista (kHz) kymmeniin kHz moottorikäyttöön. Äänivahvistimien ja tietokoneen virtalähteiden kytkentätaajuus on noin kymmenestä sataan kHz. ON-ajan suhde pulssin aikajaksoon tunnetaan toimintajaksona. Jos käyttöjakso on pieni, se tarkoittaa matalaa tehoa.
Kytkentälaitteen tehohäviö on hyvin pieni johtuen melkein merkityksettömästä virran määrästä, joka virtaa laitteen sammutustilassa ja merkityksettömästä jännitehäviöstä sen OFF-tilassa. Digitaalisissa ohjauksissa käytetään myös PWM-tekniikkaa. PWM: ää on käytetty myös tietyissä viestintäjärjestelmissä, joissa sen käyttöjaksoa on käytetty tiedon välittämiseen tietoliikennekanavalla.
PWM: ää voidaan käyttää säätämään kuormalle toimitetun tehon kokonaismäärä ilman normaalisti menetyksiä, kun tehonsiirtoa rajoitetaan resistiivisin keinoin. Haitat ovat sykkeet, jotka määritellään kuormituksen, kytkentätaajuuden ja kuorman ominaisuuksien perusteella. Riittävän korkealla kytkentätaajuudella ja tarvittaessa käyttämällä muita passiivisia elektronisia suodattimia pulssijuna voidaan tasoittaa ja keskimääräinen analoginen aaltomuoto palauttaa. Suurtaajuiset PWM-ohjausjärjestelmät voidaan helposti toteuttaa puolijohdekytkimillä.
Kuten edellä on jo todettu, kytkin ei hävitä melkein mitään virtaa joko päälle- tai pois-tilassa. On ja off-tilojen välisten siirtymien aikana sekä jännite että virta ovat nollasta poikkeavia ja siten kytkimissä haihdutetaan huomattava teho. Onneksi tilanmuutos täysin päälle ja pois päältä on melko nopeaa (tyypillisesti alle 100 nanosekuntia) verrattuna tyypillisiin päälle- ja poiskytkentäaikoihin, joten keskimääräinen tehohäviö on melko pieni verrattuna toimitettuun tehoon, vaikka korkeat kytkentätaajuudet käytetään.
PWM: n käyttö tasavirran toimittamiseksi kuormitettavaksi
Suurin osa teollisesta prosessista on suoritettava tietyillä taajuusmuuttajan nopeuden parametreilla. Monissa teollisissa sovelluksissa käytettävät sähkökäyttöjärjestelmät vaativat suurempaa suorituskykyä, luotettavuutta, vaihtelevaa nopeutta, koska ne ovat helposti hallittavissa. DC-moottorin nopeuden säätö on tärkeä sovelluksissa, joissa tarkkuus ja suojaus ovat olennaisen tärkeitä. Moottorin nopeudensäätimen tarkoituksena on ottaa vaadittua nopeutta edustava signaali ja ajaa moottoria tällä nopeudella.
Pulssinleveyden modulointi (PWM) on moottorin ohjaukseen soveltuva tapa tuottaa energiaa peräkkäisten pulssien kautta jatkuvasti vaihtelevan (analogisen) signaalin sijaan. Lisäämällä tai pienentämällä pulssin leveyttä säädin säätelee energian virtausta moottorin akseliin. Moottorin oma induktanssi toimii kuin suodatin, joka varastoi energiaa ON-syklin aikana samalla kun vapauttaa sitä tulo- tai vertailusignaalia vastaavalla nopeudella. Toisin sanoen energia virtaa kuormitukseen niin paljon kuin kytkentätaajuus, vaan vertailutaajuudella.
Piiriä käytetään nopeuden säätämiseen DC-moottori käyttämällä PWM-tekniikkaa. Sarjan vaihtuvanopeuksinen tasavirtamoottorin ohjain 12V käyttää 555-ajastinpiiriä PWM-pulssigeneraattorina moottorin nopeuden DC12 voltin säätämiseen. IC 555 on suosittu ajastinpiiri, jota käytetään ajastinpiirien tekemiseen. Signetics esitteli sen vuonna 1972. Sitä kutsutaan nimellä 555, koska sisällä on kolme 5 K: n vastusta. IC koostuu kahdesta vertailijasta, vastusketjusta, kiikkuun ja ulostulovaiheesta. Se toimii kolmessa perustilassa - vakaa, monostabiili (missä se toimii yhden laukauksen pulssigeneraattorina ja bistabiili tila. Toisin sanoen, kun se laukaistaan, lähtö menee korkealle ajanjaksolle ajoitusvastuksen ja kondensaattorin arvojen perusteella. Astable mode (AMV), IC toimii vapaasti käynnissä olevana multivibraattorina. Lähtö kääntyy jatkuvasti korkeaksi ja matalaksi antamaan sykkivän ulostulon oskillaattorina. Bistable-tilassa, joka tunnetaan myös nimellä Schmitt-liipaisin, IC toimii kiikuna, jolla on korkea tai alhainen lähtö jokaisessa liipaisussa ja nollaa.
Tässä piirissä käytetään IRF540 MOSFETia. Tämä on N-Channel-parannus MOSFET. Se on edistyksellinen teho-MOSFET, joka on suunniteltu, testattu ja taattu kestämään tietyn tason energiaa hajoamislavan toimintatilassa. Tämä teho MOSFETs on suunniteltu sovelluksiin, kuten kytkinlaitteet, kytkinmuuntimet, moottoriohjaimet, releohjaimet ja suuritehoisten bipolaaristen kytkintransistoreiden ohjaimet, jotka edellyttävät suurta nopeutta ja matalaa porttia. Näitä tyyppejä voidaan käyttää suoraan integroiduista piireistä. Tämän piirin käyttöjännite voidaan säätää käytetyn DC-moottorin tarpeiden mukaan. Tämä piiri voi toimia välillä 5-18 VDC.
Piirin yläpuolella, ts. DC-moottorin nopeuden säätö PWM: llä tekniikka vaihtelee käyttöjaksoa, joka puolestaan ohjaa moottorin nopeutta. IC 555 on kytketty vapaasti pyörivässä monivärähtelyssä. Piiri koostuu potentiometrin ja kahden diodin järjestelystä, jota käytetään vaihtamaan työjaksoa ja pitämään taajuus vakiona. Kun muuttuvan vastuksen tai potentiometrin vastus vaihtelee, MOSFETiin kohdistettujen pulssien käyttöjakso vaihtelee ja vastaavasti moottorin tasavirta vaihtelee ja siten sen nopeus kasvaa työjakson kasvaessa.
PWM: n käyttö vaihtovirran lataamiseen
Nykyaikaiset puolijohdekytkimet, kuten MOSFETit tai eristetyt portti bipolaaritransistorit (IGBT), ovat varsin ihanteellisia komponentteja. Siten voidaan rakentaa tehokkaita ohjaimia. Tyypillisesti vaihtovirtamoottoreiden ohjaamiseen käytettyjen taajuusmuuttajien hyötysuhde on parempi kuin 98%. Kytkentävirtalähteillä on matalampi hyötysuhde matalien lähtöjännitetasojen vuoksi (mikroprosessoreille tarvitaan usein jopa alle 2 V), mutta silti yli 70-80%: n hyötysuhde voidaan saavuttaa.
Tämäntyyppinen vaihtovirtalähteen hallinta on virralla tunnettu viivästetyn laukaisukulman menetelmä. Se on halvempaa ja tuottaa paljon sähköistä melua ja yliaaltoja verrattuna todelliseen PWM-ohjaukseen, joka kehittää vähäistä melua.
Monissa sovelluksissa, kuten teollisuuden lämmityksessä, valaistuksen ohjauksessa, pehmeän käynnistyksen induktiomoottoreissa ja puhaltimien ja pumppujen nopeuden säätimissä, tarvitaan vaihtelevaa vaihtojännitettä kiinteästä vaihtovirtalähteestä. Säätimien vaihekulmasäätöä on käytetty laajalti näihin vaatimuksiin. Se tarjoaa joitain etuja, kuten yksinkertaisuuden ja kyvyn hallita suurta määrää sähköä taloudellisesti. Viivästetty ampumiskulma aiheuttaa kuitenkin epäjatkuvuutta ja runsaasti yliaaltoja kuormitusvirrassa ja viivästynyt tehokerroin tapahtuu AC-puolella, kun ampumiskulma kasvaa.
Näitä ongelmia voidaan parantaa käyttämällä PWM AC chopperia. Tämä PWM-vaihtosilppuri tarjoaa useita etuja, kuten sinimuotoisen tulovirran, jonka tehokerroin on lähes yhtenäinen. Suodattimen koon pienentämiseksi ja lähtöohjaimen laadun parantamiseksi kytkentätaajuutta tulisi kuitenkin lisätä. Tämä aiheuttaa suuren kytkentähäviön. Toinen ongelma on kommutaatio siirtokytkimen S1 ja vapaakytkimen S2 välillä. Se aiheuttaa virtapiikin, jos molemmat kytkimet kytketään päälle samanaikaisesti (oikosulku), ja jännitepiikin, jos molemmat kytkimet on kytketty pois päältä (ei vapaana kulkevaa polkua). Näiden ongelmien välttämiseksi käytettiin RC-snubberia. Tämä kuitenkin lisää piirin tehohäviötä ja on vaikeaa, kallista, tilaa vievää ja tehotonta suuritehoisissa sovelluksissa. Ehdotetaan AC-hakkuria, jossa on nollavirtajännitekytkentä (ZCS-ZVS). Sen lähtöjännitesäätimen on vaihdettava PWM-signaalilla ohjattavaa sammutusaikaa. Täten on käytettävä taajuusohjausta pehmeän kytkennän saavuttamiseksi ja yleiset ohjausjärjestelmät käyttävät PWM-tekniikoita, jotka tuottavat käynnistysajan. Tällä tekniikalla on etuja, kuten yksinkertainen ohjaus sigma-delta-moduloinnilla, ja se jatkaa tulovirtaa. Ehdotetun piirikokoonpanon ominaisuudet ja PWM-hienotetut kuviot on esitetty alla.
