Mikä on PWM, kuinka se mitataan

PWM tarkoittaa pulssinleveyden modulointia, joka merkitsee pulssinleveyksien vaihtelevaa luonnetta, joka voidaan tuottaa tietystä lähteestä, kuten erillisestä IC: stä, MCU: sta tai transistoroidusta piiristä.

Mikä on PWM

Yksinkertaisesti sanottuna PWM-prosessi ei ole muuta kuin syöttöjännitteen kytkeminen päälle ja pois tietyllä nopeudella erilaisilla ON / OFF-ajoitussuhteilla, tässä jännitteen kytkimen ON-pituus voi olla suurempi, pienempi tai yhtä suuri kuin kytkimen OFF-pituus.

Esimerkiksi PWM voi koostua jännitteestä, joka on kiinteästi kytketty päälle ja pois päältä nopeudella 2 sekuntia ON 1 sekunti OFF, 1 sekunti ON 2 sekuntia OFF tai 1 sekunti ON, 1 sekunti OFF.

Kun tämä syöttöjännitteen ON / OFF-nopeus on optimoitu eri tavalla, sanotaan, että jännite on PWM- tai pulssileveysmoduloitu.

Teidän kaikkien on oltava jo perehtyneitä siihen, kuinka vakiovirtajännite ilmestyy jännitteen v / s-aikakäyrään alla esitetyllä tavalla:

Yllä olevassa kuvassa voidaan nähdä suora viiva 9 V: n tasolla, tämä saavutetaan, koska 9 V: n taso ei muutu ajan suhteen, ja siksi voimme todistaa suoran linjan.

Jos tämä 9 V kytketään päälle ja pois päältä 1 sekunnin välein, yllä oleva kaavio näyttää tältä:

Voimme selvästi nähdä, että nyt 9V-linja ei ole enää suoraviivainen arvioija lohkojen muodossa sekunnin välein, koska 9V kytketään päälle ja pois jokaisen sekunnin jälkeen vuorotellen.

Yllä olevat jäljet ​​näyttävät suorakulmiolohkoilta, koska kun 9 V kytketään päälle ja pois päältä, toiminnot ovat välittömiä, mikä saa yhtäkkiä 9 V: n siirtymään nollatasolle ja sitten yhtäkkiä 9 V: n tasolle muodostaen siten suorakulmaiset muodot kaavioon.

Yllä oleva ehto aiheuttaa sykkivän jännitteen, jolla on kaksi mitattavaa parametria: huippujännite ja keskijännite tai RMS-jännite.

Huippu ja keskimääräinen jännite

Ensimmäisessä kuvassa huippujännite on ilmeisesti 9 V, ja keskimääräinen jännite on myös 9 V yksinkertaisesti siksi, että jännite on vakio ilman katkoksia.

Toisessa kuvassa, vaikka jännite kytketään päälle / pois 1 Hz: n taajuudella (1 sekunti ON, 1 sekunti OFF), huippu on silti yhtä suuri kuin 9 V, koska huippu saavuttaa aina 9 V -merkin ON-jaksojen aikana. Mutta keskimääräinen jännite ei ole 9 V pikemminkin 4,5 V, koska jännitteen merkki ja katkaisu tehdään 50%: n nopeudella.

PWM-keskusteluissa tätä ON / OFF-määrää kutsutaan PWM: n toimintajaksoksi, joten edellisessä tapauksessa se on 50%: n käyttöjakso.

Kun mittaat PWM: n digitaalisella yleismittarilla tasajännitealueella, saat aina mittarin keskiarvolukeman.

Uudet harrastajat sekoittuvat usein tähän lukemiseen ja pitävät sitä huippuarvona, mikä on täysin väärin.

Kuten edellä selitettiin, PWM: n huippuarvo on enimmäkseen sama kuin piiriin syötetty syöttöjännite, kun taas mittarin keskimääräinen haihtuminen on PWM: ien ON / OFF-jaksojen keskiarvo.

Mosfetin vaihtaminen PWM: llä

Joten jos vaihdat mosfetiä PWM: llä ja huomaat portin jännitteen olevan esimerkiksi 3 V, älä paniikkia, koska tämä voi olla vain mittarin osoittama keskimääräinen jännite, huippujännite voi olla yhtä suuri kuin piirisi syöttö Jännite.

Siksi mosfetin voidaan odottaa johtavan hyvin ja täysin näiden huippuarvojen läpi, ja keskimääräinen jännite vaikuttaisi vain sen johtumisjaksoon, ei laitteen kytkentäominaisuuksiin.

Kuten edellisissä osioissa keskustelimme, PWM sisältää periaatteessa pulssinleveyden vaihtelun, toisin sanoen DC: n ON- ja OFF-jaksot.

Oletetaan esimerkiksi, että haluat PWM-lähdön, jonka ON-aika on 50% pienempi kuin ON-ajan.

Oletetaan, että valitsemasi ON-aika on 1/2 sekuntia, sitten OFF-aika olisi yhtä suuri kuin 1 sekunti, mikä aiheuttaisi 1/2 sekunnin ON- ja 1 sekunnin OFF -jakson, kuten seuraavasta kaaviosta voidaan nähdä .

PWM: n käyttöjakson analysointi

Tässä esimerkissä PWM: t on optimoitu tuottamaan 9 V: n huippujännite, mutta keskimääräinen 3,15 V: n jännite, koska ON-aika on vain 35% yhdestä täydestä ON / OFF-jaksosta.

Yksi täydellinen jakso viittaa ajanjaksoon, jonka avulla pulssi voi suorittaa yhden täyden ON-ajan ja yhden OFF-ajan.

Vastaavasti voidaan pyrkiä optimoimaan taajuuden pulssin leveys seuraavilla tiedoilla:

Tässä voidaan nähdä, että ON-aika kasvaa OFF-aikaa 65% yhden täyden jakson aikana, joten tässä jännitteen keskiarvoksi tulee 5,85 V.

Edellä mainittua keskimääräistä jännitettä kutsutaan myös RMS: ksi tai jännitteen neliökeskiarvoksi.

Koska nämä kaikki ovat suorakaiteen tai neliön muotoisia pulsseja, RMS voidaan laskea yksinkertaisesti kertomalla työjaksoprosentti huippujännitteellä.

PWM: n optimointi Sinewaven simuloimiseksi

Kuitenkin tapauksissa, joissa PWM on optimoitu simuloimaan vaihtovirtapulssia, RMS: n laskemisesta tulee hieman monimutkainen.

Otetaan esimerkki seuraavasta PWM: stä, joka on optimoitu muuttamaan sen leveyttä vastaavan sinimuotoisen AC-signaalin vaihtelevaa amplitudia tai tasoa.

Voit oppia lisää tästä edellisestä artikkelistani, jossa olen selittänyt, miten IC 555: tä voidaan käyttää generoidaan siniaaltoekvivalentti PWM-lähtö .

Kuten voimme nähdä yllä olevasta kuvasta, pulssien leveys muuttuu siniaallon hetkellisen tason suhteen. Kun siniaalto pyrkii saavuttamaan huippunsa, pulssin vastaava leveys laajenee ja päinvastoin.

SPWM: n käyttö

Tämä osoittaa, että koska siniaaltojännitetaso muuttuu jatkuvasti ajan myötä, myös PWM: t muuttuvat ajan myötä vaihtelemalla jatkuvasti sen leveyksiä. Tällaiseen PWM: ään viitataan myös nimellä SPWM tai Sinewave Pulse Width Modulation.

Siten edellisessä tapauksessa pulssit eivät ole koskaan vakioita, vaan muuttavat niiden leveyttä eri tavalla ajan myötä.

Tämä tekee sen RMS: stä tai keskiarvon laskemisesta hieman monimutkaisen, emmekä voi yksinkertaisesti kertoa työjaksoa huippujännitteellä RMS: n saavuttamiseksi.

Vaikka todellinen kaava RMS-lausekkeen johtamiseksi on varsin monimutkainen, lopullisen toteutuksen jälkeen asianmukaisten johdannaisten jälkeen tosiasiallisesti on melko helppoa.

PWM: n RMS-jännitteen laskeminen

Täten vaihtelevan PWM-jännitteen RMS: n laskemiseksi siniaallon vasteena voidaan hankkia kertomalla 0,7 (vakio) huippujännitteellä.

Joten 9 V: n huippulle saadaan 9 x 0,7 = 6,3 V, se on RMS-jännite tai 9 V: n huippun ja huippun PWM: n keskiarvo, joka simuloi siniaaltoa.

PWM: n rooli elektronisissa piireissä?

Tulet huomaamaan, että PWM-käsite liittyy olennaisesti
piirirakenteet, joihin on kytketty induktorit, erityisesti taajuusmuuttajien topologiat, kuten invertterit SMPS , MPPT, LED-ohjainpiirit jne.

Ilman induktoria PWM-ominaisuudella ei ehkä ole todellista arvoa tai roolia tietyssä piirissä, tämä johtuu siitä, että vain induktorilla on luontainen ominaisuus muuntaa vaihteleva pulssin leveys vastaavaksi määräksi porrastettua (tehostettua) tai asteitettua (tukevaa) jännite tai virta, josta tulee PWM-tekniikan kokonaisuus ja ainoa idea.

PWM: n käyttö induktoreiden kanssa

Ymmärtääksemme kuinka PWM vaikuttaa induktorilähtöön jännitteen ja virran suhteen, on ensiksi tärkeää oppia kuinka induktori käyttäytyy sykkivän jännitteen vaikutuksessa.

Yhdessä edellisistä viesteistä selitin kuinka buck boost -piiri toimii , tämä on klassinen esimerkki osoittamaan, kuinka PWM: itä tai vaihtelevaa pulssin leveyttä voidaan käyttää induktorilähdön mitoittamiseen.

On hyvin tiedossa, että luonteeltaan induktori vastustaa aina jännitteen äkillistä kohdistamista sen yli ja antaa sen kulkea vasta tietyn ajan kuluttua käämitystensä mukaan ja tämän prosessin aikana se varastoi vastaavan määrän energiaa se.

Jos edellä mainitun prosessin aikana jännite sammutetaan yhtäkkiä POIS, induktori ei taas pysty selviytymään käytetyn jännitteen äkillisestä katoamisesta ja yrittää tasapainottaa sitä vapauttamalla siihen tallennetun virran.

Induktorin reaktio PWM: ään

Siten induktori yrittää vastustaa jännitteen kytkemistä päälle varaamalla virtaa ja yrittää tasaantua vastauksena äkilliseen jännitteen katkaisuun 'potkimalla' varastoitua energiaa takaisin järjestelmään.

Tätä potkun taaksepäin kutsutaan induktorin taka-EMF: ksi, ja tämän energian sisältö (jännite, virta) riippuu induktorin käämityksen ominaisuuksista.

Periaatteessa kierrosten lukumäärä päättää, pitäisikö EMF: n olla jännitettä korkeampi kuin syöttöjännite vai pienempi kuin syöttöjännite, ja langan paksuus päättää virran määrän, jonka induktori voi pystyä tuottamaan.

On toinen näkökohta t edellä oleva induktori, joka on jännitteen ON / OFF-jaksojen ajoitus.

Siellä PWM: n käytöstä tulee ratkaisevan tärkeää.

Vaikka käännösten lukumäärä määrittää olennaisesti lähtöarvot tietylle, nämä voivat myös vaihdella halutulla tavalla syöttämällä optimoitua PWM-introa induktoriksi.

Muuttuvan PWM: n avulla voimme pakottaa induktorin generoimaan / muuntamaan jännitteitä ja virtoja millä tahansa halutulla nopeudella, joko suurennettuna jännitteenä (alennettu virta) tai tehostettuna virtana (alennettu jännite) tai päinvastoin.

Joissakin sovelluksissa PWM-moduulia voidaan käyttää jopa ilman induktoria, kuten LED-valon himmentämiseen, tai MCU-ajastinpiireissä, joissa lähtö voidaan optimoida tuottamaan jännitteitä eri kytkimillä ON, katkaisujaksot kuorman hallitsemiseksi suunnitellut työskentelyerittelyt.