Pulsbreddemodulering (PWM)

Prøv Instrumentet Vårt For Å Eliminere Problemer





Bruk av PWM som koblingsteknikk

Pulse Width Modulation (PWM) er en ofte brukt teknikk for generelt å kontrollere likestrøm til en elektrisk enhet, gjort praktisk med moderne elektroniske strømbrytere. Imidlertid finner den også sin plass i AC-choppere. Den gjennomsnittlige verdien av strømmen som tilføres lasten styres av bryterposisjonen og varigheten av dens tilstand. Hvis bryterens på-periode er lengre sammenlignet med av-perioden, får belastningen forholdsvis høyere effekt. Dermed må PWM-bryterfrekvensen være raskere.



Vanligvis må det byttes flere ganger i minuttet i en elektrisk komfyr, 120 Hz i en lampedimmer, fra få kilohertz (kHz) til titalls kHz for en motordrift. Byttefrekvensen for lydforsterkere og strømforsyninger til datamaskiner er omtrent ti til hundrevis av kHz. Forholdet mellom PÅ-tiden og pulsens tidsperiode er kjent som driftssyklus. Hvis driftssyklusen er lav, innebærer det lav effekt.


Strømtapet i svitsjeanordningen er veldig lavt på grunn av nesten ubetydelig mengde strøm som strømmer i av-tilstanden til enheten og ubetydelig mengde spenningsfall i OFF-tilstand. Digitale kontroller bruker også PWM-teknikk. PWM har også blitt brukt i visse kommunikasjonssystemer der driftssyklusen har blitt brukt til å formidle informasjon over en kommunikasjonskanal.



Square Wave Duty Cycle

PWM kan brukes til å justere den totale mengden kraft som leveres til en last uten tap som normalt oppstår når en kraftoverføring er begrenset av resistive midler. Ulempene er pulsasjonene definert av driftssyklusen, svitsjefrekvensen og egenskapene til lasten. Med en tilstrekkelig høy svitsjefrekvens og, når det er nødvendig, ved bruk av ekstra passive elektroniske filtre, kan pulstoget glattes og gjennomsnittlig analog bølgeform gjenopprettes. Høyfrekvente PWM-styringssystemer kan enkelt implementeres ved hjelp av halvlederbrytere.

Som allerede nevnt ovenfor, blir nesten ingen strøm ledet av bryteren i på eller av-tilstand. Imidlertid er spenning og strøm ikke over null under overgangene mellom på og av-tilstander, og derfor blir betydelig kraft spredt i bryterne. Heldigvis er tilstandsendringen mellom helt på og helt av ganske rask (vanligvis mindre enn 100 nanosekunder) i forhold til typiske på- eller av-tider, og derfor er den gjennomsnittlige kraftavledningen ganske lav sammenlignet med effekten som leveres selv når høye byttefrekvenser er brukt.

Bruk av PWM for å levere likestrøm for å laste

Det meste av den industrielle prosessen krever å kjøres på visse parametere når det gjelder hastigheten på stasjonen. De elektriske drivsystemene som brukes i mange industrielle applikasjoner krever høyere ytelse, pålitelighet og variabel hastighet på grunn av den enkle kontrollen. De hastighetskontroll av DC-motor er viktig i applikasjoner der presisjon og beskyttelse er essensielt. Formålet med en motorhastighetsregulator er å ta et signal som representerer den nødvendige hastigheten og å kjøre en motor med den hastigheten.


Pulsbreddemodulering (PWM), slik den gjelder motorstyring, er en måte å levere energi gjennom en rekke pulser i stedet for et kontinuerlig varierende (analogt) signal. Ved å øke eller redusere pulsbredden regulerer kontrolleren energistrømmen til motorakselen. Motorens egen induktans fungerer som et filter, og lagrer energi under 'ON' -syklusen mens den frigjøres med en hastighet som tilsvarer inngangs- eller referansesignalet. Med andre ord strømmer energi inn i lasten ikke så mye byttefrekvensen, men med referansefrekvensen.

Kretsen brukes til å kontrollere hastigheten på DC-motor ved å bruke PWM-teknikk. Serien variabel hastighet DC-motorstyring 12V bruker en 555 timer IC som en PWM-pulsgenerator for å regulere motorhastigheten DC12 Volt. IC 555 er den populære Timer Chip som brukes til å lage tidtakerkretser. Den ble introdusert i 1972 av Signetics. Det kalles 555 fordi det er tre 5 K motstander inni. IC består av to komparatorer, en motstandskjede, en Flip Flop og et utgangstrinn. Den fungerer i tre grunnleggende moduser - Astable, Monostable (hvor den fungerer med en en-pulsgenerator og Bistable-modus. Det vil si når den blir utløst, går utgangen høyt i en periode basert på verdiene til tidsmotstanden og kondensatoren. Astable mode (AMV), IC fungerer som en frittgående multivibrator. Utgangen blir kontinuerlig høy og lav for å gi pulserende utgang som en oscillator. I Bistable-modus, også kjent som Schmitt trigger, fungerer IC som en Flip-Flop med høy eller lav effekt på hver utløser og tilbakestilling.

PWM-basert DC-motorhastighetskontroll

I denne kretsen brukes IRF540 MOSFET. Dette er N-Channel forbedring MOSFET. Det er en avansert MOSFET-effekt designet, testet og garantert å tåle et spesifisert energinivå i driftsmodusen for skred. Denne kraftige MOSFET-ene er designet for applikasjoner som bryteregulatorer, koblingsomformere, motordrivere, relédrivere og drivere for bipolare koblingstransistorer med høy effekt som krever høy hastighet og lav gate-drivkraft. Disse typene kan betjenes direkte fra integrerte kretser. Arbeidsspenningen til denne kretsen kan justeres i henhold til behovene til den drevne DC-motoren. Denne kretsen kan fungere fra 5-18VDC.

Over krets d.v.s. DC-motorhastighetskontroll med PWM teknikken varierer driftssyklusen som igjen styrer motorens hastighet. IC 555 er koblet til i astabisk modus, friløpende multivibrator. Kretsen består av et arrangement av et potensiometer og to dioder, som brukes til å endre driftssyklus og holde frekvensen konstant. Da motstanden til det variable motstanden eller potensiometeret varieres, varierer driftssyklusen til pulser som påføres MOSFET, og følgelig varierer DC-effekten til motoren, og dermed øker hastigheten når driftssyklusen øker.

Bruk av PWM for å levere vekselstrøm for å laste

Moderne halvlederbrytere som MOSFETer eller bipolare transistorer med isolert gate (IGBT) er ganske ideelle komponenter. Dermed kan høyeffektivitetskontrollere bygges. Vanligvis har frekvensomformere som brukes til å kontrollere vekselstrømsmotorer, en effektivitet som er bedre enn 98%. Bytte strømforsyninger har lavere effektivitet på grunn av lave utgangsspenningsnivåer (ofte til og med mindre enn 2 V for mikroprosessorer er nødvendig), men likevel kan mer enn 70-80% effektivitet oppnås.

PWM-kontroll i vekselstrøm

Denne typen kontroll for vekselstrøm er kraftkjent forsinket skytevinkelmetode. Det er billigere og genererer mye elektrisk støy og harmoniske i forhold til den virkelige PWM-kontrollen som utvikler ubetydelig støy.

I mange applikasjoner, for eksempel industriell oppvarming, belysningskontroll, mykstartede induksjonsmotorer og hastighetsregulatorer for vifter og pumper, krever variabel vekselspenning fra fast vekselstrømskilde. Fasevinkelkontrollen til regulatorer har blitt mye brukt for disse kravene. Det gir noen fordeler som enkelhet og evne til å kontrollere store mengder strøm økonomisk. Imidlertid forårsaker forsinket skytevinkel diskontinuitet og rikelig med harmoniske belastningsstrømmer, og en forsinket effektfaktor oppstår på AC-siden når skytevinkelen økte.

Disse problemene kan forbedres ved å bruke PWM AC chopper. Denne PWM vekselstrømshakteren har flere fordeler, for eksempel sinusformet inngangsstrøm med nesten enhetseffektfaktor. Imidlertid, for å redusere filterstørrelsen og forbedre kvaliteten på utgangsregulatoren, bør byttefrekvensen økes. Dette medfører høyt koblingstap. Et annet problem er kommuteringen mellom overføringsbryteren S1 med frihjulsbryteren S2. Det forårsaker strømspissen hvis begge bryterne er slått på samtidig (kortslutning), og spenningsspissen hvis begge bryterne er slått av (ingen frihjulsbane). For å unngå disse problemene ble RC-snubber brukt. Dette øker imidlertid effekttapet i kretsen og er vanskelig, dyrt, klumpete og ineffektivt for applikasjoner med høy effekt. AC-chopper med nullstrømspenningsbryter (ZCS-ZVS) er foreslått. Dens utgangsspenningsregulator må variere utkoblingstid kontrollert av PWM-signal. Det er således nødvendig å bruke frekvensregulering for å oppnå myk omkobling, og de generelle styringssystemene bruker PWM-teknikker som produserer innkoblingstid. Denne teknikken har fordeler som enkel kontroll med sigma-delta-modulering og fortsetter inngangsstrømmen. Funksjonene i den foreslåtte kretskonfigurasjonen og PWM-hakkede mønstre presenteres nedenfor.

PWM