Korábban a készülékek táplálására lecsökkentő (vagy emelő, vagy több tekercses) transzformátorral, diódahíddal és szűrővel ellátott áramkört használtak a hullámzás kisimítására. A stabilizáláshoz paraméteres vagy integrált stabilizátorokat alkalmazó lineáris áramköröket használtak. A fő hátrány a nagy teljesítményű tápegységek alacsony hatékonysága és nagy tömege és méretei voltak.
Minden modern háztartási elektromos készülék kapcsolóüzemű tápegységet használ (UPS, IPS - ugyanaz). A legtöbb ilyen tápegység PWM vezérlőt használ fő vezérlőelemként. Ebben a cikkben megvizsgáljuk felépítését és célját.
Meghatározás és főbb előnyei
A PWM vezérlő egy olyan eszköz, amely számos áramköri megoldást tartalmaz a tápkapcsolók vezérlésére. Ebben az esetben a vezérlés a visszacsatoló áramkörökön keresztül kapott információk alapján történik az áramra vagy a feszültségre - ez szükséges a kimeneti paraméterek stabilizálásához.
Néha a PWM impulzusgenerátorokat PWM vezérlőknek nevezik, de nem képesek visszacsatoló áramkörök csatlakoztatására, és jobban alkalmasak feszültségszabályozókra, mint az eszközök stabil áramellátására. A szakirodalomban és internetes portálokon azonban gyakran találhatunk olyan elnevezéseket, mint „PWM controller, on NE555” vagy „... on Arduino” – ez a fenti okok miatt nem teljesen igaz, csak a kimeneti paraméterek szabályozására használhatók, de nem stabilizálni őket.
A „PWM” rövidítés az impulzusszélesség-modulációt jelenti - ez az egyik módszer a jel modulálására nem a kimeneti feszültség miatt, hanem pontosan az impulzusszélesség megváltoztatásával. Ennek eredményeként az impulzusok C- vagy LC-áramkörökkel történő integrálásával, más szóval simítással szimulált jel jön létre.
Következtetés: A PWM vezérlő egy olyan eszköz, amely PWM jelet vezérel.
Főbb jellemzők
A PWM jel esetében két fő jellemzőt lehet megkülönböztetni:
1. Impulzusfrekvencia - az átalakító működési frekvenciája ettől függ. A jellemző frekvenciák 20 kHz felettiek, valójában 40-100 kHz.
2. Üzemi tényező és munkaciklus. Ez két szomszédos mennyiség, amelyek ugyanazt a dolgot jellemzik. A munkaciklust S betűvel, a munkaciklust D-vel jelölhetjük.
ahol T a jel periódusa,
Abból az időszakból származó idő része, amikor a vezérlőjelen vezérlőjel keletkezik, mindig kisebb, mint 1. A munkaciklus mindig nagyobb, mint 1. 100 kHz-es frekvencián a jel periódusa 10 μs, és a kapcsoló 2,5 μs-ig nyitva, akkor a munkaciklus 0,25, százalékban - 25%, a munkaciklus pedig 4.
Szintén fontos figyelembe venni a belső kialakítást és a kezelt kulcsok számának célját.
Különbségek a lineáris veszteségsémáktól
Mint már említettük, a lineáris áramkörökkel szembeni előny a nagy hatásfok (több mint 80, jelenleg 90%). Ennek oka a következő:
Mondjuk a simított feszültség a diódahíd után 15V, a terhelő áram 1A. Be kell szereznie egy stabilizált 12 V-os tápegységet. Valójában a lineáris stabilizátor olyan ellenállás, amely a bemeneti feszültség értékétől függően változtatja értékét, hogy névleges kimenetet kapjon - kis eltérésekkel (volt töredékek), amikor a bemenet megváltozik (egységek és tíz voltok).
Mint ismeretes, az ellenállások hőenergiát bocsátanak ki, amikor elektromos áram folyik rajtuk. Ugyanez a folyamat megy végbe lineáris stabilizátorokon is. A kiosztott teljesítmény egyenlő lesz:
Ploss=(Uin-Uout)*I
Mivel a vizsgált példában a terhelési áram 1A, a bemeneti feszültség 15 V, a kimeneti feszültség pedig 12 V, kiszámítjuk a lineáris stabilizátor (KRENK vagy L7812 típus) veszteségeit és hatékonyságát:
Ploss=(15V-12V)*1A = 3V*1A = 3W
Akkor a hatékonyság:
n=Puseful/Pexsumed
n=((12V*1A)/(15V*1A))*100%=(12W/15W)*100%=80%
A PWM fő jellemzője, hogy a tápelem, legyen az MOSFET vagy teljesen nyitott vagy teljesen zárt, és nem folyik rajta áram. Ezért a hatékonysági veszteségek csak a vezetőképesség-veszteségből származnak
És kapcsolási veszteségek. Ez egy külön cikk témája, ezért nem foglalkozunk ezzel a kérdéssel. Tápellátási veszteségek is előfordulnak (bemeneti és kimeneti, ha a tápegység hálózatról táplált), valamint vezetékeken, passzív szűrőelemeken stb.
Általános szerkezet
Tekintsük egy absztrakt PWM vezérlő általános felépítését. Az „absztrakt” szót azért használtam, mert általánosságban mindegyik hasonló, de a funkcionalitásuk bizonyos határokon belül eltérhet, a szerkezet és a következtetések is ennek megfelelően különböznek.
A PWM vezérlő belsejében, mint bármely más IC, van egy félvezető kristály, amelyen egy összetett áramkör található. A vezérlő a következő funkcionális egységeket tartalmazza:
1. Impulzusgenerátor.
2. Referencia feszültségforrás. (ÉS Ő)
3. A visszacsatolójel feldolgozására szolgáló áramkörök (OS): hibaerősítő, komparátor.
4. Impulzusgenerátor vezérlők beépített tranzisztorok, amelyek a bekapcsológomb vagy gombok vezérlésére szolgálnak.
A PWM vezérlő által vezérelhető tápkapcsolók száma a céljától függ. A legegyszerűbb flyback konverterek áramkörükben 1 tápkapcsolót, félhíd áramköröket (push-pull) - 2 kapcsolót, híd áramköröket - 4 tartalmaznak.
A PWM vezérlő kiválasztása a kulcs típusától is függ. A bipoláris tranzisztor vezérléséhez a fő követelmény az, hogy a PWM vezérlő kimeneti vezérlőárama ne legyen kisebb, mint a tranzisztor áramának H21e osztva, így egyszerűen be- és kikapcsolható az impulzusok bázisra küldésével. Ebben az esetben a legtöbb vezérlő megteszi.
A menedzsment esetében vannak bizonyos árnyalatok. A gyors kikapcsoláshoz le kell merítenie a kapu kapacitását. Ehhez a kapu kimeneti áramköre két kulcsból áll - az egyik az IC érintkezővel csatlakozik a tápegységhez, és vezérli a kaput (bekapcsolja a tranzisztort), a második pedig a kimenet és a test közé van szerelve, amikor ki kell kapcsolnia a teljesítménytranzisztort - az első kulcs bezárul, a második kinyílik, bezárja a redőnyt a földre és kisüti.
Érdekes:
Egyes kis teljesítményű (legfeljebb 50 W-os) tápegységekhez tartozó PWM-vezérlők nem használnak beépített vagy külső tápkapcsolót. Példa - 5l0830R
Általánosságban elmondható, hogy egy PWM vezérlő komparátorként ábrázolható, amelynek egyik bemenetét a visszacsatoló áramkör (FC) jele látja el, a második bemenetre pedig fűrészfog-váltó jel kerül. Amikor a fűrészfog jel eléri és meghaladja az OS jelet nagyságrendben, egy impulzus jelenik meg a komparátor kimenetén.
Amikor a jelek a bemeneteken megváltoznak, az impulzus szélessége megváltozik. Tegyük fel, hogy egy erős fogyasztót csatlakoztatott a tápegységhez, és a kimeneti feszültség csökken, akkor az operációs rendszer feszültsége is csökken. Ekkor az időszak nagy részében a fűrészfog jel meghaladja a visszacsatoló jelet, és az impulzus szélessége megnő. A fentiek mindegyike bizonyos mértékig tükröződik a grafikonokon.
Egy PWM vezérlő funkcionális diagramja a TL494 példájával, később részletesebben is megvizsgáljuk. A tűk és az egyes csomópontok rendeltetését a következő alcím írja le.
Pin-hozzárendelés
A PWM vezérlők különféle csomagokban kaphatók. Háromtól 16-ig vagy több következtetést vonhatnak le. Ennek megfelelően a vezérlő használatának rugalmassága a tűk számától, vagy inkább rendeltetésüktől függ. Például egy népszerű mikroáramkör leggyakrabban 8 érintkezős, és egy még ikonikusabb is TL494- 16 vagy 24.
Ezért nézzük meg a tipikus pinneveket és céljukat:
GND- a közös kivezetés az áramkör mínuszához vagy a testhez van kötve.
Uc(Vc)- a mikroáramkör tápellátása.
Ucc (Vss, Vcc)- Kimenet a teljesítményszabályozáshoz. Ha az áram leereszkedik, akkor fennáll annak a lehetősége, hogy a tápkapcsolók nem nyílnak ki teljesen, és emiatt felmelegednek és kiégnek. A kimenetre a vezérlő letiltásához van szükség ilyen helyzetben.
KI- ahogy a neve is sugallja, ez a vezérlő kimenete. Itt kerül kiadásra a teljesítménykapcsolók vezérlő PWM jele. Fentebb említettük, hogy a különböző topológiájú konverterek különböző számú kulcsot tartalmaznak. A gombostű neve ettől függően eltérő lehet. Például a félhíd vezérlőkben ezt HO-nak és LO-nak nevezhetjük a magas és alacsony kapcsolóknál. Ebben az esetben a kimenet lehet egyvégű vagy push-pull (egy kapcsolóval és kettővel) - a térhatású tranzisztorok vezérlésére (lásd a fenti magyarázatot). De maga a vezérlő lehet egyciklusú és push-pull áramkörökhöz - egy és két kimeneti érintkezővel. Fontos.
Vref- referenciafeszültség, általában egy kis kondenzátoron keresztül földelve (mikrofarad egységekben).
ILIM- jel az áramérzékelőtől. A kimeneti áram korlátozásához szükséges. Visszacsatoló áramkörökhöz csatlakozik.
ILIMREF- rá van állítva az ILIM láb indítófeszültsége
SS- egy jel generálódik a vezérlő lágy indításához. A névleges üzemmódba való zökkenőmentes átmenetre tervezték. A zökkenőmentes indítás érdekében egy kondenzátor van beépítve közte és a közös vezeték közé.
RtCt- terminálok egy időzítő RC áramkör csatlakoztatásához, amely meghatározza a PWM jel frekvenciáját.
ÓRA- órajel impulzusok több PWM vezérlő egymással való szinkronizálására, ekkor az RC áramkör csak a master vezérlőre van kötve, az RT slave-ek pedig Vref-el, a CT slave-ek a közösbe csatlakoznak.
RÁMPA az összehasonlító bemenet. Fűrészfogú feszültséget kapcsolnak rá, például a Ct érintkezőről. Amikor az meghaladja a feszültségértéket a hibaerősítő kimeneten, egy leállási impulzus jelenik meg az OUT-on - ez a PWM szabályozás alapja.
INV és NONINV- ezek a komparátor invertáló és nem invertáló bemenetei, amelyekre a hibaerősítő épül. Egyszerűen fogalmazva: minél nagyobb az INV feszültsége, annál hosszabbak a kimeneti impulzusok, és fordítva. A visszacsatoló áramkörben a feszültségosztó jele a kimenetről csatlakozik hozzá. Ezután a NONINV nem invertáló bemenet a közös vezetékhez - GND - csatlakozik.
EAOUT vagy Error Amplifier Output rus. Hiba az erősítő kimenetén. Annak ellenére, hogy vannak hibaerősítő bemenetek és ezek segítségével elvileg a kimeneti paramétereket lehet állítani, de a vezérlő erre elég lassan reagál. A lassú reakció következtében az áramkör izgalomba kerülhet és meghibásodhat. Ezért a jelek erről a lábról frekvenciafüggő áramkörökön keresztül jutnak az INV-hez. Ezt hibaerősítő frekvencia-korrekciónak is nevezik.
Példák valódi eszközökre
Az információk megszilárdítása érdekében nézzünk meg néhány példát a tipikus PWM vezérlőkre és azok csatlakozási áramköreire. Ezt két mikroáramkör példájával fogjuk megtenni:
TL494 (analógjai: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);
Aktívan használják őket. Egyébként ezek a tápegységek jelentős teljesítménnyel rendelkeznek (100 W vagy több a 12 V-os buszon). Gyakran használják donorként laboratóriumi tápegységgel vagy univerzális nagy teljesítményű töltővel, például autóakkumulátorokhoz.
TL494 - áttekintés
Kezdjük a 494. chippel. Műszaki jellemzői:
Ebben a konkrét példában a legtöbb fent leírt megállapítás látható:
1. Az első hibakomparátor nem invertáló bemenete
2. Az első hibakomparátor bemenetének invertálása
3. Visszacsatolás
4. Holtidő beállítási bemenet
5. Csatlakozó külső időzítő kondenzátor csatlakoztatásához
6. Kimenet időzítő ellenállás csatlakoztatásához
7. A mikroáramkör közös tűje, mínusz tápegység
8. Az első kimeneti tranzisztor kollektorkapcsa
9. Az első kimeneti tranzisztor emitter kapcsa
10. A második kimeneti tranzisztor emitter kapcsa
11. A második kimeneti tranzisztor kollektorkapcsa
12. Tápfeszültség bemenet
13. Bemenet a mikroáramkör egyciklusú vagy push-pull üzemmódjának kiválasztásához
14. Beépített 5 voltos referencia kimenet
15. A második hibakomparátor bemenetének invertálása
16. A második hibakomparátor nem invertáló bemenete
Az alábbi ábra egy példát mutat az ezen a chipen alapuló számítógépes tápegységre.
UC3843 – áttekintés
Egy másik népszerű PWM a 3843 chip – számítógép és egyéb tápegységek is erre épülnek. A kivezetése lejjebb található, amint látható, mindössze 8 érintkezős, de ugyanazokat a funkciókat látja el, mint az előző IC.
Érdekes:
Vannak UC3843-ak egy 14 lábú tokban, de sokkal kevésbé gyakoriak. Ügyeljen a jelölésekre - a további csapok vagy duplikálva vannak, vagy nem használják (NC).
Fejtsük meg a következtetések célját:
1. Komparátor (hibaerősítő) bemenet.
2. Visszacsatoló feszültség bemenet. Ezt a feszültséget összehasonlítják az IC-n belüli referenciafeszültséggel.
3. Áramérzékelő. A teljesítménytranzisztor és a közös vezeték között elhelyezkedő ellenálláshoz csatlakozik. Túlterhelés elleni védelemhez szükséges.
4. Időzítő RC áramkör. Segítségével beállítható az IC működési frekvenciája.
6. Kilépés. Vezérlőfeszültség. A tranzisztor kapujához kötve itt van egy push-pull végfokozat egyvégű konverter (egy tranzisztor) vezérlésére, ami az alábbi ábrán látható.
Buck, Boost és Buck-Boost típusok.
Talán az egyik legsikeresebb példa a széles körben elterjedt LM2596 mikroáramkör lesz, amely alapján rengeteg átalakítót lehet találni a piacon, az alábbiak szerint.
Egy ilyen mikroáramkör tartalmazza az összes fent leírt műszaki megoldást, és a kis teljesítményű kapcsolókon végfok helyett beépített tápkapcsolóval rendelkezik, amely akár 3A áramot is képes ellenállni. Az alábbiakban egy ilyen átalakító belső felépítése látható.
Biztos lehet benne, hogy lényegében nincs különösebb eltérés a benne tárgyaltaktól.
De itt van egy példa egy ilyen vezérlőre, amint látja, nincs tápkapcsoló, hanem csak egy 5L0380R mikroáramkör négy érintkezővel. Ebből következik, hogy bizonyos feladatoknál egyszerűen nincs szükség a TL494 összetett áramköreire és rugalmasságára. Ez igaz a kis teljesítményű tápegységekre, ahol a zajra és az interferenciára nincs különösebb követelmény, és a kimeneti hullámzást LC szűrővel lehet elnyomni. Ez egy tápegység LED szalagokhoz, laptopokhoz, DVD lejátszókhoz stb.
Következtetés
A cikk elején elhangzott, hogy a PWM vezérlő egy olyan eszköz, amely a visszacsatoló áramkör jele alapján az impulzusszélesség változtatásával modellezi az átlagos feszültségértéket. Megjegyzem, hogy az egyes szerzők nevei és besorolása gyakran eltérő, a PWM vezérlőket néha egyszerű PWM feszültségszabályozónak nevezik, az ebben a cikkben leírt elektronikus mikroáramkörök családját pedig „Integrált alrendszer impulzusstabilizált konverterekhez”. A név a lényegen nem változtat, de viták, félreértések keletkeznek.
Például);
Útmutató a PWM használatához Arduinoban
1 Általános információ az impulzusszélesség modulációról
Az Arduino digitális lábak csak két értéket tudnak kiadni: logikai 0 (LOW) és logikai 1 (HIGH). Ezért digitálisak. De az Arduino-nak vannak „speciális” tűi, amelyek meg vannak jelölve PWM. Néha hullámos "~" vonallal jelzik őket, vagy bekarikázzák, vagy más módon különböztetik meg őket másoktól. A PWM a rövidítése Impulzusszélesség moduláció vagy impulzus szélesség moduláció, PWM.
Az impulzusszélesség-modulált jel állandó frekvenciájú, de változó impulzusjel munkaciklus(az impulzus időtartamának és ismétlési periódusának aránya). Tekintettel arra, hogy a természetben a legtöbb fizikai folyamat tehetetlenséggel rendelkezik, a hirtelen 1-ről 0-ra eső feszültségesések kisimulnak, és valamilyen átlagos értéket vesznek fel. A munkaciklus beállításával megváltoztathatja az átlagos feszültséget a PWM kimeneten.
Ha a munkaciklus 100%, akkor az Arduino digitális kimenetének logikai feszültsége mindig „1” vagy 5 volt. Ha a munkaciklust 50% -ra állítja, akkor a kimenet fele logikai "1" lesz, fele pedig logikai "0", és az átlagos feszültség 2,5 volt. Stb.
A programban a munkaciklus nem százalékban van megadva, hanem egy számként 0 és 255 között. Például a parancs analógWrite(10; 64) utasítja a mikrokontrollert, hogy küldjön egy jelet 25%-os munkaciklussal a 10. számú digitális PWM kimenetre.
Az impulzusszélesség-modulációs funkcióval rendelkező Arduino tűk körülbelül 500 Hz-es frekvencián működnek. Ez azt jelenti, hogy az impulzus ismétlési periódusa körülbelül 2 ezredmásodperc, amit az ábrán látható zöld függőleges vonásokkal mérünk.
Kiderült, hogy analóg jelet szimulálhatunk digitális kimeneten!Érdekes, nem?!Hogyan használhatjuk a PWM-et? Sok pályázat! Például szabályozza a LED fényerejét, a motor forgási sebességét, a tranzisztor áramát, a piezo emitter hangját stb...
2 Diagram a bemutatóhoz Impulzusszélesség-moduláció Arduino-ban
Nézzük a legalapvetőbb példát - a LED fényerejének szabályozását PWM segítségével. Állítsunk össze egy klasszikus sémát.
3 Vázlat példa PWM-mel
Nyissuk meg a „Fade” vázlatot a példákból: Fájlminták 01.Alapok Fade.
Változtassunk rajta egy kicsit, és töltsük be az Arduino memóriájába.
Int ledPin = 3; // deklarálunk egy tűt, amely a LED int fényerejét vezérli = 0; // a fényerő beállítására szolgáló változó int fadeAmount = 5; // fényerő változtatás lépése void setup() ( pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop() ( analogWrite(ledPin, fényerő); // a fényerő beállítása a ledPin tűn brightness += fadeAmount; // módosítsa a fényerő értéket /* a 0 vagy 255 határérték elérésekor változtassa meg a fényerő változás irányát */ if (brightness == 0 || brightness == 255) ( fadeAmount = -fadeAmount; // a fényerő előjelének megváltoztatása a lépés ) késleltetés(30); // késleltetés a hatás jobb láthatósága érdekében }
4 LED fényerő szabályozás PWM és Arduino használatával
Kapcsolja be az áramellátást. A LED fokozatosan növeli a fényerejét, majd egyenletesen csökkenti. Impulzusszélesség-modulációval szimuláltunk egy analóg jelet a digitális kimeneten.
Nézze meg a mellékelt videót, amelyen jól látható a LED fényerejének változása a csatlakoztatott oszcilloszkópon, láthatja, hogyan változik az Arduino jele.
Az impulzusszélesség-moduláció (PWM) jó meghatározása már a nevében is benne van. Ez az impulzusszélesség (nem a frekvencia) modulálását (módosítását) jelenti. Hogy jobban megértsük mi az a PWM, először nézzünk meg néhány kiemelést.
A mikrokontrollerek intelligens digitális alkatrészek, amelyek bináris jelek alapján működnek. A bináris jel legjobb ábrázolása a négyszöghullám (téglalap alakú jel). A következő ábra a négyszöghullámhoz kapcsolódó alapvető kifejezéseket ismerteti.
A PWM jelben az idő (periódus), és így a frekvencia mindig állandó érték. Csak az impulzus bekapcsolási és kikapcsolási ideje (munkatényező) változik. Ezzel a modulációs módszerrel megkaphatjuk a szükséges feszültséget.
Az egyetlen különbség a négyszöghullám és a PWM jel között az, hogy a négyszöghullámnak egyenlő és állandó a be- és kikapcsolási ideje (50%-os munkaciklus), míg a PWM jel változó munkaciklusú.
A négyszöghullám egy olyan PWM jel speciális esetének tekinthető, amely 50%-os kitöltési ciklussal rendelkezik (bekapcsolási periódus = kikapcsolási periódus).
Nézzük meg a PWM használatának példáját
Tegyük fel, hogy 50 V tápfeszültségünk van, és olyan terhelést kell táplálnunk, amely 40 V-on működik. Ebben az esetben egy jó módja annak, hogy 40 V-ot kapjunk 50 V-ról, ha az úgynevezett lépcsős choppert használjuk.
A szaggató által generált PWM jelet az áramkör tápegysége (tirisztor, térhatású tranzisztor) táplálja, amely viszont szabályozza a terhelést. Ez a PWM jel könnyen előállítható egy időzítővel rendelkező mikrokontrollerrel.
A PWM jel követelményei 40 V 50 V-ról tirisztor használatával történő kinyeréséhez: tápfeszültség egy ideig = 400 ms, és egy időre = 100 ms (figyelembe véve az 500 ms-os PWM jel periódusát).
Általánosságban ez egyszerűen a következőképpen magyarázható: alapvetően a tirisztor kapcsolóként működik. A terhelés tápfeszültséget kap a forrástól egy tirisztoron keresztül. Amikor a tirisztor kikapcsolt állapotban van, a terhelés nem kapcsolódik a forráshoz, és amikor a tirisztor bekapcsolt állapotban van, a terhelés a forráshoz kapcsolódik.
A tirisztor be- és kikapcsolásának ezt a folyamatát PWM jel segítségével hajtják végre.
A PWM jel periódusának és időtartamának arányát a jel terhelhetőségének, a munkaciklus inverzét pedig munkaciklusnak nevezzük.
Ha a munkaciklus 100, akkor ebben az esetben állandó jelünk van.
Így a munkaciklus (munkaciklus) a következő képlettel számítható ki:
A fenti képletek segítségével kiszámíthatjuk a tirisztor bekapcsolási idejét, hogy megkapjuk a szükséges feszültséget.
Az impulzusok munkaciklusát 100-zal megszorozva ezt százalékban tudjuk ábrázolni. Így az impulzus-terhelési ciklus százaléka egyenesen arányos az eredeti feszültség értékével. A fenti példában, ha egy 50 voltos tápegységről 40 voltot akarunk kapni, akkor ezt úgy érhetjük el, hogy 80%-os terhelhetőségű jelet állítunk elő. Mert 40 helyett 50 80%-a.
Az anyag összevonásához oldjuk meg a következő problémát:
- Számítsuk ki egy 50 Hz-es frekvenciájú és 60%-os munkaciklusú jel be- és kikapcsolásának időtartamát.
Az eredményül kapott PWM hullám így fog kinézni:
Az impulzusszélesség-moduláció használatának egyik legjobb példája a PWM használata a motor sebességének vagy a LED fényerejének beállítására.
Az impulzusszélesség módosításának ezt a technikáját a szükséges munkaciklus elérése érdekében „impulzusszélesség-modulációnak” nevezik.
A PWM vagy PWM (impulzusszélesség-moduláció) működésének félreértése gyakran nemcsak helytelen használatukhoz vezet, hanem még a PWM-et vezérlésre használó eszközök tervezési hibáihoz is. Itt, egy adott alkalmazásra korlátozva, megpróbálom elmondani, mi az a PWM, miért van szükség rá és hogyan működik.
Először is, mi az a PWM?
Mikor van szükség PWM-re?
A PWM használatának fő oka az, hogy alacsonyabb egyenfeszültséget kell biztosítani a teljesítményelektronikai eszközöknek, miközben megőrizzük a magas hatásfokot, különösen a vezérelt elektromos hajtásoknál.
A berendezések belső hálózataiban korlátozott feszültségkészletű egyenfeszültséget használnak az eszközök táplálására, amelyeket gyakran módosítani kell, hogy megfeleljenek egy adott eszköz követelményeinek, stabilizálni vagy szabályozni. Ezek lehetnek egyenáramú elektromos hajtások, chipek, rádióberendezések alkatrészei.
A beállítás feszültségcsillapító eszközökkel végezhető el: ellenállások, tranzisztorok (ha beállításra van szükség). Ennek a megoldásnak a fő hátránya az áramveszteség és a megnövekedett hőtermelés a vezérlőkészülékeken.
Mivel ismert, hogy a felszabaduló teljesítmény egyenlő:
P = I x U vagy P = I 2 x R W.
akkor minél nagyobb az áramkörben az I áram és az U feszültségesés, annál nagyobb a teljesítményveszteség. Itt R a vezérlőelem ellenállásértéke.
Képzeld el, hogy legalább 3 V-ot kell oltani 10 A terhelőárammal, ez már 30 W veszteség. És minden kiesett watt teljesítmény nemcsak a tápegységek működési idejét csökkenti, hanem további berendezéseket is igényel az áram által termelt hő eltávolításához.
Ez vonatkozik a kioltó ellenállásokra és a félvezető eszközökre is.
De köztudott, hogy a félvezető eszközök nagyon jól működnek (alacsony veszteséggel és hőtermeléssel) kapcsolóként, ha csak két nyitott/zárt állapotuk van.
Ez az üzemmód lehetővé teszi a kapcsoló félvezető eszköz veszteségének csökkentését a következő szintre:
P max = I x U us
A modern félvezető kapcsolók esetében megközelíti a 0,3 V-ot, és 10 A áramfelvétel mellett a teljesítményveszteség megközelíti a 3 W-ot. Ez kapcsoló módban van, és PWM eszközökben még kevesebb.
|
A PWM kulcselemként kapcsolási módban lévő félvezető eszközöket használ, vagyis a tranzisztor folyamatosan nyitva (ki van kapcsolva), vagy zárva (telített állapotban) van. Az első esetben A tranzisztor ellenállása szinte végtelen, ezért az áramkörben nagyon kicsi az áram, és bár a tranzisztoron minden tápfeszültség leesik, a tranzisztor által felszabaduló teljesítmény gyakorlatilag nulla. A második esetben A tranzisztor ellenállása rendkívül alacsony, ezért a feszültségesés rajta közel nulla - a felszabaduló teljesítmény is kicsi. Átmeneti állapotokban (kapcsoló átmenet vezető állapotból nem vezető állapotba és vissza) a kapcsolóban felszabaduló teljesítmény jelentős, de mivel az átmeneti állapotok időtartama a modulációs periódushoz képest rendkívül rövid, ezért a kapcsolás átlagos teljesítménye a veszteségek jelentéktelennek bizonyulnak. |
A PWM használata lehetővé tette a kulcs üzemmód előnyeinek megvalósítását az egyenfeszültséget csökkentő és szabályozó áramkörökben.
Ismétlem, az impulzusszélesség-moduláció az integráló terhelés átlagos feszültségértékének szabályozása az impulzusok munkaciklusának vezérlőgomb segítségével történő megváltoztatásával.
ábra mutatja a PWM működését integráló terhelésen. 1.
1. kép
A PWM ilyen használatának fő feltétele az integráló terhelés jelenléte.
Mivel a feszültség amplitúdója egyenlő E-vel.
Ezek lehetnek integráló RC, LC, RLC vagy RL áramkörök és mechanikus integrátorok (például villanymotor).
Amikor a PWM integráló terhelésen működik, a feszültség - az egyenértékű egyenfeszültség az impulzusok munkaciklusától (Q) függően változik.
Q = t és /T< 1
itt: Q - munkaciklus, t és - impulzus időtartama, T - impulzusismétlési periódus.
Figyelembe véve a munkaciklust, az egyenértékű egyenfeszültség egyenlő lesz:
E eq = Q x E Volt
itt: E eq - egyenértékű egyenfeszültség (V), Q - munkaciklus, E - annak a forrásnak a feszültsége, amelyről a PWM-átalakító táplálja (Volt).
A valóságban a PWM terhelési kapcsaira E-vel egyenlő feszültség kerül, és az elektromos áram által végzett munkát (vagy a villanymotor fordulatszámát) pontosan az E ekv. Az integráló kondenzátoron történő visszaállításkor pontosan az E feszültségnek megfelelőt kapjuk.
A PWM által vezérelt vezérlőkapcsolóhoz hozzárendelt teljesítmény egyenlő:
P max = Q x I x U us
Töltse be a csatlakozási rajzot a PWM-hez.
A PWM nem igényel az egyenáramú motor kapcsolóáramkörétől eltérő áramköri megoldásokat (a terhelés speciális esete). Az elektromos motor egyszerűen csatlakoztatható egy PWM üzemmódban működő áramforráshoz. Hacsak bizonyos helyzetekben nincs szükség az impulzusok frontján keletkező zaj további szűrésére. Ez a szűrő az ábrán. 2 kondenzátorok és csillapító dióda formájában.
2. ábra
ábrán. A 2. ábra egy ilyen kapcsolatot mutat be.
Látjuk, hogy a kapcsolót (térhatású tranzisztort) egyszerűen ki lehet cserélni egy változó ellenállásra.
PWM áramkör
Az „Adapter 3 tűs 4 tűs ventilátorhoz” http://de1fer.ru/?p=45#more-45 cikkben a blog tulajdonosa bemutatja a P WM ventilátor diagramját.
3. ábra
itt: GND - test (közös), Vezérlés - érintkező P WM vezérlés, +12 - tápfeszültség, Sense - fordulatszám érzékelő kimenet.
Ebben az áramkörben a vezérlés inkább egyenáramú +I vezérléssel lehetséges, mint PWM jellel.
Az impulzus (PWM) jel vezérléséhez az ábrán látható áramkör szükséges. 4. És a „PWM” tranzisztor paraméterei alapján kifejezetten egyenáramú vezérlésre választották. Ebben az üzemmódban legalább 1,6 W-os ventilátorral normálisan működik.
4. ábra
De a C kondenzátor nélküli impulzus üzemmódban a BC879 tranzisztor valamivel kevésbé melegszik fel, mint egyenáramnál, és a villanymotor rövid áramimpulzus-időtartamnál (alacsony fordulatszámon) leállhat a tranzisztor C bemeneti kapacitású bemenetére való integrálása miatt.
A SIEMENS BC879 szilícium bipoláris nagyfrekvenciás npn tranzisztor főbb paraméterei
| PC max | Ucb max | Uce max | Web max | Icmax | Tj max, °C | Ft max |
| 800mW | 100V | 80V | 5V | 1A | 150 °C | 200 MHz |
Ha szükséges, kapcsolja ki a PWM (PWM) vezérlést az ábrán látható áramkörben. 3 csak csatlakoztatni kell a vezérlőtűt a +12V vezetékhez.
A Radeon.ru fórumon van a ventilátoráramkör másik változata P WM-mel
5. ábra
Lényeges eltérések az ábrához képest. 3 nem, PWM-vezérlésű kapcsolóként csak beépített vagy indukált p-típusú csatornával rendelkező MOS térhatású tranzisztort használnak. Ez az áramkör P WM és állandó feszültséggel is vezérelhető (de nem éri meg a kockázatot - ismernie kell a tranzisztor paramétereit).
Ez az áramkör teljesen működőképes, és nem rendelkezik az ábrán látható áramkör hátrányaival. 3.
A kikapcsolásához (a tranzisztor típusától függően) egyszerűen csatlakoztassa a vezérlőtűt a + vagy - vezetékhez.
Barkácsolók figyelem!
Ha nem elégedett az alaplapba (alaplapba) épített PWM vezérlő algoritmussal.
És van egy hozzád illő reobas (ventilátorvezérlő vezérlő), akkor használj egy 3 tűs csatlakozós ventilátort.
Ha egy PWM-es ventilátor kedves számodra, vagy nincs csere, akkor a fent leírt módszerrel le kell tiltania a PWM-et, cserélve a 4 tűs csatlakozót egy 3 tűsre, és csatlakoztatva a reobasshoz.
De ne feledje, hogy a PWM ventilátor bármilyen rendellenes üzemmódban történő használata nem teszi lehetővé a maximális teljesítmény elérését.
Az egyenáramú vezérlés PWM-mel egyidejű alkalmazása nem javasolt, mivel a ventilátor tápfeszültsége 10-20%-kal csökken, ami nem teszi lehetővé, hogy egy ilyen ventilátor teljes teljesítményt érjen el.
A PWM-PWM-mel egyidejű használata az áramkör mentén a ventilátor működésének időszakos instabilitásához vezethet (csúszó ütemek léphetnek fel a PWM - PWM frekvenciák között a rendszerek tápáramköre mentén), és homályossá teheti a sebességstabilizáló rendszerrel felszerelt rendszereket. . Ezenkívül, mint az előző esetben, a ventilátor eredő feszültsége 10-15% -kal csökken, ami nem teszi lehetővé egy ilyen ventilátor teljes teljesítményét.
Szóval állj meg egy dolognál. Használjon PWM ventilátort, vagy használjon külső ventilátorvezérlést a tápáramkörön keresztül egy 3 tűs csatlakozóval rendelkező ventilátoron.
Következtetés
A PWM vagy, ahogy szoktuk mondani, a PWM használata növeli a feszültségcsökkentő egyenáramú eszközök hatékonyságát, ami csökkenti a PWM-mel rendelkező elektronikus eszközök általános hőtermelését.
A PWM lehetővé teszi kompakt, nagy teljesítményű DC vezérlésű elektromos hajtásrendszerek létrehozását.
A modern egyenfeszültség-szabályozó eszközökben és a lecsökkentő feszültségstabilizátorokban a beállításokat általában PWM segítségével végzik. Erre a célra olyan vezérlőket gyártanak, amelyekhez minimális csatlakozás szükséges.
Most már búcsút inthetünk a csillapító ellenállásoknak és a reosztátoknak!
készítette: A. Sorokin,
PWM vagy PWM (impulzusszélesség-moduláció) - impulzus szélesség moduláció- Ez a módszer a feszültség és az áram nagyságának szabályozására szolgál. A PWM feladata az állandó amplitúdójú és állandó frekvenciájú impulzus szélességének megváltoztatása.
A PWM szabályozás tulajdonságait impulzus-átalakítókban, egyenáramú motorok vagy LED-ek fényerejét vezérlő áramkörökben használják.
PWM működési elve
A PWM működési elve, ahogy a név is mutatja, a jel impulzusszélességének megváltoztatása. Az impulzusszélesség-modulációs módszer alkalmazásakor a jel frekvenciája és amplitúdója állandó marad. A PWM jel legfontosabb paramétere a munkaciklus, amely a következő képlettel határozható meg:
Azt is megjegyezhetjük, hogy a magas és az alacsony jel idejének összege határozza meg a jel periódusát:
Ahol:
- Tonna - magas szintű idő
- Toff – alacsony szintű idő
- T – jelperiódus
A jel magas és alacsony ideje az alsó ábrán látható. Az U1 feszültség a jel magas szintű állapota, azaz amplitúdója.
A következő ábra egy PWM jelre mutat példát egy meghatározott magas és alacsony időintervallumtal.
PWM munkaciklus számítás
A PWM munkaciklus kiszámítása a példa segítségével:
A százalékos kitöltési tényező kiszámításához hasonló számításokat kell végrehajtania, és az eredményt meg kell szorozni 100% -kal:
Amint a számításból következik, ebben a példában a jelet (magas szint) 0,357 vagy egyébként 37,5%-os kitöltés jellemzi. A kitöltési tényező egy absztrakt érték.
Az impulzusszélesség-moduláció fontos jellemzője lehet a jelfrekvencia is, amelyet a következő képlettel számítanak ki:
Példánkban a T értékét másodpercben kell venni, hogy a képletben szereplő mértékegységek megegyezzenek. Mivel a frekvencia képlet 1/sec, ezért 800 ms-ot alakítsunk át 0,8 mp-re.
Az impulzusszélesség beállításának köszönhetően lehetőség van például az átlagos feszültségérték megváltoztatására. Az alábbi ábra különböző munkaciklusokat mutat be, miközben ugyanazt a jelfrekvenciát és azonos amplitúdót tartjuk fenn.
Az átlagos PWM feszültség kiszámításához ismerni kell a munkaciklust, mivel az átlagos feszültség a munkaciklus és a jelfeszültség amplitúdója szorzata.
Például a munkaciklus 37,5% (0,357) volt, és az U1 = 12V feszültség amplitúdója az átlagos Uav feszültséget adja:
Ebben az esetben a PWM jel átlagos feszültsége 4,5 V.
A PWM nagyon egyszerű lehetőséget ad a feszültség csökkentésére az U1 tápfeszültség tartományában 0-ra. Ez használható például egy átlagos feszültségértékkel táplált egyenáramú (egyenáramú) motor forgási sebességére.
A PWM jel előállítható mikrokontrollerrel vagy analóg áramkörrel. Az ilyen áramkörökből származó jelet alacsony feszültség és nagyon alacsony kimeneti áram jellemzi. Ha erős terheléseket kell szabályozni, vezérlőrendszert kell használni, például tranzisztor használatával.
Ez lehet bipoláris vagy térhatású tranzisztor. A következő példákban ezt használjuk.
Példa egy LED vezérlésére PWM használatával.
A PWM jel a VT1 tranzisztor bázisához az R1 ellenálláson keresztül jut, más szóval a VT1 tranzisztor a jel változásával be- és kikapcsol. Ez hasonló ahhoz a helyzethez, amelyben a tranzisztor helyettesíthető egy normál kapcsolóval, az alábbiak szerint:
Amikor a kapcsoló zárva van, a LED az R2 (áramkorlátozó) ellenálláson keresztül kap áramot 12 V feszültséggel. És amikor a kapcsoló nyitva van, az áramkör megszakad, és a LED kialszik. Az ilyen alacsony frekvenciájú kapcsolás azt eredményezi, hogy .
Ha azonban szabályozni kell a LED-ek intenzitását, akkor növelni kell a PWM jel frekvenciáját, hogy megtévessze az emberi szemet. Elméletileg az 50 Hz-es kapcsolás már nem láthatatlan az emberi szem számára, ami a LED fényerejének csökkenését eredményezi.
Minél alacsonyabb a munkaciklus, annál gyengébb lesz a LED, mivel a LED egy periódus alatt rövidebb ideig világít.
Ugyanez az elv és hasonló séma használható. Motor esetén azonban két okból is szükséges magasabb (15-20 kHz feletti) kapcsolási frekvencia alkalmazása.
Ezek közül az első a motor által kiadható hangra vonatkozik (kellemetlen nyikorgás). A 15-20 kHz-es frekvencia az emberi fül hallhatóságának elméleti határa, így az e határ feletti frekvenciák hallhatatlanok lesznek.
A második kérdés a motor stabilitására vonatkozik. Ha a motort alacsony frekvenciájú jellel hajtja alacsony munkaciklus mellett, a motor fordulatszáma instabil lesz, vagy teljes leálláshoz vezethet. Ezért minél nagyobb a PWM jel frekvenciája, annál nagyobb az átlagos kimeneti feszültség stabilitása. A feszültség hullámzása is kisebb.
Nem szabad azonban túlságosan növelni a PWM jel frekvenciáját, mivel magas frekvenciákon a tranzisztornak nincs ideje teljesen kinyílni vagy zárni, és a vezérlő áramkör nem fog megfelelően működni. Ez különösen igaz a térhatású tranzisztorokra, ahol a töltési idők a kialakítástól függően viszonylag hosszúak lehetnek.
A PWM jel túl magas frekvenciája a tranzisztor veszteségeinek növekedését is okozza, mivel minden kapcsolás energiaveszteséget okoz. Nagy áramok nagy frekvenciájú vezérlésekor kis vezetési ellenállású nagy sebességű tranzisztort kell választani.
Vezérléskor ne felejtse el használni a diódát, hogy megvédje a VT1 tranzisztort az indukciós túlfeszültségektől, amelyek a tranzisztor kikapcsolásakor jelentkeznek. A dióda használatának köszönhetően az indukciós impulzus ezen és a motor belső ellenállásán keresztül kisül, ezáltal védi a tranzisztort.
