In precedenza, per alimentare i dispositivi, veniva utilizzato un circuito con un trasformatore step-down (o step-up o multi-avvolgimento), un ponte a diodi e un filtro per attenuare le increspature. Per la stabilizzazione sono stati utilizzati circuiti lineari che utilizzano stabilizzatori parametrici o integrati. Lo svantaggio principale era la bassa efficienza, il peso e le dimensioni elevati dei potenti alimentatori.
Tutti i moderni elettrodomestici utilizzano alimentatori a commutazione (UPS, IPS - la stessa cosa). La maggior parte di questi alimentatori utilizza un controller PWM come elemento di controllo principale. In questo articolo ne vedremo la struttura e lo scopo.
Definizione e principali vantaggi
Un controller PWM è un dispositivo che contiene una serie di soluzioni circuitali per il controllo degli interruttori di alimentazione. In questo caso, il controllo avviene sulla base delle informazioni ricevute attraverso i circuiti di retroazione di corrente o tensione: ciò è necessario per stabilizzare i parametri di uscita.
A volte i generatori di impulsi PWM sono chiamati controller PWM, ma non hanno la capacità di collegare circuiti di feedback e sono più adatti per i regolatori di tensione che per fornire alimentazione stabile ai dispositivi. Tuttavia, nella letteratura e nei portali Internet si possono spesso trovare nomi come "controller PWM, su NE555" o "... su Arduino" - questo non è del tutto vero per i motivi sopra indicati, possono essere utilizzati solo per regolare i parametri di uscita, ma non per stabilizzarli.
L'abbreviazione "PWM" sta per modulazione dell'ampiezza dell'impulso: questo è uno dei metodi per modulare un segnale non dovuto alla tensione di uscita, ma proprio modificando l'ampiezza dell'impulso. Di conseguenza, attraverso l'integrazione degli impulsi tramite circuiti C o LC, si forma un segnale simulato, quindi tramite livellamento.
Conclusione: un controller PWM è un dispositivo che controlla un segnale PWM.
Caratteristiche principali
Per un segnale PWM si possono distinguere due caratteristiche principali:
1. Frequenza degli impulsi: la frequenza operativa del convertitore dipende da questo. Le frequenze tipiche sono superiori a 20 kHz, in effetti 40-100 kHz.
2. Fattore di lavoro e ciclo di lavoro. Queste sono due quantità adiacenti che caratterizzano la stessa cosa. Il ciclo di lavoro può essere indicato con la lettera S e il ciclo di lavoro con D.
dove T è il periodo del segnale,
La parte di tempo dal periodo in cui viene generato un segnale di controllo all'uscita del controller è sempre inferiore a 1. Il ciclo di lavoro è sempre maggiore di 1. Ad una frequenza di 100 kHz, il periodo del segnale è 10 μs e l'interruttore è aperto per 2,5 μs, quindi il ciclo di lavoro è 0,25, in percentuale - 25%, e il ciclo di lavoro è 4.
È anche importante considerare la progettazione interna e lo scopo del numero di chiavi gestite.
Differenze rispetto agli schemi a perdita lineare
Come già accennato, il vantaggio rispetto ai circuiti lineari è l'elevata efficienza (più dell'80, attualmente 90%). Ciò è dovuto a quanto segue:
Diciamo che la tensione livellata dopo il ponte a diodi è 15 V, la corrente di carico è 1 A. È necessario procurarsi un alimentatore stabilizzato a 12V. In effetti, uno stabilizzatore lineare è una resistenza che cambia il suo valore in base al valore della tensione di ingresso per ottenere un'uscita nominale - con piccole deviazioni (frazioni di volt) quando cambia l'ingresso (unità e decine di volt).
Come è noto, i resistori rilasciano energia termica quando sono attraversati da corrente elettrica. Lo stesso processo avviene sugli stabilizzatori lineari. La potenza assegnata sarà pari a:
Ploss=(Uin-Uout)*I
Poiché nell'esempio considerato la corrente di carico è 1 A, la tensione di ingresso è 15 V e la tensione di uscita è 12 V, calcoleremo le perdite e l'efficienza dello stabilizzatore lineare (KRENK o tipo L7812):
Perdita=(15V-12V)*1A = 3V*1A = 3W
Allora l'efficienza è:
n=Puseful/Pconsumato
n=((12V*1A)/(15V*1A))*100%=(12W/15W)*100%=80%
La caratteristica principale del PWM è che l'elemento di potenza, sia esso un MOSFET, è completamente aperto o completamente chiuso e non vi scorre alcuna corrente. Pertanto, le perdite di efficienza sono dovute solo alle perdite di conduttività
E perdite di commutazione. Questo è un argomento per un articolo separato, quindi non ci soffermeremo su questo problema. Inoltre, si verificano perdite nell'alimentatore (in ingresso e in uscita, se l'alimentatore è alimentato dalla rete), nonché sui conduttori, sugli elementi filtranti passivi, ecc.
Struttura generale
Consideriamo la struttura generale di un controller PWM astratto. Ho usato la parola “astratto” perché, in generale, sono tutti simili, ma la loro funzionalità può comunque differire entro certi limiti, e la struttura e le conclusioni differiranno di conseguenza.
All'interno del controller PWM, come qualsiasi altro circuito integrato, è presente un cristallo semiconduttore su cui si trova un circuito complesso. Il controllore comprende le seguenti unità funzionali:
1. Generatore di impulsi.
2. Sorgente di tensione di riferimento. (E LUI)
3. Circuiti per l'elaborazione del segnale di feedback (OS): amplificatore di errore, comparatore.
4. Controlli del generatore di impulsi transistor incorporati, progettati per controllare uno o più tasti di accensione.
Il numero di interruttori di alimentazione che un controller PWM può controllare dipende dal suo scopo. I convertitori flyback più semplici nel loro circuito contengono 1 interruttore di alimentazione, circuiti a mezzo ponte (push-pull) - 2 interruttori, circuiti a ponte - 4.
La scelta del controller PWM dipende anche dal tipo di chiave. Per controllare un transistor bipolare, il requisito principale è che la corrente di controllo in uscita del controller PWM non sia inferiore alla corrente del transistor divisa per H21e, in modo che possa essere acceso e spento semplicemente inviando impulsi alla base. In questo caso, la maggior parte dei controller andrà bene.
Nel caso della gestione, ci sono alcune sfumature. Per uno spegnimento rapido è necessario scaricare la capacità del gate. Per fare ciò, il circuito di uscita del gate è costituito da due tasti: uno di essi è collegato all'alimentazione tramite il pin IC e controlla il gate (accende il transistor), mentre il secondo è installato tra l'uscita e la terra, quando è necessario spegnere il transistor di potenza: il primo tasto si chiude, il secondo si apre, chiudendo l'otturatore a terra e scaricandolo.
Interessante:
Alcuni controller PWM per alimentatori a bassa potenza (fino a 50 W) non utilizzano interruttori di alimentazione integrati o esterni. Esempio: 5l0830R
In generale, un controller PWM può essere rappresentato come un comparatore, a un ingresso del quale viene fornito un segnale dal circuito di retroazione (FC), mentre al secondo ingresso viene fornito un segnale di variazione del dente di sega. Quando il segnale a dente di sega raggiunge e supera in grandezza il segnale OS, un impulso appare all'uscita del comparatore.
Quando cambiano i segnali sugli ingressi, cambia l'ampiezza dell'impulso. Supponiamo che tu abbia collegato un potente consumatore all'alimentatore e che la tensione alla sua uscita diminuisca, quindi anche la tensione del sistema operativo diminuirà. Quindi, per la maggior parte del periodo, il segnale a dente di sega supererà il segnale di feedback e l'ampiezza dell'impulso aumenterà. Tutto quanto sopra si riflette in una certa misura nei grafici.
Schema funzionale di un controller PWM utilizzando come esempio il TL494 lo vedremo più in dettaglio in seguito. Lo scopo dei pin e dei singoli nodi è descritto nel sottotitolo seguente.
Assegnazione dei pin
I controller PWM sono disponibili in vari pacchetti. Possono avere da tre a 16 o più conclusioni. Di conseguenza, la flessibilità di utilizzo del controller dipende dal numero di pin, o meglio dal loro scopo. Ad esempio, un microcircuito popolare ha molto spesso 8 pin e uno ancora più iconico ne ha TL494- 16 o 24.
Pertanto, diamo un'occhiata ai tipici nomi dei pin e al loro scopo:
GND- il terminale comune è collegato al negativo del circuito oppure a massa.
Uc(Vc)- alimentazione del microcircuito.
Ucc (Vss, Vcc)- Uscita per il controllo della potenza. Se la potenza diminuisce, è possibile che gli interruttori di alimentazione non si aprano completamente e, per questo motivo, inizieranno a riscaldarsi e a bruciarsi. L'uscita è necessaria per disabilitare il controller in una situazione del genere.
FUORI- come suggerisce il nome, questo è l'output del controller. Qui viene emesso il segnale PWM di controllo per gli interruttori di potenza. Abbiamo accennato in precedenza che i convertitori di topologie diverse hanno numeri di chiavi diversi. Il nome del pin può variare a seconda di ciò. Ad esempio, nei controller a mezzo ponte può essere chiamato HO e LO rispettivamente per gli interruttori alto e basso. In questo caso, l'uscita può essere single-ended o push-pull (con un interruttore e due) - per controllare i transistor ad effetto di campo (vedere la spiegazione sopra). Ma il controller stesso può essere per circuiti a ciclo singolo e push-pull, rispettivamente con uno e due pin di uscita. È importante.
Vref- tensione di riferimento, solitamente collegata a terra tramite un piccolo condensatore (unità di microfarad).
ILIM- segnale dal sensore di corrente. Necessario per limitare la corrente di uscita. Si collega ai circuiti di feedback.
ILIMREF- su di esso viene impostata la tensione di intervento della gamba ILIM
SS- viene generato un segnale per un avvio graduale del controller. Progettato per una transizione graduale alla modalità nominale. Tra esso e il filo comune è installato un condensatore per garantire un avvio regolare.
RtCt- terminali per il collegamento di un circuito RC di temporizzazione, che determina la frequenza del segnale PWM.
OROLOGIO- impulsi di clock per sincronizzare più controller PWM tra loro, quindi il circuito RC è collegato solo al controller master e gli slave RT con Vref, gli slave CT sono collegati a quello comune.
RAMPAè l'input di confronto. Ad esso viene applicata una tensione a dente di sega, ad esempio dal pin Ct. Quando supera il valore di tensione sull'uscita dell'amplificazione dell'errore, su OUT appare un impulso di spegnimento, la base per la regolazione PWM.
INV e NONINV- questi sono gli ingressi invertenti e non invertenti del comparatore su cui è costruito l'amplificatore di errore. In parole semplici: maggiore è la tensione su INV, più lunghi saranno gli impulsi in uscita e viceversa. Ad esso è collegato il segnale proveniente dal partitore di tensione nel circuito di retroazione dall'uscita. Quindi l'ingresso non invertente NONINV è collegato al filo comune - GND.
EAOUT o uscita dell'amplificatore di errore russo. Uscita dell'amplificatore di errore. Nonostante siano presenti ingressi dell'amplificatore di errore e con il loro aiuto, in linea di principio, è possibile regolare i parametri di uscita, ma il controller reagisce piuttosto lentamente. A causa di una risposta lenta, il circuito potrebbe eccitarsi e guastarsi. Pertanto, i segnali vengono forniti da questo pin attraverso circuiti dipendenti dalla frequenza all'INV. Questa è anche chiamata correzione della frequenza dell'amplificatore di errore.
Esempi di dispositivi reali
Per consolidare le informazioni, diamo un'occhiata ad alcuni esempi di tipici controller PWM e ai relativi circuiti di connessione. Lo faremo usando l'esempio di due microcircuiti:
TL494 (i suoi analoghi: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);
Sono utilizzati attivamente. A proposito, questi alimentatori hanno una potenza considerevole (100 W o più sul bus a 12 V). Spesso utilizzato come donatore per la conversione in un alimentatore da laboratorio o in un potente caricabatterie universale, ad esempio per le batterie delle automobili.
TL494 - recensione
Cominciamo con il 494esimo chip. Le sue caratteristiche tecniche:
In questo esempio particolare, puoi vedere la maggior parte dei risultati descritti sopra:
1. Ingresso non invertente del primo comparatore di errori
2. Inversione dell'ingresso del primo comparatore di errori
3. Ingresso feedback
4. Ingresso regolazione tempo morto
5. Terminale per il collegamento di un condensatore di temporizzazione esterno
6. Uscita per il collegamento di un resistore di temporizzazione
7. Pin comune del microcircuito, meno alimentazione
8. Terminale collettore del primo transistor di uscita
9. Terminale di emettitore del primo transistor di uscita
10. Terminale di emettitore del secondo transistor di uscita
11. Terminale collettore del secondo transistor di uscita
12. Ingresso tensione di alimentazione
13. Ingresso per la selezione della modalità di funzionamento a ciclo singolo o push-pull del microcircuito
14. Uscita di riferimento integrata da 5 volt
15. Inversione dell'ingresso del secondo comparatore di errori
16. Ingresso non invertente del secondo comparatore di errori
La figura seguente mostra un esempio di alimentatore per computer basato su questo chip.
UC3843 - revisione
Un altro PWM popolare è il chip 3843: su di esso sono costruiti anche computer e altri alimentatori. La sua piedinatura si trova più in basso, come puoi vedere, ha solo 8 pin, ma svolge le stesse funzioni dell'IC precedente.
Interessante:
Esistono UC3843 in una custodia a 14 gambe, ma sono molto meno comuni. Prestare attenzione ai contrassegni: i pin aggiuntivi sono duplicati o non utilizzati (NC).
Decifriamo lo scopo delle conclusioni:
1. Ingresso comparatore (amplificatore di errore).
2. Ingresso tensione di feedback. Questa tensione viene confrontata con la tensione di riferimento all'interno dell'IC.
3. Sensore di corrente. È collegato a un resistore situato tra il transistor di potenza e il filo comune. Necessario per la protezione da sovraccarico.
4. Circuito RC di temporizzazione. Con il suo aiuto, viene impostata la frequenza operativa dell'IC.
6. Esci. Voltaggio di controllo. Collegato al gate del transistor, ecco uno stadio di uscita push-pull per controllare un convertitore single-ended (un transistor), che può essere visto nella figura seguente.
Tipi Buck, Boost e Buck-Boost.
Forse uno degli esempi di maggior successo sarà il diffuso microcircuito LM2596, sulla base del quale è possibile trovare molti convertitori sul mercato, come mostrato di seguito.
Un tale microcircuito contiene tutte le soluzioni tecniche sopra descritte e inoltre, al posto dello stadio di uscita sugli interruttori a bassa potenza, ha un interruttore di alimentazione integrato in grado di sopportare una corrente fino a 3 A. La struttura interna di tale convertitore è mostrata di seguito.
Puoi star certo che in sostanza non ci sono differenze particolari rispetto a quelle discusse in esso.
Ma ecco un esempio su un controller del genere, come puoi vedere, non c'è un interruttore di alimentazione, ma solo un microcircuito 5L0380R con quattro pin. Ne consegue che in alcuni compiti i complessi circuiti e la flessibilità del TL494 semplicemente non sono necessari. Questo vale per gli alimentatori a bassa potenza, dove non esistono requisiti speciali per rumore e interferenze e l'ondulazione in uscita può essere soppressa con un filtro LC. Si tratta di un alimentatore per strisce LED, laptop, lettori DVD, ecc.
Conclusione
All'inizio dell'articolo si diceva che un controller PWM è un dispositivo che simula il valore medio della tensione modificando l'ampiezza dell'impulso in base al segnale proveniente dal circuito di feedback. Noto che i nomi e le classificazioni di ciascun autore sono spesso diversi; a volte un controller PWM è chiamato semplice regolatore di tensione PWM e la famiglia di microcircuiti elettronici descritta in questo articolo è chiamata "Sottosistema integrato per convertitori stabilizzati a impulsi". Il nome non cambia l'essenza, ma nascono controversie e incomprensioni.
Per esempio);
Istruzioni per l'utilizzo del PWM in Arduino
1 informazioni generali sulla modulazione dell'ampiezza dell'impulso
I pin digitali di Arduino possono emettere solo due valori: 0 logico (BASSO) e 1 logico (ALTO). Ecco perché sono digitali. Ma Arduino ha dei pin “speciali”, che sono designati PWM. A volte sono indicati da una linea ondulata "~" o cerchiati o altrimenti distinti dagli altri. PWM sta per Modulazione di larghezza di impulso O modulazione dell'ampiezza dell'impulso, PWM.
Un segnale modulato in larghezza di impulso è un segnale di impulso di frequenza costante, ma variabile ciclo di lavoro(il rapporto tra la durata dell'impulso e il suo periodo di ripetizione). A causa del fatto che la maggior parte dei processi fisici in natura hanno inerzia, le improvvise cadute di tensione da 1 a 0 verranno attenuate, assumendo un valore medio. Impostando il ciclo di lavoro, è possibile modificare la tensione media sull'uscita PWM.
Se il ciclo di lavoro è del 100%, l'uscita digitale di Arduino avrà sempre una tensione logica di "1" o 5 volt. Se si imposta il ciclo di lavoro al 50%, per metà del tempo l'uscita sarà "1" logico e per metà del tempo - "0 logico" e la tensione media sarà di 2,5 volt. E così via.
Nel programma, il ciclo di lavoro non è specificato come percentuale, ma come numero da 0 a 255. Ad esempio, il comando analogWrite(10, 64) dirà al microcontrollore di inviare un segnale con un ciclo di lavoro del 25% all'uscita PWM digitale n. 10.
I pin Arduino con funzione di modulazione dell'ampiezza dell'impulso funzionano a una frequenza di circa 500 Hz. Ciò significa che il periodo di ripetizione dell'impulso è di circa 2 millisecondi, misurato dai tratti verticali verdi nella figura.
Si scopre che possiamo simulare un segnale analogico su un'uscita digitale! Interessante, vero?!Come possiamo usare il PWM? Tantissime applicazioni! Ad esempio, controllare la luminosità di un LED, la velocità di rotazione del motore, la corrente del transistor, il suono di un emettitore piezoelettrico, ecc...
2 Diagramma per dimostrazione Modulazione di larghezza di impulso in Arduino
Diamo un'occhiata all'esempio più semplice: controllare la luminosità di un LED utilizzando PWM. Mettiamo insieme uno schema classico.
3 Esempio di schizzo con PWM
Apriamo lo schizzo "Fade" dagli esempi: Esempi di file 01.Nozioni di base Dissolvenza.
Modifichiamolo un po' e carichiamolo nella memoria di Arduino.
Int ledPin = 3; //dichiara un pin che controlla la luminosità del LED int = 0; // variabile per impostare la luminosità int fadeAmount = 5; // passo di modifica della luminosità configurazione nulla() ( pinMode(LEDPin, USCITA); } ciclo vuoto() ( analogWrite(LEDPin, luminosità); // imposta la luminosità sul pin ledPin luminosità += fadeAmount; // cambia il valore di luminosità /* quando si raggiungono i limiti 0 o 255, cambia la direzione del cambiamento di luminosità */ if (luminosità == 0 || luminosità == 255) ( fadeAmount = -fadeAmount; // cambia il segno di il passo ) ritardo(30); // ritardo per una maggiore visibilità dell'effetto }
4 Controllo della luminosità dei LED utilizzando PWM e Arduino
Accendi l'alimentazione. Il LED aumenta gradualmente la luminosità e poi diminuisce gradualmente. Abbiamo simulato un segnale analogico sull'uscita digitale utilizzando la modulazione di larghezza di impulso.
Guardate il video allegato, che mostra chiaramente la variazione della luminosità del LED; sull'oscilloscopio collegato potete vedere come cambia il segnale proveniente da Arduino.
Una buona definizione di modulazione di larghezza di impulso (PWM) è già nel nome stesso. Ciò significa modulare (cambiare) l'ampiezza dell'impulso (non la frequenza). Per capire meglio cos'è il PWM, diamo prima un'occhiata ad alcuni punti salienti.
I microcontrollori sono componenti digitali intelligenti che funzionano sulla base di segnali binari. La migliore rappresentazione di un segnale binario è un'onda quadra (un segnale di forma rettangolare). Il diagramma seguente spiega i termini di base associati all'onda quadra.
In un segnale PWM, il tempo (periodo), e quindi la frequenza, è sempre un valore costante. Cambiano solo i tempi di attivazione e disattivazione dell'impulso (fattore di lavoro). Utilizzando questo metodo di modulazione, possiamo ottenere la tensione di cui abbiamo bisogno.
L'unica differenza tra un'onda quadra e un segnale PWM è che un'onda quadra ha tempi di accensione e spegnimento uguali e costanti (ciclo di lavoro del 50%), mentre un segnale PWM ha un ciclo di lavoro variabile.
Un'onda quadra può essere considerata un caso speciale di segnale PWM che ha un ciclo di lavoro del 50% (periodo attivo = periodo spento).
Diamo un'occhiata all'esempio dell'utilizzo di PWM
Diciamo di avere una tensione di alimentazione di 50 volt e di dover alimentare un carico che funzioni a 40 volt. In questo caso, un buon modo per ottenere 40 V da 50 V è utilizzare quello che viene chiamato chopper step-down.
Il segnale PWM generato dal chopper viene fornito all'unità di potenza del circuito (tiristore, transistor ad effetto di campo), che a sua volta controlla il carico. Questo segnale PWM può essere facilmente generato da un microcontrollore dotato di timer.
Requisiti affinché un segnale PWM ottenga 40V da 50V utilizzando un tiristore: alimentare per un tempo = 400 ms e spegnere per un tempo = 100 ms (tenendo conto del periodo del segnale PWM pari a 500 ms).
In termini generali, ciò può essere facilmente spiegato come segue: sostanzialmente un tiristore funge da interruttore. Il carico riceve la tensione di alimentazione dalla sorgente attraverso un tiristore. Quando il tiristore è nello stato spento, il carico non è collegato alla sorgente, mentre quando il tiristore è nello stato acceso, il carico è collegato alla sorgente.
Questo processo di accensione e spegnimento del tiristore viene eseguito utilizzando un segnale PWM.
Il rapporto tra il periodo di un segnale PWM e la sua durata è chiamato ciclo di lavoro del segnale, mentre l'inverso del ciclo di lavoro è chiamato ciclo di lavoro.
Se il ciclo di lavoro è 100, in questo caso abbiamo un segnale costante.
Pertanto, il ciclo di lavoro (ciclo di lavoro) può essere calcolato utilizzando la seguente formula:
Utilizzando le formule di cui sopra, possiamo calcolare il tempo di accensione del tiristore per ottenere la tensione di cui abbiamo bisogno.
Moltiplicando il ciclo di lavoro degli impulsi per 100, possiamo rappresentarlo in percentuale. Pertanto, la percentuale del ciclo di lavoro dell'impulso è direttamente proporzionale al valore della tensione rispetto a quello originale. Nell'esempio sopra, se vogliamo ottenere 40 volt da un alimentatore da 50 volt, ciò può essere ottenuto generando un segnale con un ciclo di lavoro dell'80%. Perché l'80% di 50 invece di 40.
Per consolidare il materiale, risolviamo il seguente problema:
- Calcoliamo la durata dell'accensione e dello spegnimento di un segnale avente una frequenza di 50 Hz e un duty cycle del 60%.
L'onda PWM risultante sarà simile alla seguente:
Uno dei migliori esempi di utilizzo della modulazione dell'ampiezza dell'impulso è l'utilizzo del PWM per regolare la velocità di un motore o la luminosità di un LED.
Questa tecnica di modifica dell'ampiezza dell'impulso per ottenere il ciclo di lavoro richiesto è chiamata "modulazione dell'ampiezza dell'impulso".
L'incomprensione del funzionamento di PWM o PWM (modulazione di larghezza di impulso) spesso porta non solo al loro uso errato, ma anche a errori nella progettazione di dispositivi che utilizzano PWM per il controllo. Qui, limitandoci ad un'applicazione specifica, proverò a dirti cos'è il PWM, perché è richiesto e come funziona.
Innanzitutto, cos'è il PWM?
Quando è necessario il PWM?
Il motivo principale per utilizzare la tecnologia PWM è la necessità di fornire una bassa tensione CC per alimentare i dispositivi elettronici mantenendo un'elevata efficienza, soprattutto negli azionamenti elettrici controllati.
Nelle reti interne delle apparecchiature, la tensione CC di un insieme limitato di tensioni viene utilizzata per alimentare i dispositivi, che spesso devono essere modificati per soddisfare i requisiti di un particolare dispositivo, stabilizzarlo o regolarlo. Questi possono essere azionamenti elettrici CC, chip, componenti di apparecchiature radio.
La regolazione può essere effettuata utilizzando dispositivi di smorzamento della tensione: resistori, transistor (se è richiesta una regolazione). Lo svantaggio principale di questa soluzione è la perdita di potenza e l'aumento della generazione di calore sui dispositivi di controllo.
Poiché è noto che la potenza liberata è pari a:
P = I x U o P = I 2 x R W.
quindi maggiore è la corrente I nel circuito e la caduta di tensione U, maggiore è la perdita di potenza. Qui R è il valore di resistenza dell'elemento di controllo.
Immagina di dover spegnere almeno 3 V con una corrente di carico di 10 A, questo è già 30 W sprecati. E ogni watt di potenza persa non solo riduce il tempo di funzionamento degli alimentatori, ma richiede anche apparecchiature aggiuntive per rimuovere il calore generato da questa potenza.
Ciò vale anche per i resistori di spegnimento e per i dispositivi a semiconduttore.
Ma è noto che i dispositivi a semiconduttore funzionano molto bene (con basse perdite e generazione di calore) come interruttori quando hanno solo due stati aperto/chiuso.
Questa modalità consente di ridurre le perdite sul dispositivo a semiconduttore di commutazione al livello:
Pmax = IxUus
U us per i moderni interruttori a semiconduttore si avvicina a 0,3 V e con un consumo di corrente di 10 A, le perdite di potenza si avvicineranno a 3 W. Questo è in modalità switch e quando si lavora con dispositivi PWM è ancora meno.
|
PWM utilizza dispositivi a semiconduttore in modalità di commutazione come elementi chiave, ovvero il transistor è sempre aperto (spento) o chiuso (in uno stato di saturazione). Nel primo caso Il transistor ha una resistenza quasi infinita, quindi la corrente nel circuito è molto piccola e, sebbene tutta la tensione di alimentazione scenda attraverso il transistor, la potenza rilasciata dal transistor è praticamente zero. Nel secondo caso La resistenza del transistor è estremamente bassa e, pertanto, la caduta di tensione ai suoi capi è prossima allo zero: anche la potenza rilasciata è piccola. Negli stati di transizione (transizione di una commutazione dallo stato di conduzione allo stato di non conduzione e viceversa) la potenza rilasciata nell'interruttore è significativa, ma poiché la durata degli stati di transizione è estremamente breve in rapporto al periodo di modulazione, la potenza media di commutazione le perdite risultano insignificanti. |
L'uso del PWM ha permesso di realizzare i vantaggi della modalità chiave nei circuiti che riducono e regolano la tensione CC.
Ripeto, la modulazione di larghezza di impulso è il controllo del valore medio della tensione sul carico integrante modificando il duty cycle degli impulsi mediante un tasto di controllo.
Il funzionamento del PWM su un carico integrante è mostrato in Fig. 1.
Immagine 1
La condizione principale per tale utilizzo del PWM è la presenza di un carico di integrazione.
Poiché il valore di ampiezza della tensione è uguale a E.
Questi possono integrare circuiti RC, LC, RLC o RL e integratori meccanici (ad esempio un motore elettrico).
Quando PWM funziona su un carico di integrazione, la tensione, ovvero la tensione CC equivalente, cambia a seconda del ciclo di lavoro (Q) degli impulsi.
Q = t e /T< 1
qui: Q - ciclo di lavoro, t e - durata dell'impulso, T - periodo di ripetizione dell'impulso.
Tenendo conto del ciclo di lavoro, la tensione continua equivalente sarà pari a:
Eeq = Q x EVolt
qui: E eq - tensione continua equivalente (Volt), Q - ciclo di lavoro, E - tensione della sorgente da cui è alimentato il convertitore PWM (Volt).
In realtà, ai terminali del carico PWM viene applicata una tensione pari a E, e il lavoro compiuto dalla corrente elettrica (ovvero il numero di giri del motore elettrico) è determinato proprio da E eq. Quando si ripristina il condensatore di integrazione, otteniamo esattamente la tensione E equivalente.
La potenza assegnata all'interruttore di controllo controllato da PWM è pari a:
Pmax = Q x I x U us
Caricare lo schema di collegamento su PWM.
Il PWM non richiede soluzioni circuitali diverse dal circuito di commutazione del motore CC (un caso speciale di carico). Il motore elettrico è semplicemente collegato ad una fonte di alimentazione funzionante in modalità PWM. A meno che, in determinate situazioni, non sia necessario introdurre un ulteriore filtraggio del rumore derivante dai fronti degli impulsi. Questo filtro in Fig. 2 sotto forma di condensatori e un diodo di smorzamento.
figura 2
Nella fig. 2 mostra tale connessione.
Vediamo che l'interruttore (transistor ad effetto di campo) può essere semplicemente sostituito con un resistore variabile.
Circuito PWM
Nell'articolo "Adattatore per ventola da 3 pin a 4 pin" http://de1fer.ru/?p=45#more-45 il proprietario del blog fornisce uno schema di una ventola con P WM.
Figura 3
qui: GND - terra (comune), Controllo - contatto P WM controllo, +12 - tensione di alimentazione, Sense - uscita sensore di velocità.
In questo circuito il controllo è possibile piuttosto con il controllo in corrente continua +I che con un segnale PWM.
Per controllare un segnale a impulsi (PWM), è necessario il circuito mostrato in Fig.. 4. E a giudicare dai parametri del transistor "PWM", è stato scelto appositamente per il controllo della corrente continua. Almeno funzionerà normalmente in questa modalità con una ventola fino a 1,6 W.
Figura 4
Ma nella modalità a impulsi senza condensatore C, il transistor BC879 si riscalda un po' meno che in corrente continua e il motore elettrico può fermarsi con brevi durate di impulso di corrente (basse velocità) grazie alla sua integrazione all'ingresso della capacità di ingresso C del transistor.
Parametri principali del transistor npn bipolare ad alta frequenza in silicio BC879 di SIEMENS
| massimo PC | Ucb massimo | Uce max | Web massimo | Icmax | Tjmax, °C | Piede massimo |
| 800 mW | 100 V | 80 V | 5 V | 1A | 150°C | 200 MHz |
Se necessario, disabilitare il controllo PWM (PWM) nel circuito mostrato in Fig. 3 devi solo collegare il pin di controllo al cavo +12v.
C'è un'altra versione del circuito della ventola con P WM sul forum Radeon.ru
Figura 5
Differenze significative rispetto alla Fig. 3 no, come interruttore controllato da PWM viene utilizzato solo un transistor ad effetto di campo MOS con un canale di tipo p integrato o indotto. Questo circuito può anche essere controllato sia da P WM che da tensione costante (ma non vale la pena rischiare: è necessario conoscere i parametri del transistor).
Questo circuito è pienamente operativo e non presenta gli svantaggi del circuito mostrato in Fig. 3.
Per spegnerlo (a seconda del tipo di transistor), basta collegare il pin di Controllo al filo + o -.
Attenzione fai da te!
Se non sei soddisfatto dell'algoritmo di controllo PWM integrato nella scheda madre (sistema).
E hai un reobas (controller di controllo della ventola) adatto a te, quindi utilizza una ventola con un connettore a 3 pin.
Se una ventola con PWM ti è cara o non ha una sostituzione, devi disabilitare PWM utilizzando il metodo sopra descritto, sostituendo il connettore a 4 pin con uno a 3 pin e collegandolo al rheobass.
Ma ricorda, l'utilizzo di una ventola PWM in qualsiasi modalità anomala non ti consentirà di ottenere le massime prestazioni.
Si sconsiglia l'uso del controllo della corrente CC contemporaneamente al PWM a causa di una riduzione della tensione di alimentazione della ventola del 10-20%, che non consentirà a tale ventola di raggiungere le massime prestazioni.
L'utilizzo simultaneo di PWM - PWM lungo il circuito di alimentazione può portare a periodiche instabilità del funzionamento della ventola (possono verificarsi battiti scorrevoli tra le frequenze PWM - PWM lungo il circuito di alimentazione dei sistemi) e creare ambiguità per i sistemi dotati di stabilizzazione della velocità sistema. Inoltre, come nel caso precedente, la tensione risultante sulla ventola diminuirà del 10-15%, il che non consentirà a tale ventola di raggiungere le massime prestazioni.
Quindi fermati su una cosa. Utilizzare una ventola PWM oppure utilizzare il controllo della ventola esterna tramite il circuito di alimentazione su una ventola con un connettore a 3 pin.
Conclusione
L'uso del PWM o, come si diceva, PWM aumenta l'efficienza dei dispositivi DC che riducono la tensione, riducendo la generazione di calore complessiva dei dispositivi elettronici con PWM.
PWM consente di creare sistemi di azionamento elettrici compatti e controllati in corrente continua ad alta potenza.
Nei moderni dispositivi di controllo della tensione CC e negli stabilizzatori di tensione step-down, le regolazioni vengono solitamente effettuate utilizzando PWM. A questo scopo vengono prodotti controller che richiedono un minimo di allegati.
Ora possiamo dire addio a resistori e reostati di smorzamento!
preparato da A. Sorokin,
PWM o PWM (modulazione di larghezza di impulso) - modulazione dell'ampiezza dell'impulso- Questo metodo è progettato per controllare l'entità della tensione e della corrente. L'azione del PWM è modificare la larghezza di un impulso di ampiezza costante e frequenza costante.
Le proprietà della regolazione PWM vengono utilizzate nei convertitori di impulsi, nei circuiti per il controllo dei motori CC o nella luminosità dei LED.
Principio di funzionamento PWM
Il principio di funzionamento del PWM, come indica il nome stesso, è modificare l'ampiezza dell'impulso del segnale. Quando si utilizza il metodo di modulazione dell'ampiezza dell'impulso, la frequenza e l'ampiezza del segnale rimangono costanti. Il parametro più importante del segnale PWM è il ciclo di lavoro, che può essere determinato con la seguente formula:
Si può anche notare che la somma del tempo del segnale alto e basso determina il periodo del segnale:
Dove:
- Ton - tempo di alto livello
- Toff - tempo di basso livello
- T: periodo del segnale
Il tempo alto e il tempo basso del segnale sono mostrati nella figura in basso. La tensione U1 è lo stato di alto livello del segnale, cioè la sua ampiezza.
La figura seguente è un esempio di segnale PWM con uno specifico intervallo di tempo alto e basso.
Calcolo del ciclo di lavoro PWM
Calcolo del ciclo di lavoro PWM utilizzando l'esempio:
Per calcolare il fattore di riempimento percentuale, è necessario eseguire calcoli simili e moltiplicare il risultato per 100%:
Come risulta dal calcolo, in questo esempio il segnale (livello alto) è caratterizzato da un riempimento pari a 0,357 o comunque 37,5%. Il fattore di riempimento è un valore astratto.
Una caratteristica importante della modulazione dell'ampiezza dell'impulso può anche essere la frequenza del segnale, che viene calcolata con la formula:
Il valore di T, nel nostro esempio, dovrebbe essere preso in secondi affinché le unità nella formula corrispondano. Poiché la formula della frequenza è 1/sec, convertiamo 800 ms in 0,8 sec.
Grazie alla possibilità di regolare l'ampiezza dell'impulso è possibile modificare, ad esempio, il valore medio della tensione. La figura seguente mostra diversi cicli di lavoro mantenendo la stessa frequenza del segnale e la stessa ampiezza.
Per calcolare la tensione PWM media, è necessario conoscere il ciclo di lavoro, poiché la tensione media è il prodotto del ciclo di lavoro e dell'ampiezza della tensione del segnale.
Ad esempio, il duty cycle era pari al 37,5% (0,357) e l'ampiezza della tensione U1 = 12V darà la tensione media Uav:
In questo caso, la tensione media del segnale PWM è 4,5 V.
PWM offre una capacità molto semplice di ridurre la tensione nell'intervallo dalla tensione di alimentazione U1 a 0. Questo può essere utilizzato, ad esempio, per la velocità di rotazione di un motore CC (corrente continua) alimentato da un valore di tensione medio.
Il segnale PWM può essere generato da un microcontrollore o da un circuito analogico. Il segnale proveniente da tali circuiti è caratterizzato da bassa tensione e corrente di uscita molto bassa. Se è necessario regolare carichi potenti, è necessario utilizzare un sistema di controllo, ad esempio utilizzando un transistor.
Può essere un transistor bipolare o ad effetto di campo. Negli esempi seguenti verrà utilizzato.
Un esempio di controllo di un LED tramite PWM.
Il segnale PWM viene fornito alla base del transistor VT1 attraverso il resistore R1, in altre parole, il transistor VT1 si accende e si spegne al variare del segnale. Ciò è simile alla situazione in cui il transistor può essere sostituito da un normale interruttore, come mostrato di seguito:
Quando l'interruttore è chiuso, il LED viene alimentato tramite la resistenza R2 (limitatrice di corrente) con una tensione di 12V. E quando l'interruttore è aperto, il circuito viene interrotto e il LED si spegne. Tale commutazione a bassa frequenza comporterà .
Tuttavia, se è necessario controllare l'intensità dei LED, è necessario aumentare la frequenza del segnale PWM, in modo da ingannare l'occhio umano. Teoricamente, la commutazione ad una frequenza di 50 Hz non è più invisibile all'occhio umano, il che si traduce in un effetto di riduzione della luminosità del LED.
Più basso è il ciclo di lavoro, più debole sarà il LED perché resterà acceso per meno tempo durante un periodo.
È possibile utilizzare lo stesso principio e uno schema simile. Nel caso di un motore, invece, è necessario utilizzare una frequenza di commutazione più elevata (superiore a 15-20 kHz) per due motivi.
Il primo di questi riguarda il rumore che può emettere il motore (uno sgradevole cigolio). La frequenza di 15-20 kHz è il limite teorico di udibilità dell'orecchio umano, quindi le frequenze superiori a questo limite non saranno udibili.
La seconda domanda riguarda la stabilità del motore. Quando si guida il motore con un segnale a bassa frequenza con un ciclo di lavoro basso, la velocità del motore sarà instabile o potrebbe portare all'arresto completo. Pertanto, maggiore è la frequenza del segnale PWM, maggiore è la stabilità della tensione di uscita media. C'è anche meno ondulazione di tensione.
Tuttavia, non dovresti aumentare troppo la frequenza del segnale PWM, poiché alle alte frequenze il transistor potrebbe non avere il tempo di aprirsi o chiudersi completamente e il circuito di controllo non funzionerà correttamente. Ciò è particolarmente vero per i transistor ad effetto di campo, dove i tempi di ricarica possono essere relativamente lunghi, a seconda del progetto.
Una frequenza troppo elevata del segnale PWM provoca anche un aumento delle perdite nel transistor, poiché ogni commutazione provoca perdite di energia. Quando si controllano grandi correnti ad alte frequenze, è necessario selezionare un transistor ad alta velocità con bassa resistenza di conduzione.
Durante il controllo, dovresti ricordarti di utilizzare un diodo per proteggere il transistor VT1 dai picchi di induzione che compaiono quando il transistor è spento. Grazie all'utilizzo di un diodo, l'impulso di induzione e la resistenza interna del motore vengono scaricati attraverso di esso, proteggendo così il transistor.
