Wcześniej do zasilania urządzeń używano obwodu z transformatorem obniżającym (lub podwyższającym lub wielouzwojeniowym), mostkiem diodowym i filtrem wygładzającym tętnienia. Do stabilizacji wykorzystano obwody liniowe wykorzystujące stabilizatory parametryczne lub zintegrowane. Główną wadą była niska wydajność oraz duża waga i wymiary potężnych zasilaczy.
Wszystkie nowoczesne domowe urządzenia elektryczne wykorzystują zasilacze impulsowe (UPS, IPS - to samo). Większość tych zasilaczy wykorzystuje kontroler PWM jako główny element sterujący. W tym artykule przyjrzymy się jego strukturze i celowi.
Definicja i główne korzyści
Kontroler PWM to urządzenie, które zawiera szereg rozwiązań układowych do sterowania wyłącznikami mocy. Sterowanie odbywa się w tym przypadku na podstawie informacji otrzymanych poprzez obwody sprzężenia zwrotnego dotyczącego prądu lub napięcia – jest to niezbędne do stabilizacji parametrów wyjściowych.
Czasami generatory impulsów PWM nazywane są kontrolerami PWM, ale nie mają możliwości podłączenia obwodów sprzężenia zwrotnego i bardziej nadają się do regulatorów napięcia niż do zapewnienia stabilnego zasilania urządzeń. Jednak w literaturze i na portalach internetowych często można spotkać nazwy typu „kontroler PWM, na NE555” czy „...na Arduino” – nie jest to do końca prawdą z powyższych powodów, służą one jedynie do regulacji parametrów wyjściowych, ale nie po to, żeby je ustabilizować.
Skrót „PWM” oznacza modulację szerokości impulsu - jest to jedna z metod modulowania sygnału nie za pomocą napięcia wyjściowego, ale właśnie poprzez zmianę szerokości impulsu. W rezultacie symulowany sygnał powstaje poprzez całkowanie impulsów za pomocą obwodów C lub LC, innymi słowy poprzez wygładzanie.
Wniosek: Kontroler PWM to urządzenie sterujące sygnałem PWM.
Główna charakterystyka
W przypadku sygnału PWM można wyróżnić dwie główne cechy:
1. Częstotliwość impulsów – od tego zależy częstotliwość pracy przetwornicy. Typowe częstotliwości wynoszą powyżej 20 kHz, w rzeczywistości 40-100 kHz.
2. Współczynnik wypełnienia i cykl pracy. Są to dwie sąsiednie wielkości charakteryzujące tę samą rzecz. Cykl pracy można oznaczyć literą S, a cykl pracy literą D.
gdzie T jest okresem sygnału,
Część czasu od okresu generowania sygnału sterującego na wyjściu sterownika jest zawsze mniejsza od 1. Cykl pracy jest zawsze większy od 1. Przy częstotliwości 100 kHz okres sygnału wynosi 10 μs, a przełącznik jest otwarty przez 2,5 μs, wówczas cykl pracy wynosi 0,25, procentowo - 25%, a cykl pracy wynosi 4.
Ważne jest również rozważenie wewnętrznego projektu i przeznaczenia liczby zarządzanych kluczy.
Różnice w stosunku do schematów strat liniowych
Jak już wspomniano, przewagą nad obwodami liniowymi jest wysoka sprawność (ponad 80, a obecnie 90%). Dzieje się tak z następujących powodów:
Powiedzmy, że wygładzone napięcie za mostkiem diodowym wynosi 15 V, prąd obciążenia wynosi 1 A. Musisz zaopatrzyć się w stabilizowany zasilacz 12V. W rzeczywistości stabilizator liniowy to rezystancja, która zmienia swoją wartość w zależności od wartości napięcia wejściowego, aby uzyskać nominalną moc wyjściową - z niewielkimi odchyleniami (ułamki woltów), gdy zmienia się napięcie wejściowe (jednostki i dziesiątki woltów).
Jak wiadomo, rezystory uwalniają energię cieplną, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Ten sam proces zachodzi w przypadku stabilizatorów liniowych. Przydzielona moc będzie równa:
Ploss=(Uwe-Uwyjście)*I
Ponieważ w rozważanym przykładzie prąd obciążenia wynosi 1A, napięcie wejściowe wynosi 15 V, a napięcie wyjściowe 12 V, obliczymy straty i wydajność stabilizatora liniowego (KRENK lub typ L7812):
Ploss=(15V-12V)*1A = 3V*1A = 3W
Wtedy wydajność wynosi:
n=Przydatny/Pkonsumowany
n=((12V*1A)/(15V*1A))*100%=(12W/15W)*100%=80%
Główną cechą PWM jest to, że element mocy, niech to będzie MOSFET, jest albo całkowicie otwarty, albo całkowicie zamknięty i nie przepływa przez niego żaden prąd. Dlatego straty wydajności są spowodowane jedynie stratami przewodności
I straty przełączania. To temat na osobny artykuł, dlatego nie będziemy się nad tym rozwodzić. Występują również straty w zasilaniu (wejście i wyjście, jeśli zasilacz jest zasilany z sieci), a także w przewodach, pasywnych elementach filtrów itp.
Struktura ogólna
Rozważmy ogólną strukturę abstrakcyjnego kontrolera PWM. Użyłem słowa „abstrakcyjny”, bo w zasadzie wszystkie są podobne, ale ich funkcjonalność może nadal w pewnych granicach się różnić, a struktura i wnioski będą odpowiednio różne.
Wewnątrz kontrolera PWM, jak każdego innego układu scalonego, znajduje się kryształ półprzewodnika, na którym znajduje się złożony obwód. W skład sterownika wchodzą następujące zespoły funkcjonalne:
1. Generator impulsów.
2. Źródło napięcia odniesienia. (I ON)
3. Obwody przetwarzania sygnału sprzężenia zwrotnego (OS): wzmacniacz błędu, komparator.
4. Sterowanie generatorem impulsów wbudowane tranzystory, które są przeznaczone do sterowania klawiszem lub klawiszami zasilania.
Liczba przełączników mocy, którymi może sterować kontroler PWM, zależy od jego przeznaczenia. Najprostsze konwertery typu flyback w swoim obwodzie zawierają 1 wyłącznik mocy, obwody półmostkowe (push-pull) - 2 przełączniki, obwody mostkowe - 4.
Wybór kontrolera PWM zależy również od rodzaju klucza. Aby sterować tranzystorem bipolarnym, głównym wymaganiem jest, aby wyjściowy prąd sterujący sterownika PWM był nie niższy niż prąd tranzystora podzielony przez H21e, aby można go było włączać i wyłączać po prostu wysyłając impulsy do bazy. W tym przypadku zrobi to większość kontrolerów.
W przypadku zarządzania istnieją pewne niuanse. Aby szybko wyłączyć, należy rozładować pojemność bramki. W tym celu obwód wyjściowy bramki składa się z dwóch kluczy - jeden z nich jest podłączony do zasilania za pomocą pinu IC i steruje bramką (włącza tranzystor), a drugi jest instalowany między wyjściem a masą, gdy musisz wyłączyć tranzystor mocy - pierwszy klucz zamyka się, drugi otwiera, zamykając żaluzję do ziemi i rozładowując ją.
Ciekawy:
Niektóre kontrolery PWM do zasilaczy małej mocy (do 50 W) nie wykorzystują wbudowanych ani zewnętrznych przełączników zasilania. Przykład - 5l0830R
Ogólnie rzecz biorąc, kontroler PWM można przedstawić jako komparator, którego jedno wejście jest zasilane sygnałem z obwodu sprzężenia zwrotnego (FC), a sygnał zmiany zęba piłokształtnego jest dostarczany na drugie wejście. Kiedy sygnał piłokształtny osiąga i przekracza wielkość sygnału OS, na wyjściu komparatora pojawia się impuls.
Gdy zmieniają się sygnały na wejściach, zmienia się szerokość impulsu. Załóżmy, że podłączyłeś mocny odbiornik do zasilacza, a napięcie na jego wyjściu spada, wówczas napięcie systemu operacyjnego również spadnie. Następnie przez większą część okresu sygnał piłokształtny będzie przekraczał sygnał sprzężenia zwrotnego, a szerokość impulsu wzrośnie. Wszystko to znajduje w pewnym stopniu odzwierciedlenie na wykresach.
Schemat funkcjonalny kontrolera PWM na przykładzie TL494, przyjrzymy się temu bardziej szczegółowo później; Przeznaczenie sworzni i poszczególnych węzłów opisano w kolejnym podpozycji.
Przydzielenie pinu
Kontrolery PWM dostępne są w różnych pakietach. Mogą mieć od trzech do 16 lub więcej wniosków. W związku z tym elastyczność wykorzystania sterownika zależy od liczby pinów, a raczej ich przeznaczenia. Na przykład popularny mikroukład ma najczęściej 8 pinów, a jeszcze bardziej kultowy TL494- 16 lub 24.
Przyjrzyjmy się zatem typowym nazwom pinów i ich przeznaczeniu:
GND- zacisk wspólny łączy się z minusem obwodu lub z masą.
Uc(Vc)- zasilanie mikroukładu.
Ucc (Vss, Vcc)- Wyjście do sterowania mocą. Jeśli moc spadnie, istnieje możliwość, że przełączniki zasilania nie otworzą się całkowicie i z tego powodu zaczną się nagrzewać i wypalać. Wyjście potrzebne jest do wyłączenia sterownika w takiej sytuacji.
NA ZEWNĄTRZ- jak sama nazwa wskazuje, jest to wyjście sterownika. Tutaj wyprowadzany jest sterujący sygnał PWM dla wyłączników mocy. Wspomnieliśmy powyżej, że konwertery o różnych topologiach mają różną liczbę kluczy. W zależności od tego nazwa pinu może się różnić. Na przykład w sterownikach półmostkowych może to być nazywane HO i LO odpowiednio dla przełączników wysokiego i niskiego poziomu. W tym przypadku wyjście może być single-ended lub push-pull (z jednym przełącznikiem i dwoma) - do sterowania tranzystorami polowymi (patrz wyjaśnienie powyżej). Ale sam kontroler może być przeznaczony do obwodów jednocyklowych i przeciwsobnych - odpowiednio z jednym i dwoma pinami wyjściowymi. To jest ważne.
Vref- napięcie odniesienia, zwykle połączone z masą poprzez mały kondensator (jednostki mikrofaradów).
ILIM- sygnał z czujnika prądu. Konieczne ograniczenie prądu wyjściowego. Łączy się z obwodami sprzężenia zwrotnego.
ILIMREF- ustawia się na nim napięcie aktywacji nogi ILIM
SS- generowany jest sygnał miękkiego startu sterownika. Zaprojektowany z myślą o płynnym przejściu do trybu nominalnego. Pomiędzy nim a wspólnym przewodem zainstalowany jest kondensator, aby zapewnić płynny start.
RtCt- zaciski do podłączenia obwodu czasowego RC, który określa częstotliwość sygnału PWM.
ZEGAR- impulsy zegarowe do synchronizacji ze sobą kilku sterowników PWM, wówczas obwód RC podłączamy tylko do sterownika master, a slave'y RT z Vref, slave'y CT podłączamy do wspólnego.
RAMPA jest danymi wejściowymi porównania. Podaje się do niego napięcie piłokształtne np. z pinu Ct. Gdy przekroczy ono wartość napięcia na wyjściu wzmacniającym błąd, na wyjściu OUT pojawia się impuls wyłączający - podstawa regulacji PWM.
INV i NONINV- są to wejścia odwracające i nieodwracające komparatora, na którym zbudowany jest wzmacniacz błędu. W prostych słowach: im wyższe napięcie na INV, tym dłuższe impulsy wyjściowe i odwrotnie. Podłączany jest do niego sygnał z dzielnika napięcia w obwodzie sprzężenia zwrotnego z wyjścia. Następnie wejście nieodwracające NONINV podłączamy do przewodu wspólnego – GND.
EAOUT lub wyjście wzmacniacza błędu ruski. Błąd wyjścia wzmacniacza. Pomimo tego, że na wejściach wzmacniacza występują błędy i za ich pomocą w zasadzie można regulować parametry wyjściowe, jednak sterownik reaguje na to dość wolno. W wyniku powolnej reakcji obwód może zostać wzbudzony i ulec awarii. Dlatego sygnały są dostarczane z tego pinu poprzez obwody zależne od częstotliwości do INV. Nazywa się to również korekcją częstotliwości wzmacniacza błędów.
Przykłady rzeczywistych urządzeń
Aby utrwalić informacje, spójrzmy na kilka przykładów typowych kontrolerów PWM i ich obwodów połączeniowych. Zrobimy to na przykładzie dwóch mikroukładów:
TL494 (jego analogi: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);
Są aktywnie wykorzystywane. Nawiasem mówiąc, te zasilacze mają znaczną moc (100 W lub więcej na szynie 12 V). Często używany jako dawca do przeróbki na zasilacz laboratoryjny lub uniwersalną ładowarkę o dużej mocy np. do akumulatorów samochodowych.
TL494 - recenzja
Zacznijmy od 494. chipa. Jego parametry techniczne:
W tym konkretnym przykładzie widać większość wyników opisanych powyżej:
1. Nieodwracające wejście pierwszego komparatora błędu
2. Odwrócenie wejścia pierwszego komparatora błędu
3. Wejście zwrotne
4. Wejście regulacji czasu martwego
5. Zacisk do podłączenia zewnętrznego kondensatora czasowego
6. Wyjście do podłączenia rezystora czasowego
7. Wspólny pin mikroukładu, minus zasilanie
8. Zacisk kolektora pierwszego tranzystora wyjściowego
9. Zacisk emitera pierwszego tranzystora wyjściowego
10. Zacisk emitera drugiego tranzystora wyjściowego
11. Zacisk kolektora drugiego tranzystora wyjściowego
12. Wejście napięcia zasilania
13. Wejście do wyboru trybu pracy mikroukładu w trybie pojedynczego cyklu lub push-pull
14. Wbudowane wyjście referencyjne 5 V
15. Odwrócenie wejścia drugiego komparatora błędu
16. Nieodwracające wejście drugiego komparatora błędu
Poniższy rysunek przedstawia przykładowy zasilacz komputerowy oparty na tym chipie.
UC3843 - recenzja
Kolejnym popularnym PWM jest układ 3843 – na nim budowane są także komputery i inne zasilacze. Jego pinout jest umieszczony niżej, jak widać, ma tylko 8 pinów, ale spełnia te same funkcje, co poprzedni układ scalony.
Ciekawy:
Istnieją UC3843 w obudowie z 14 nogami, ale są one znacznie mniej powszechne. Zwróć uwagę na oznaczenia - dodatkowe piny są albo zduplikowane, albo nieużywane (NC).
Rozszyfrujmy cel wniosków:
1. Wejście komparatora (wzmacniacza błędu).
2. Wejście napięcia sprzężenia zwrotnego. Napięcie to jest porównywane z napięciem odniesienia wewnątrz układu scalonego.
3. Czujnik prądu. Jest podłączony do rezystora umieszczonego pomiędzy tranzystorem mocy a przewodem wspólnym. Potrzebne do zabezpieczenia przed przeciążeniem.
4. Obwód RC rozrządu. Za jego pomocą ustawia się częstotliwość roboczą układu scalonego.
6. Wyjdź. Napięcie sterujące. Podłączony do bramki tranzystora, tutaj znajduje się stopień wyjściowy przeciwsobny do sterowania konwerterem single-ended (jeden tranzystor), co widać na poniższym rysunku.
Typy Buck, Boost i Buck-Boost.
Być może jednym z najbardziej udanych przykładów będzie szeroko rozpowszechniony mikroukład LM2596, na podstawie którego można znaleźć na rynku wiele konwerterów, jak pokazano poniżej.
Taki mikroukład zawiera wszystkie opisane powyżej rozwiązania techniczne, a ponadto zamiast stopnia wyjściowego w przełącznikach małej mocy ma wbudowany wyłącznik sieciowy wytrzymujący prąd do 3A. Poniżej pokazano budowę wewnętrzną takiego konwertera.
Możesz być pewien, że w zasadzie nie ma specjalnych różnic od tych omówionych w nim.
Ale oto przykład na takim kontrolerze, jak widać, nie ma wyłącznika zasilania, a jedynie mikroukład 5L0380R z czterema pinami. Wynika z tego, że w niektórych zadaniach skomplikowane obwody i elastyczność TL494 po prostu nie są potrzebne. Dotyczy to zasilaczy małej mocy, gdzie nie ma specjalnych wymagań dotyczących szumów i zakłóceń, a tętnienie wyjściowe można stłumić za pomocą filtra LC. Jest to zasilacz do taśm LED, laptopów, odtwarzaczy DVD itp.
Wniosek
Na początku artykułu powiedziano, że regulator PWM to urządzenie symulujące średnią wartość napięcia poprzez zmianę szerokości impulsu na podstawie sygnału z obwodu sprzężenia zwrotnego. Zauważam, że nazwy i klasyfikacje każdego autora są często różne; czasami kontroler PWM nazywany jest prostym regulatorem napięcia PWM, a rodzina mikroukładów elektronicznych opisana w tym artykule nazywa się „Zintegrowany podsystem dla przetworników stabilizowanych impulsowo”. Nazwa nie zmienia istoty, pojawiają się natomiast spory i nieporozumienia.
Na przykład);
Instrukcja wykorzystania PWM w Arduino
1 Informacje ogólne o modulacji szerokości impulsu
Cyfrowe piny Arduino mogą wyprowadzać tylko dwie wartości: logiczną 0 (NISKA) i logiczną 1 (WYSOKĄ). Dlatego są cyfrowe. Ale Arduino ma „specjalne” piny, które są oznaczone PWM. Czasami są one oznaczone falistą linią „~” lub zakreślone kółkiem lub w inny sposób odróżniane od innych. PWM oznacza Modulacja szerokości impulsów Lub Modulacja szerokości impulsów, PWM.
Sygnał modulowany szerokością impulsu jest sygnałem impulsowym o stałej częstotliwości, ale zmiennej cykl pracy(stosunek czasu trwania impulsu do okresu jego powtarzania). Ze względu na to, że większość procesów fizycznych w przyrodzie ma bezwładność, nagłe spadki napięcia od 1 do 0 zostaną wygładzone, przyjmując pewną wartość średnią. Ustawiając cykl pracy, można zmienić średnie napięcie na wyjściu PWM.
Jeśli cykl pracy wynosi 100%, wówczas wyjście cyfrowe Arduino będzie zawsze miało logiczne napięcie „1” lub 5 woltów. Jeśli ustawisz cykl pracy na 50%, wówczas w połowie czasu wyjście będzie logiczne „1”, a w połowie logiczne „0”, a średnie napięcie wyniesie 2,5 wolta. I tak dalej.
W programie cykl pracy jest podawany nie w procentach, ale jako liczba od 0 do 255. Na przykład polecenie zapis analogowy(10, 64) powie mikrokontrolerowi, aby wysłał sygnał o współczynniku wypełnienia 25% na cyfrowe wyjście PWM nr 10.
Piny Arduino z funkcją modulacji szerokości impulsu działają z częstotliwością około 500 Hz. Oznacza to, że okres powtarzania impulsu wynosi około 2 milisekund, co jest mierzone zielonymi pionowymi kreskami na rysunku.
Okazuje się, że możemy symulować sygnał analogowy na wyjściu cyfrowym! Ciekawe, prawda?!Jak możemy wykorzystać PWM? Mnóstwo zastosowań! Na przykład kontroluj jasność diody LED, prędkość obrotową silnika, prąd tranzystora, dźwięk z emitera piezoelektrycznego itp.
2 Schemat do demonstracji Modulacja szerokości impulsu w Arduino
Spójrzmy na najbardziej podstawowy przykład - sterowanie jasnością diody LED za pomocą PWM. Ułóżmy klasyczny schemat.
3 Przykład szkicu z PWM-em
Otwórzmy szkic „Fade” z przykładów: Próbki plików 01.Basics Fade.
Zmieńmy to trochę i załadujmy do pamięci Arduino.
Wewnętrzny pin diody = 3; // zadeklaruj pin sterujący diodą LED int jasność = 0; // zmienna do ustawiania jasności int fadeAmount = 5; // krok zmiany jasności unieważnij konfigurację() ( tryb pin(ledPin, WYJŚCIE); } pusta pętla() ( analogWrite(ledPin, jasność); // ustaw jasność pinu ledPin += fadeAmount; // zmień wartość jasności /* po osiągnięciu limitu 0 lub 255 zmień kierunek zmiany jasności */ if (jasność == 0 || jasność == 255) ( fadeAmount = -fadeAmount; // zmień znak krok ) opóźnienie (30); // opóźnienie dla lepszej widoczności efektu }
4 Regulacja jasności diody za pomocą PWM i Arduino
Włącz zasilanie. Dioda LED stopniowo zwiększa jasność, a następnie płynnie maleje. Symulowaliśmy sygnał analogowy na wyjściu cyfrowym za pomocą modulacji szerokości impulsu.
Obejrzyj załączony film, który wyraźnie pokazuje zmianę jasności diody LED; na podłączonym oscyloskopie widać, jak zmienia się sygnał z Arduino.
Dobra definicja modulacji szerokości impulsu (PWM) zawarta jest w samej nazwie. Oznacza to modulowanie (zmianę) szerokości impulsu (a nie częstotliwości). Aby lepiej zrozumieć co to jest PWM, przyjrzyjmy się najpierw kilku najważniejszym elementom.
Mikrokontrolery to inteligentne komponenty cyfrowe, które działają w oparciu o sygnały binarne. Najlepszą reprezentacją sygnału binarnego jest fala prostokątna (sygnał mający kształt prostokątny). Poniższy diagram wyjaśnia podstawowe terminy związane z falą prostokątną.
W sygnale PWM czas (okres), a zatem częstotliwość, jest zawsze wartością stałą. Zmienia się jedynie czas włączenia i wyłączenia impulsu (współczynnik wypełnienia). Stosując tę metodę modulacji możemy uzyskać potrzebne nam napięcie.
Jedyna różnica między falą prostokątną a sygnałem PWM polega na tym, że fala prostokątna ma równe i stałe czasy włączania i wyłączania (50% cyklu pracy), podczas gdy sygnał PWM ma zmienny cykl pracy.
Falę prostokątną można uznać za szczególny przypadek sygnału PWM, który ma 50% cyklu pracy (okres włączenia = okres wyłączenia).
Spójrzmy na przykład użycia PWM
Załóżmy, że mamy napięcie zasilania 50 woltów i musimy zasilić obciążenie działające pod napięciem 40 woltów. W tym przypadku dobrym sposobem na uzyskanie 40 V z 50 V jest użycie tak zwanego przerywacza obniżającego napięcie.
Sygnał PWM generowany przez przerywacz jest dostarczany do jednostki mocy obwodu (tyrystor, tranzystor polowy), która z kolei steruje obciążeniem. Ten sygnał PWM może być łatwo wygenerowany przez mikrokontroler wyposażony w timer.
Wymagania dla sygnału PWM, aby przy zastosowaniu tyrystora uzyskać napięcie 40V z 50V: zasilanie na czas = 400 ms i wyłączenie na czas = 100 ms (uwzględniając okres sygnału PWM równy 500 ms).
Ogólnie rzecz biorąc, można to łatwo wyjaśnić w następujący sposób: zasadniczo tyrystor działa jak przełącznik. Obciążenie otrzymuje napięcie zasilające ze źródła poprzez tyrystor. Gdy tyrystor jest w stanie wyłączonym, obciążenie nie jest podłączone do źródła, a gdy tyrystor jest w stanie włączonym, obciążenie jest podłączone do źródła.
Ten proces włączania i wyłączania tyrystora odbywa się za pomocą sygnału PWM.
Stosunek okresu sygnału PWM do jego czasu trwania nazywany jest cyklem pracy sygnału, a odwrotność cyklu pracy nazywa się cyklem pracy.
Jeśli cykl pracy wynosi 100, wówczas w tym przypadku mamy sygnał stały.
Zatem cykl pracy (cykl pracy) można obliczyć za pomocą następującego wzoru:
Korzystając z powyższych wzorów, możemy obliczyć czas włączenia tyrystora, aby uzyskać potrzebne napięcie.
Mnożąc cykl pracy impulsów przez 100, możemy przedstawić to jako procent. Zatem procent wypełnienia impulsu jest wprost proporcjonalny do wartości napięcia z pierwotnego. W powyższym przykładzie, jeśli chcemy uzyskać 40 woltów z zasilacza 50 woltów, można to osiągnąć generując sygnał o współczynniku wypełnienia 80%. Ponieważ 80% z 50 zamiast 40.
Aby skonsolidować materiał, rozwiążmy następujący problem:
- Obliczmy czas załączenia i wyłączenia sygnału o częstotliwości 50 Hz i współczynniku wypełnienia 60%.
Wynikowa fala PWM będzie wyglądać następująco:
Jednym z najlepszych przykładów wykorzystania modulacji szerokości impulsu jest użycie PWM do regulacji prędkości silnika lub jasności diody LED.
Ta technika zmiany szerokości impulsu w celu uzyskania wymaganego cyklu pracy nazywa się „modulacją szerokości impulsu”.
Niezrozumienie działania PWM lub PWM (modulacja szerokości impulsu) często prowadzi nie tylko do ich nieprawidłowego stosowania, ale nawet do błędów w projektowaniu urządzeń wykorzystujących PWM do sterowania. Tutaj, ograniczając się do konkretnej aplikacji, postaram się powiedzieć, czym jest PWM, dlaczego jest wymagany i jak działa.
Po pierwsze, co to jest PWM?
Kiedy potrzebne jest PWM?
Głównym powodem stosowania PWM jest konieczność dostarczenia niskiego napięcia stałego do zasilania urządzeń elektronicznych przy zachowaniu wysokiej sprawności, szczególnie w sterowanych napędach elektrycznych.
W wewnętrznych sieciach urządzeń napięcie stałe o ograniczonym zestawie napięć wykorzystywane jest do zasilania urządzeń, które często wymagają zmiany w celu dostosowania do wymagań konkretnego urządzenia, jego stabilizacji lub regulacji. Mogą to być napędy elektryczne prądu stałego, chipy, elementy sprzętu radiowego.
Regulację można przeprowadzić za pomocą urządzeń tłumiących napięcie: rezystorów, tranzystorów (jeśli wymagana jest regulacja). Główną wadą tego rozwiązania są straty mocy i zwiększone wydzielanie ciepła na urządzeniach sterujących.
Ponieważ wiadomo, że uwolniona moc jest równa:
P = I x U lub P = Ja 2 x R W.
wówczas im większy prąd I w obwodzie i spadek napięcia U, tym większa strata mocy. Tutaj R jest wartością rezystancji elementu sterującego.
Wyobraź sobie, że musisz zgasić co najmniej 3 V przy prądzie obciążenia 10 A, to już zmarnowane 30 W. A każdy wat utraconej mocy nie tylko skraca czas pracy zasilaczy, ale także wymaga dodatkowego sprzętu do odprowadzania ciepła generowanego przez tę moc.
Dotyczy to również rezystorów gaszących i urządzeń półprzewodnikowych.
Jednak powszechnie wiadomo, że urządzenia półprzewodnikowe sprawdzają się bardzo dobrze (przy niskich stratach i wytwarzaniu ciepła) jako przełączniki, gdy mają tylko dwa stany otwarty/zamknięty.
Tryb ten pozwala zredukować straty na przełączającym urządzeniu półprzewodnikowym do poziomu:
P max = I x U nas
U nas w przypadku nowoczesnych przełączników półprzewodnikowych napięcie zbliża się do 0,3 V, a przy poborze prądu 10 A straty mocy zbliżają się do 3 W. Jest to w trybie przełączania, a podczas pracy w urządzeniach PWM jest jeszcze mniej.
|
Jako kluczowe elementy PWM wykorzystują urządzenia półprzewodnikowe w trybie przełączania, to znaczy tranzystor jest cały czas albo otwarty (wyłączony), albo zamknięty (w stanie nasycenia). W pierwszym przypadku Tranzystor ma prawie nieskończoną rezystancję, więc prąd w obwodzie jest bardzo mały i chociaż całe napięcie zasilania spada na tranzystorze, moc wydzielana przez tranzystor jest praktycznie zerowa. W drugim przypadku Rezystancja tranzystora jest wyjątkowo niska, dlatego spadek napięcia na nim jest bliski zeru - uwalniana moc jest również niewielka. W stanach przejściowych (przejście przełącznika ze stanu przewodzącego do nieprzewodzącego i z powrotem) moc wydzielana w przełączniku jest znaczna, ale ponieważ czas trwania stanów przejściowych jest wyjątkowo krótki w stosunku do okresu modulacji, średnia moc przełączania straty okazują się nieznaczne. |
Zastosowanie PWM umożliwiło wykorzystanie zalet trybu kluczowego w obwodach redukujących i regulujących napięcie prądu stałego.
Powtarzam, modulacja szerokości impulsu to kontrola średniej wartości napięcia na obciążeniu całkującym poprzez zmianę współczynnika wypełnienia impulsów za pomocą klawisza sterującego.
Działanie PWM na obciążeniu całkującym pokazano na rys. 1.
Obrazek 1
Głównym warunkiem takiego zastosowania PWM jest obecność obciążenia całkującego.
Ponieważ wartość amplitudy napięcia jest równa E.
Mogą to być obwody integrujące RC, LC, RLC lub RL oraz integratory mechaniczne (na przykład silnik elektryczny).
Kiedy PWM działa na obciążeniu całkującym, napięcie – równoważne napięcie DC zmienia się w zależności od cyklu pracy (Q) impulsów.
Q = t i /T< 1
tutaj: Q – cykl pracy, t oraz – czas trwania impulsu, T – okres powtarzania impulsu.
Biorąc pod uwagę cykl pracy, równoważne napięcie prądu stałego będzie równe:
E równ. = Q x E Wolt
tutaj: E eq – zastępcze napięcie stałe (V), Q – współczynnik wypełnienia, E – napięcie źródła, z którego zasilany jest przetwornik PWM (V).
W rzeczywistości do zacisków obciążenia PWM przyłożone jest napięcie równe E, a praca wykonana przez prąd elektryczny (lub liczba obrotów silnika elektrycznego) jest dokładnie określona przez E eq. Przy przywracaniu na kondensatorze całkującym otrzymujemy dokładnie równoważne napięcie E.
Moc przydzielona do przełącznika sterującego sterowanego przez PWM jest równa:
P max = Q x I x U us
Załaduj schemat połączeń do PWM.
PWM nie wymaga żadnych rozwiązań obwodów innych niż obwód przełączający silnika prądu stałego (szczególny przypadek obciążenia). Silnik elektryczny podłącza się po prostu do źródła zasilania pracującego w trybie PWM. Chyba, że w określonych sytuacjach konieczne jest wprowadzenie dodatkowej filtracji szumów powstających na czołach impulsów. Ten filtr na rys. 2 w postaci kondensatorów i diody tłumiącej.
Rysunek 2
Na ryc. 2 pokazuje takie połączenie.
Widzimy, że przełącznik (tranzystor polowy) można po prostu zastąpić rezystorem zmiennym.
Obwód PWM
W artykule „Adapter wentylatora 3 pin na 4 pin” http://de1fer.ru/?p=45#more-45 właściciel bloga udostępnia schemat wentylatora z P WM.
Rysunek 3
tutaj: GND - masa (wspólna), Control - styk P sterowania WM, +12 - napięcie zasilania, Sense - wyjście czujnika prędkości.
W tym obwodzie możliwe jest sterowanie raczej prądem stałym +I niż sygnałem PWM.
Do sterowania sygnałem impulsowym (PWM) wymagany jest obwód pokazany na ryc. 4. Sądząc po parametrach tranzystora „PWM”, został on wybrany specjalnie do sterowania prądem stałym. Przynajmniej w tym trybie będzie działać normalnie z wentylatorem o mocy do 1,6 W.
Rysunek 4
Ale w trybie impulsowym bez kondensatora C tranzystor BC879 nagrzeje się nieco mniej niż przy prądzie stałym, a silnik elektryczny może zatrzymać się przy krótkich czasach trwania impulsu prądu (niskich prędkościach) ze względu na jego integrację z wejściem pojemności wejściowej C tranzystora.
Główne parametry krzemowego bipolarnego tranzystora npn wysokiej częstotliwości BC879 firmy SIEMENS
| Maks. komputer | Ucb maks | Uce max | Internet maks | Icmax | Tjmaks., °C | Maks. stopa |
| 800mW | 100 V | 80 V | 5 V | 1A | 150°C | 200 MHz |
W razie potrzeby wyłącz sterowanie PWM (PWM) w obwodzie pokazanym na ryc. 3 wystarczy podłączyć pin kontrolny do przewodu +12V.
Na forum Radeon.ru dostępna jest inna wersja obwodu wentylatora z P WM
Rysunek 5
Istotne różnice w stosunku do rys. 3 nie, jako przełącznik sterowany PWM używany jest wyłącznie tranzystor polowy MOS z wbudowanym lub indukowanym kanałem typu p. Obwodem tym można również sterować zarówno P WM, jak i napięciem stałym (ale nie warto ryzykować - trzeba znać parametry tranzystora).
Obwód ten jest w pełni sprawny i nie posiada wad obwodu pokazanego na ryc. 3.
Aby go wyłączyć (w zależności od typu tranzystora) wystarczy podłączyć pin Control do przewodu + lub -.
Uwaga majsterkowicze!
Jeśli nie jesteś zadowolony z algorytmu sterowania PWM wbudowanego w płytę główną (systemową).
I masz reobas (kontroler sterowania wentylatorem), który ci odpowiada, a następnie użyj wentylatora z 3-pinowym złączem.
Jeśli wentylator z PWM jest Ci bliski lub nie ma zamiennika, musisz wyłączyć PWM metodą opisaną powyżej, zastępując złącze 4-pinowe złączem 3-pinowym i podłączając je do reobasu.
Pamiętaj jednak, że użycie wentylatora PWM w jakimkolwiek nietypowym trybie nie pozwoli na osiągnięcie jego maksymalnej wydajności.
Nie zaleca się stosowania sterowania prądem DC jednocześnie z PWM ze względu na zmniejszenie napięcia zasilania wentylatora o 10-20%, co nie pozwoli na osiągnięcie przez taki wentylator pełnej wydajności.
Używanie jednocześnie z PWM - PWM w obwodzie zasilania może prowadzić do okresowej niestabilności pracy wentylatora (mogą wystąpić ślizgowe dudnienia pomiędzy częstotliwościami PWM - PWM w obwodzie zasilania systemów) i powodować niejednoznaczność w przypadku systemów wyposażonych w stabilizację prędkości system. Dodatkowo, podobnie jak w poprzednim przypadku, powstałe napięcie na wentylatorze zmniejszy się o 10-15%, co nie pozwoli takiemu wentylatorowi osiągnąć pełnej wydajności.
Więc zatrzymaj się na jednej rzeczy. Użyj wentylatora PWM lub użyj zewnętrznego sterowania wentylatorem poprzez obwód zasilania wentylatora ze złączem 3-pinowym.
Wniosek
Zastosowanie PWM lub, jak zwykliśmy mawiać, PWM zwiększa wydajność urządzeń prądu stałego redukujących napięcie, co zmniejsza ogólne wytwarzanie ciepła przez urządzenia elektroniczne z PWM.
PWM umożliwia tworzenie kompaktowych układów napędów elektrycznych dużej mocy sterowanych prądem stałym.
W nowoczesnych urządzeniach do kontroli napięcia stałego i stabilizatorach napięcia obniżającego napięcie regulacji zwykle dokonuje się za pomocą PWM. W tym celu produkowane są sterowniki wymagające minimum przystawek.
Możemy teraz pożegnać się z rezystorami tłumiącymi i reostatami!
opracowane przez A. Sorokina,
PWM lub PWM (modulacja szerokości impulsu) - Modulacja szerokości impulsów- Ta metoda ma na celu kontrolowanie wielkości napięcia i prądu. Działanie PWM polega na zmianie szerokości impulsu o stałej amplitudzie i stałej częstotliwości.
Właściwości regulacji PWM wykorzystywane są w przetwornikach impulsów, w obwodach do sterowania silnikami prądu stałego czy jasnością diod LED.
Zasada działania PWM
Zasada działania PWM, jak sama nazwa wskazuje, polega na zmianie szerokości impulsu sygnału. Podczas stosowania metody modulacji szerokości impulsu częstotliwość i amplituda sygnału pozostają stałe. Najważniejszym parametrem sygnału PWM jest współczynnik wypełnienia, który można określić za pomocą następującego wzoru:
Można również zauważyć, że suma czasu sygnału wysokiego i niskiego określa okres sygnału:
Gdzie:
- Tona - czas na wysokim poziomie
- Toff - czas niskiego poziomu
- T – okres sygnału
Na dolnym rysunku pokazano najwyższy i najniższy czas sygnału. Napięcie U1 jest stanem wysokiego poziomu sygnału, czyli jego amplitudą.
Poniższy rysunek jest przykładem sygnału PWM z określonym górnym i dolnym przedziałem czasowym.
Obliczanie cyklu pracy PWM
Obliczanie cyklu pracy PWM na przykładzie:
Aby obliczyć procentowy współczynnik wypełnienia, należy wykonać podobne obliczenia i wynik pomnożyć przez 100%:
Jak wynika z obliczeń, w tym przykładzie sygnał (wysoki poziom) charakteryzuje się wypełnieniem równym 0,357 lub inaczej 37,5%. Współczynnik wypełnienia jest wartością abstrakcyjną.
Ważną cechą modulacji szerokości impulsu może być również częstotliwość sygnału, którą oblicza się ze wzoru:
W naszym przykładzie wartość T należy przyjmować w sekundach, aby jednostki we wzorze się zgadzały. Ponieważ wzór na częstotliwość wynosi 1/s, przeliczmy 800 ms na 0,8 sekundy.
Dzięki możliwości regulacji szerokości impulsu możliwa jest zmiana np. średniej wartości napięcia. Poniższy rysunek przedstawia różne cykle pracy przy zachowaniu tej samej częstotliwości sygnału i tej samej amplitudy.
Aby obliczyć średnie napięcie PWM, musisz znać cykl pracy, ponieważ średnie napięcie jest iloczynem cyklu pracy i amplitudy napięcia sygnału.
Przykładowo współczynnik wypełnienia wyniósł 37,5% (0,357), a amplituda napięcia U1 = 12V da średnie napięcie Uav:
W tym przypadku średnie napięcie sygnału PWM wynosi 4,5 V.
PWM daje bardzo prostą możliwość obniżenia napięcia w zakresie od napięcia zasilania U1 do 0. Można to wykorzystać np. do pomiaru prędkości obrotowej silnika prądu stałego zasilanego średnią wartością napięcia.
Sygnał PWM może być generowany przez mikrokontroler lub obwód analogowy. Sygnał z takich obwodów charakteryzuje się niskim napięciem i bardzo niskim prądem wyjściowym. Jeśli zachodzi potrzeba regulacji dużych obciążeń, należy zastosować układ sterowania, na przykład za pomocą tranzystora.
Może to być tranzystor bipolarny lub tranzystor polowy. W poniższych przykładach zostanie on użyty.
Przykład sterowania diodą LED za pomocą PWM.
Sygnał PWM jest dostarczany do podstawy tranzystora VT1 przez rezystor R1, innymi słowy, tranzystor VT1 włącza się i wyłącza wraz ze zmianą sygnału. Przypomina to sytuację, w której tranzystor można zastąpić zwykłym przełącznikiem, jak pokazano poniżej:
Gdy wyłącznik jest zamknięty, dioda LED zasilana jest poprzez rezystor R2 (ograniczający prąd) napięciem 12V. A kiedy przełącznik jest otwarty, obwód zostaje przerwany, a dioda LED gaśnie. Takie przełączanie z niską częstotliwością spowoduje .
Jeśli jednak zachodzi potrzeba kontrolowania intensywności diod LED, konieczne jest zwiększenie częstotliwości sygnału PWM, tak aby zwieść ludzkie oko. Teoretycznie załączenie z częstotliwością 50 Hz nie jest już niewidoczne dla ludzkiego oka, co skutkuje efektem zmniejszenia jasności diody LED.
Im niższy cykl pracy, tym słabsza będzie dioda LED, ponieważ będzie ona świecić krócej w jednym okresie.
Można zastosować tę samą zasadę i podobny schemat. W przypadku silnika konieczne jest jednak zastosowanie wyższej częstotliwości przełączania (powyżej 15-20 kHz) z dwóch powodów.
Pierwsza z nich dotyczy dźwięku, jaki może wydawać silnik (nieprzyjemnego pisku). Częstotliwość 15-20 kHz to teoretyczna granica słyszalności ludzkiego ucha, więc częstotliwości powyżej tej granicy będą niesłyszalne.
Drugie pytanie dotyczy stabilności silnika. Podczas pracy silnika sygnałem o niskiej częstotliwości i niskim cyklu pracy prędkość obrotowa silnika będzie niestabilna lub może doprowadzić do całkowitego zatrzymania. Dlatego im wyższa częstotliwość sygnału PWM, tym większa stabilność średniego napięcia wyjściowego. Występuje również mniejsze tętnienie napięcia.
Nie należy jednak zbytnio zwiększać częstotliwości sygnału PWM, ponieważ przy wysokich częstotliwościach tranzystor może nie mieć czasu na całkowite otwarcie lub zamknięcie, a obwód sterujący nie będzie działał poprawnie. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku tranzystorów polowych, gdzie czas ładowania może być stosunkowo długi, w zależności od konstrukcji.
Zbyt duża częstotliwość sygnału PWM powoduje również wzrost strat w tranzystorze, gdyż każde przełączenie powoduje straty energii. Przy sterowaniu dużymi prądami przy wysokich częstotliwościach konieczne jest wybranie szybkiego tranzystora o niskiej rezystancji przewodzenia.
Przy sterowaniu należy pamiętać o zastosowaniu diody zabezpieczającej tranzystor VT1 przed przepięciami indukcyjnymi powstającymi przy wyłączonym tranzystorze. Dzięki zastosowaniu diody rozładowywany jest przez nią impuls indukcyjny oraz rezystancja wewnętrzna silnika, chroniąc w ten sposób tranzystor.
