Impulso pločio moduliavimas
PWM arba PWM (impulso pločio moduliacija) yra būdas valdyti apkrovos maitinimą. Valdymas susideda iš impulso trukmės keitimo esant pastoviam pulso pasikartojimo dažniui. Impulso pločio moduliacija yra analoginė, skaitmeninė, dvejetainė ir trijų dalių.
Impulso pločio moduliavimo naudojimas leidžia padidinti elektros keitiklių efektyvumą, ypač impulsų keitiklių, kurie šiandien yra įvairių elektroninių prietaisų antrinių maitinimo šaltinių pagrindas. „Flyback“ ir „forward“ viengubieji, „push-pull“ ir „pusiltiesiniai“, taip pat tilto perjungimo keitikliai šiandien valdomi dalyvaujant PWM, tai taip pat taikoma rezonansiniams keitikliams.
Impulso pločio moduliavimas leidžia reguliuoti mobiliųjų telefonų, išmaniųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių skystųjų kristalų ekranų foninio apšvietimo ryškumą. PWM įdiegtas suvirinimo aparatai, automobilių inverteriuose, įkrovikliuose ir kt. Kiekvienas įkroviklis šiandien naudoja PWM.
Rakto režimo dvipoliai ir lauko tranzistoriai naudojami kaip perjungimo elementai šiuolaikiniuose aukšto dažnio keitikliuose. Tai reiškia, kad dalį laikotarpio tranzistorius yra visiškai atidarytas, o dalį - visiškai uždarytas.
O kadangi pereinamosiose būsenose, trunkančiose tik dešimtis nanosekundžių, jungiklio išskiriama galia yra maža, palyginti su įjungta galia, todėl vidutinė šilumos pavidalu ant jungiklio išsiskirianti galia yra nereikšminga. Šiuo atveju uždaroje būsenoje tranzistoriaus, kaip jungiklio, varža yra labai maža, o įtampos kritimas jame artėja prie nulio.
Atviroje būsenoje tranzistoriaus laidumas yra artimas nuliui ir srovė per jį praktiškai neteka. Tai leidžia sukurti kompaktiškus keitiklius su dideliu efektyvumu, tai yra su mažais šilumos nuostoliais. ZCS (Zero Current Switching) rezonansiniai keitikliai sumažina šiuos nuostolius.
Analoginio tipo PWM generatoriuose valdymo signalas generuojamas analoginiu komparatoriumi, kai, pavyzdžiui, į invertuojančią komparatoriaus įvestį įvedamas trikampio arba triodo signalas, o į neinvertuojančią įvestį – moduliuojantis nuolatinis signalas.
Priimami išvesties impulsai stačiakampio formos, jų pasikartojimo dažnis yra lygus pjūklo dažniui (arba trikampei bangos formai), o teigiamos impulso dalies trukmė yra susijusi su laiku, per kurį moduliuojančio nuolatinės srovės signalo lygis, nukreiptas į neinvertuojamą įvestį lygintuvas yra aukštesnis nei pjūklo signalo, kuris tiekiamas į invertuojamąją įvestį, lygis.Kai pjūklo įtampa yra didesnė už moduliavimo signalą, išvestis bus neigiama impulso dalis.
Jei pjūklas įjungtas į neinvertuojančią komparatoriaus įvestį, o moduliuojantis signalas nukreipiamas į invertuojamąjį, tada kvadratinės bangos išėjimo impulsai turės teigiamą reikšmę, kai pjūklo įtampa bus didesnė už moduliuojančio signalo vertę. taikomas invertuojančiam įėjimui, o neigiamas – kai pjūklo įtampa mažesnė už moduliavimo signalą. Analoginio PWM generavimo pavyzdys yra TL494 lustas, kuris šiandien plačiai naudojamas perjungiamųjų maitinimo šaltinių konstrukcijoje.
Skaitmeninis PWM naudojamas dvejetainėje skaitmeninėje technologijoje. Išvesties impulsai taip pat įgauna tik vieną iš dviejų reikšmių (įjungta arba išjungta), o vidutinis išėjimo lygis artėja prie norimo. Čia pjūklo signalas gaunamas naudojant N bitų skaitiklį.
PWM skaitmeniniai įrenginiai taip pat veikia pastoviu dažniu, būtinai viršijančiu valdomo įrenginio atsako trukmę, toks metodas vadinamas oversampling. Tarp laikrodžio kraštų skaitmeninis PWM išėjimas išlieka stabilus, aukštas arba žemas, priklausomai nuo esamos skaitmeninio komparatoriaus išvesties būsenos, kuri lygina skaitiklio signalo ir apytikslio skaitmeninio signalo lygius.
Išvestis stebima kaip impulsų seka su būsenomis 1 ir 0, kiekviena laikrodžio būsena gali būti pakeista arba ne. Impulsų dažnis yra proporcingas artėjančio signalo lygiui, o vienas po kito einantys vienetai gali sudaryti platesnį, ilgesnį impulsą.
Gauti kintamo pločio impulsai bus laikrodžio periodo kartotiniai, o dažnis bus lygus 1/2NT, kur T yra laikrodžio periodas, N yra laikrodžio ciklų skaičius. Čia galima pasiekti žemesnį dažnį pagal laikrodžio dažnį. Apibūdinta skaitmeninės generavimo schema yra vieno bito arba dviejų lygių PWM, impulsiniu kodavimu PCM moduliacija.
Ši dviejų pakopų impulsiniu būdu koduojama moduliacija iš esmės yra impulsų seka, kurios dažnis yra 1/T, o plotis T arba 0. Perviršinis diskretizavimas naudojamas vidurkiavimui per ilgesnį laikotarpį. Aukštos kokybės PWM pasiekiamas naudojant vieno bito impulsų tankio moduliaciją, dar vadinamą impulsų dažnio moduliacija.
Taikant skaitmeninį impulso pločio moduliavimą, periodą užpildantys stačiakampiai subimpulsai gali atsirasti bet kurioje periodo vietoje, o tada tik jų skaičius turi įtakos vidutinei periodo signalo vertei. Taigi, jei periodą padalinsime į 8 dalis, tai impulsų kombinacijos 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 ir t.t. duos tą patį laikotarpio vidurkį, tačiau atskiri vienetai apsunkina pagrindinio tranzistoriaus darbo ciklą.
Elektronikos šviestuvai, kalbėdami apie PWM, suteikia panašią analogiją su mechanika. Jei varikliu sukate sunkų smagratį po to, kai variklis gali būti įjungtas arba išjungtas, smagratis arba suksis ir toliau suksis, arba sustos dėl trinties, kai variklis išjungtas.
Bet jei variklis įjungiamas kelias sekundes per minutę, smagračio sukimasis išliks dėl inercijos tam tikru greičiu. Ir kuo ilgiau variklis įjungtas, tuo didesnis smagračio sukimosi greitis.Taigi naudojant PWM į išvestį ateina įjungimo ir išjungimo signalas (0 ir 1), o rezultatas yra vidutinė vertė. Integruodami impulsų įtampą laikui bėgant, gauname plotą po impulsais, o poveikis darbiniam kūnui bus identiškas darbui su vidutine įtampos verte.
Taip veikia keitikliai, kur perjungimai vyksta tūkstančius kartų per sekundę, o dažniai siekia megahercų vienetus. Specialūs PWM valdikliai yra plačiai naudojami valdyti energiją taupančių lempų balastinius įtaisus, maitinimo šaltinius, variklių dažnio keitikliai ir tt
Bendros impulso periodo trukmės ir įjungimo laiko (teigiama impulso dalis) santykis vadinamas darbo ciklu. Taigi, jei įjungimo laikas yra 10 μs, o laikotarpis trunka 100 μs, tada esant 10 kHz dažniui darbo ciklas bus 10, ir jie rašo, kad S = 10. Atvirkštinis darbo ciklas vadinamas darbo režimu. ciklas, anglų kalba Duty cycle arba DC sutrumpintai.
Taigi pateiktame pavyzdyje DC = 0,1, nes 10/100 = 0,1. Naudojant impulso pločio moduliaciją, reguliuojant impulso darbo ciklą, tai yra keičiant nuolatinę srovę, elektroninio ar kito elektros prietaiso, pavyzdžiui, variklio, išvestyje pasiekiama reikiama vidutinė vertė.