Широчинно импулсна модулация

PWM или PWM (широтно-импулсна модулация) е начин за управление на захранването на товар. Контролът се състои в промяна на продължителността на импулса при постоянна честота на повторение на импулса. Модулация с импулсна ширина е налична в аналогови, цифрови, двоични и тройни.

Използването на широтно-импулсна модулация дава възможност да се увеличи ефективността на електрическите преобразуватели, особено за импулсните преобразуватели, които днес са в основата на вторичните захранвания за различни електронни устройства. Flyback и напред единични, push-pull и полумост, както и мостови превключващи преобразуватели се контролират днес с участието на PWM, това се отнася и за резонансни преобразуватели.

Модулацията с широчина на импулса ви позволява да регулирате яркостта на подсветката на течнокристални дисплеи на мобилни телефони, смартфони, лаптопи. PWM е внедрен в заваръчни машини, в инвертори за автомобили, в зарядни устройства и пр. Всяко зарядно устройство днес използва PWM в работата си.

Биполярни и полеви транзистори, работещи в ключов режим, се използват като превключващи елементи в съвременните високочестотни преобразуватели. Това означава, че част от периода транзисторът е напълно отворен, а част от периода е напълно затворен.

И тъй като в преходни състояния, продължаващи само десетки наносекунди, мощността, освободена от превключвателя, е малка в сравнение с превключваната мощност, в резултат на това средната мощност, освободена под формата на топлина на превключвателя, се оказва незначителна. В този случай в затворено състояние съпротивлението на транзистора като превключвател е много малко и спадът на напрежението върху него се доближава до нула.

В отворено състояние проводимостта на транзистора е близка до нула и токът практически не тече през него. Това прави възможно създаването на компактни преобразуватели с висока ефективност, тоест с ниски топлинни загуби. Резонансните преобразуватели ZCS (превключване на нулев ток) свеждат тези загуби до минимум.

В PWM генератори от аналогов тип, управляващият сигнал се генерира от аналогов компаратор, когато например триъгълен или трионски сигнал се подава към инвертиращия вход на компаратора и модулиращ непрекъснат сигнал се прилага към неинвертиращия вход.

Получават се изходни импулси правоъгълна, тяхната честота на повторение е равна на честотата на триона (или триъгълна форма на вълната), а продължителността на положителната част на импулса е свързана с времето, през което нивото на модулиращия постоянен сигнал се прилага към неинвертиращия вход на компараторът е по -висок от нивото на сигнала на триона, който се подава към инвертиращия вход. Когато напрежението на триона е по -високо от модулиращия сигнал, изходът ще бъде отрицателна част от импулса.

Ако трионът се подава към неинвертиращия вход на компаратора, а модулиращият сигнал се подава към инвертиращия, тогава изходните импулси с квадратна вълна ще имат положителна стойност, когато напрежението на триона е по-високо от стойността на модулиращия сигнал, приложен към инвертиращия вход, и отрицателен — когато напрежението на триона е по -ниско от модулиращия сигнал. Пример за аналогово ШИМ поколение е чипът TL494, който днес се използва широко при изграждането на импулсни захранвания.

Цифровата ШИМ се използва в двоична цифрова технология. Изходните импулси също приемат само една от двете стойности (включени или изключени), а средното изходно ниво се доближава до желаното.Тук пилообразният сигнал се получава чрез използване на N-битов брояч.

PWM цифровите устройства също работят с постоянна честота, непременно надвишаваща времето за реакция на контролираното устройство, този подход се нарича свръхдискретизация. Между часовниковите ръбове цифровият ШИМ изход остава стабилен, висок или нисък, в зависимост от текущото състояние на изхода на цифровия компаратор, който сравнява нивата на сигнала на брояча и приблизителния цифров.

Изходът се синхронизира като последователност от импулси със състояния 1 и 0, всяко състояние на часовника може да се промени или да не се промени в обратното. Честотата на импулсите е пропорционална на нивото на приближаващия сигнал и следващите един след друг единици могат да образуват един по -широк, по -дълъг импулс.

Получените импулси с променлива ширина ще бъдат кратни на тактовия период, а честотата ще бъде равна на 1 / 2NT, където T е тактовият период, N е броят на тактовите цикли. Тук е постижима по -ниска честота по отношение на тактовата честота. Описаната схема за цифрово генериране е еднобитова или двустепенна ШИМ, импулсно кодирана PCM модулация.

Тази двустепенна импулсно кодирана модулация е по същество последователност от импулси с честота 1 / T и ширина T или 0. Свръхдискретизацията се използва за усредняване за по-дълъг период от време. Висококачествената ШИМ се постига чрез еднобитова импулсно-плътна модулация, наричана още импулсно-честотна модулация.

При цифрова широтно-импулсна модулация правоъгълните субимпулси, които запълват периода, могат да се появят на всяко място в периода и след това само техният брой влияе върху средната стойност на сигнала за периода. Така че, ако разделим периода на 8 части, тогава комбинациите от импулси 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т.н. ще дадат същата средна стойност за периода, но отделните единици правят режима на работа на ключовия транзистор по -тежък.

Светилата на електрониката, говорейки за ШИМ, дават подобна аналогия с механиката. Ако завъртите тежък маховик с двигателя, след като двигателят може да бъде включен или изключен, маховикът или ще се завърти и ще продължи да се върти, или ще спре поради триене, когато двигателят е изключен.

Но ако двигателят се включи за няколко секунди в минута, тогава въртенето на маховика ще се поддържа поради инерция при определена скорост. И колкото по -дълго е включен двигателят, толкова по -висока е скоростта на въртене на маховика. Така с ШИМ, сигнал за включване и изключване (0 и 1) идва към изхода и в резултат се достига средна стойност. Чрез интегриране на напрежението на импулсите с течение на времето получаваме площта под импулсите и ефектът върху работното тяло ще бъде идентичен с работата със средна стойност на напрежението.

Така работят преобразувателите, при които превключването се случва хиляди пъти в секунда, а честотите достигат единици от мегахерца. Специални PWM контролери се използват широко за управление на баластите на енергоспестяващи лампи, захранвания, честотни преобразуватели за двигатели и т.н.

Съотношението на общата продължителност на периода на импулса към времето за включване (положителна част от импулса) се нарича работен цикъл. Така че, ако времето за включване е 10 μs, а периодът продължава 100 μs, тогава при честота 10 kHz, работният цикъл ще бъде 10 и те пишат, че S = 10. Обратният работен цикъл се нарича работен режим цикъл, на английски Duty cycle или съкратено DC.

Така че, за дадения пример, DC = 0,1, тъй като 10/100 = 0,1. С модулация с широчина на импулса, чрез регулиране на работния цикъл на импулса, тоест чрез промяна на постояннотока, необходимата средна стойност се постига на изхода на електронно или друго електрическо устройство, като например двигател.