Modulacija širine impulsa

PWM ili PWM (Pulse Width Modulation) način je upravljanja napajanjem opterećenja. Kontrola se sastoji u promjeni trajanja pulsa uz konstantnu brzinu ponavljanja pulsa. Modulacija širine pulsa dostupna je u analognom, digitalnom, binarnom i ternarnom obliku.

Korištenje širinsko-impulsne modulacije omogućuje povećanje učinkovitosti električnih pretvarača, posebice impulsnih pretvarača, koji danas čine osnovu sekundarnih izvora napajanja za razne elektroničke uređaje. Flyback i forward single, push-pull i polu-most, kao i preklopni pretvarači mosta danas se kontroliraju uz sudjelovanje PWM-a, to se također odnosi na rezonantne pretvarače.

Modulacija širine pulsa omogućuje vam podešavanje svjetline pozadinskog osvjetljenja zaslona s tekućim kristalima mobilnih telefona, pametnih telefona, prijenosnih računala. PWM je implementiran u aparati za zavarivanje, u auto inverterima, u punjačima itd. Svaki današnji punjač u svom radu koristi PWM.

Bipolarni i tranzistori s efektom polja koriste se kao sklopni elementi u modernim visokofrekventnim pretvaračima. To znači da je dio periode tranzistor potpuno otvoren, a dio periode potpuno zatvoren.

A budući da je u prijelaznim stanjima koja traju samo desetke nanosekundi, snaga koju oslobađa prekidač mala u usporedbi s sklopljenom snagom, kao rezultat toga, prosječna snaga oslobođena u obliku topline na prekidaču ispada zanemariva. U ovom slučaju, u zatvorenom stanju, otpor tranzistora kao sklopke je vrlo mali, a pad napona na njemu se približava nuli.

U otvorenom stanju, vodljivost tranzistora je blizu nule i struja praktički ne teče kroz njega. To omogućuje stvaranje kompaktnih pretvarača s visokom učinkovitošću, odnosno s malim gubicima topline. ZCS (Zero Current Switching) rezonantni pretvarači minimiziraju te gubitke.

U PWM generatorima analognog tipa, upravljački signal generira analogni komparator kada se, na primjer, signal trokuta ili triode primijeni na invertirajući ulaz komparatora, a modulirajući kontinuirani signal na neinvertirajući ulaz.

Primaju se izlazni impulsi pravokutannjihova brzina ponavljanja jednaka je frekvenciji pile (ili trokutastog valnog oblika), a trajanje pozitivnog dijela impulsa povezano je s vremenom tijekom kojeg je razina modulirajućeg istosmjernog signala primijenjena na neinvertirajući ulaz komparator je viši od razine signala pile koji se dovodi na invertirajući ulaz.Kada je napon pile viši od modulirajućeg signala, izlaz će biti negativan dio impulsa.

Ako se pila primijeni na neinvertirajući ulaz komparatora, a modulirajući signal na invertirajući, tada će pravokutni izlazni impulsi imati pozitivnu vrijednost kada je napon pile viši od vrijednosti modulirajućeg signala primijenjen na invertirajući ulaz, a negativan — kada je napon pile niži od modulirajućeg signala. Primjer analogne PWM generacije je čip TL494, koji se danas naširoko koristi u konstrukciji prekidačkih izvora napajanja.

Digitalni PWM koristi se u binarnoj digitalnoj tehnologiji. Izlazni impulsi također uzimaju samo jednu od dvije vrijednosti (uključeno ili isključeno), a prosječna izlazna razina se približava željenoj. Ovdje se pilasti signal dobiva korištenjem N-bitnog brojača.

PWM digitalni uređaji također rade na konstantnoj frekvenciji, nužno prekoračujući vrijeme odziva kontroliranog uređaja, ovaj pristup se naziva oversampling. Između rubova takta, digitalni PWM izlaz ostaje stabilan, visok ili nizak, ovisno o trenutnom stanju izlaza digitalnog komparatora, koji uspoređuje razine signala brojača i približnog digitalnog.

Izlaz se taktira kao slijed impulsa sa stanjima 1 i 0, a svako stanje sata može ali ne mora biti obrnuto. Frekvencija impulsa proporcionalna je razini signala koji se približava, a uzastopne jedinice mogu formirati širi, dulji puls.

Rezultirajući impulsi promjenjive širine bit će višekratnici takta, a frekvencija će biti jednaka 1 / 2NT, gdje je T period takta, N broj ciklusa takta. Ovdje je moguće postići nižu frekvenciju u smislu frekvencije takta. Opisana shema digitalnog generiranja je jednobitna ili dvorazinska PWM, pulsno kodirana PCM modulacija.

Ova dvostupanjska impulsno kodirana modulacija u biti je niz impulsa s frekvencijom od 1/T i širinom od T ili 0. Preuzorkovanje se koristi za izračunavanje prosjeka kroz dulje vremensko razdoblje. Visokokvalitetni PWM postiže se jednobitnom pulsno-gustom modulacijom, koja se naziva i pulsno-frekvencijska modulacija.

Kod digitalne modulacije širine impulsa, pravokutni podimpulsi koji ispunjavaju periodu mogu se pojaviti bilo gdje u periodi i tada samo njihov broj utječe na prosječnu vrijednost signala za period. Dakle, ako razdoblje podijelimo na 8 dijelova, onda su kombinacije pulsa 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 itd. dat će isti prosjek razdoblja, ali pojedinačne jedinice otežavaju radni ciklus ključnog tranzistora.

Svjetla elektronike, govoreći o PWM-u, daju sličnu analogiju mehanici. Ako okrenete teški zamašnjak s motorom nakon što se motor može uključiti ili isključiti, zamašnjak će se ili okretati i nastaviti okretati ili će se zaustaviti zbog trenja kada je motor isključen.

Ali ako je motor uključen nekoliko sekundi u minuti, tada će se rotacija zamašnjaka održati zbog inercije pri određenoj brzini. I što je motor duže uključen, to je veća brzina vrtnje zamašnjaka.Dakle, kod PWM-a signal za uključivanje i isključivanje (0 i 1) dolazi na izlaz i rezultat je prosječna vrijednost. Integracijom napona impulsa kroz vrijeme dobivamo površinu ispod impulsa, a učinak na radno tijelo bit će identičan radu s prosječnom vrijednošću napona.

Ovako rade pretvarači, gdje se prebacivanje događa tisućama puta u sekundi, a frekvencije dosežu jedinice megaherca. Posebni PWM kontroleri naširoko se koriste za upravljanje balastima štednih žarulja, izvora napajanja, frekvencijski pretvarači za motore itd.

Omjer ukupnog trajanja perioda impulsa i vremena uključivanja (pozitivni dio impulsa) naziva se radni ciklus. Dakle, ako je vrijeme uključivanja 10 μs, a period traje 100 μs, tada će na frekvenciji od 10 kHz radni ciklus biti 10, a oni pišu da je S = 10. Obrnuti radni ciklus naziva se radni ciklus cycle, na engleskom Duty cycle ili skraćeno DC.

Dakle, za navedeni primjer, DC = 0,1 jer je 10/100 = 0,1. Širinsko-impulsnom modulacijom, podešavanjem radnog ciklusa impulsa, odnosno promjenom istosmjerne struje, postiže se potrebna prosječna vrijednost na izlazu elektroničkog ili drugog električnog uređaja, poput motora.