Co je shim. Pulzní šířková modulace (PWM) PWM regulátor střídavého napětí

V tomto článku si s vámi povíme PWM regulátory : co to je, proč a kde se používá.

PWM – pulzně šířkový modulátor.

Používají se k převodu napětí v televizních zařízeních a dalších elektronických zařízeních PWM regulátory . Pomocí zařízení bylo možné zavést do výroby inovativní nápady a nové technologie. Hlavní předností PWM regulátorů jsou jejich skromné ​​rozměry, vynikající výkon a vysoká spolehlivost.

Nejžádanější PWM regulátory při výrobě modulů spínaný zdroj typ. Stejnosměrné napětí na vstupu zařízení je převedeno na obdélníkové impulsy generované s určitou frekvencí a pracovním cyklem. Pomocí řídicích signálů na výstupu zařízení je možné provést nařízení provoz vysoce výkonného tranzistorového modulu. Výsledkem bylo, že vývojáři dostali jednotku pro řízení napětí nastavitelný typ.

V televizních zařízeních jsou velmi žádané kompaktní regulátory PWM. Kromě toho se zařízení používají v jiných elektronických zařízeních a také jako součásti systému řízení rychlosti elektrických pohonů v domácích spotřebičích. V závislosti na parametrech systému a řídicím signálu mění PWM regulátory rychlost pohonné jednotky. Zpětnou vazbu lze provádět jak na aktuální hodnotě, tak na napěťové úrovni.

Typická konstrukce regulátoru PWM používaného v televizi a dalších elektronických zařízeních se vyznačuje přítomností několika výstupů. Společný kolík je připojen k podobnému kontaktu systém dodávající energii do modulu. Ovládací kolík napájení a kolík napájení jsou umístěny vedle sebe. První z nich je zodpovědný za monitorování napětí na výstupu obvodu a vypíná jej, když hodnota klesne pod prahovou hodnotu. Druhý pin je zodpovědný za napájení systém .

Výstupní napětí je odstraněno z odpovídajícího pinu. Existují dvouramenné a jednoramenné PWM regulátory. První z nich slouží k ovládání standardních tranzistorů. Pokud je nutné je sepnout, regulátor sepne příslušný kontakt na společný kabel. Při práci s bipolárním tranzistorem se používá jednoramenná kaskáda, protože nastavení vyžaduje změnu síly proudu. Pro vypnutí tranzistoru je nutné zakázat průchod proudu. Proto se nepoužívá zkrat na společný kontakt.

Regulátory PWM používané v televizních zařízeních se vyznačují následujícími schopnostmi:

• Zařízení jsou schopna produkovat referenční napětí s vysokým stupněm přesnosti. Často je tento kolík připojen ke společnému vodiči. V tomto případě se používá kapacita 1 mF nebo více, což zlepšuje kvalitu stabilizace výstupní hodnoty.

• Omezovač proudu se spustí, když napětí na příslušné svorce výrazně překročí prahovou hodnotu. V tomto případě se vypínače automaticky vypnou.

• Soft start slouží k postupnému zvyšování velikosti výstupních impulsů na vypočítané hodnoty. Přítomnost kapacity mezi odpovídající svorkou a společným vodičem vede k jeho postupnému nabíjení. V důsledku toho se každý impuls rozšíří, dokud není dosaženo požadované hodnoty.

Moderní zásoby energie pro různá zařízení jsou navrženy na základě PWM regulátorů. Životnost modulu závisí na kvalitě komponentů. Hlavním účelem, pro který jsou PWM regulátory zahrnuty do obvodů zdroje napětí, je zajistit stabilní výstupní napětí. Malé rozměry regulátorů jim dávají výhodu oproti standardním obvodům využívajícím transformátory.

PWM regulátory používané v zásoby energie Kromě stabilizace výstupního napětí implementují několik dalších funkcí. Použití pulzně šířkové modulace umožňuje řídit velikost signálu. V tomto případě je možné změnit délku pulzu a pracovní cyklus.

Regulátory PWM mají vysokou účinnost, což může výrazně rozšířit rozsah jejich použití. To platí zejména pro zařízení pro reprodukci zvuku. Při použití PWM regulátorů v napájecích zdrojích se navíc výrazně rozšiřuje rozsah dostupných výkonů zařízení.

Zařízení založená na PWM regulátorech jsou univerzální a lze je použít nejen v televizních zařízeních, ale i v mnoha dalších zařízeních. Na základě těchto regulátorů jsou realizovány napájecí zdroje pro různá elektrická zařízení. Použití zařízení umožňuje snížit náklady na provoz zařízení a zlepšit jeho kvalitu provozu. Vysoká účinnost dělá z vývoje zdrojů na bázi PWM regulátorů slibnou a vyhledávanou oblast činnosti.

PWM nebo PWM (pulse-width modulation, anglicky) je způsob, jak řídit dodávku energie do zátěže. Ovládání spočívá ve změně doby trvání pulzu při konstantní frekvenci opakování pulzu. Pulzní šířková modulace může být analogová, digitální, binární nebo ternární.

Použití pulsně šířkové modulace umožňuje zvýšit účinnost elektrických měničů, zejména u pulsních měničů, které dnes tvoří základ sekundárních zdrojů pro různá elektronická zařízení. Flyback a forward jednocyklové, push-pull a poloviční můstky i můstkové pulzní měniče jsou dnes řízeny za účasti PWM, to platí i pro rezonanční měniče.

Pulzní šířková modulace umožňuje upravit jas podsvícení displejů z tekutých krystalů mobilních telefonů, smartphonů a notebooků. PWM je implementováno v automobilových střídačích, nabíječkách atd. Každá nabíječka dnes při svém provozu využívá PWM.

Jako spínací prvky v moderních vysokofrekvenčních měničích se používají bipolární a polem řízené tranzistory pracující ve spínacím režimu. To znamená, že část periody je tranzistor zcela otevřen a část periody je zcela uzavřena.

A protože v přechodných stavech trvajících jen desítky nanosekund je výkon uvolněný na spínač ve srovnání se spínaným výkonem malý, průměrný výkon uvolněný ve formě tepla na spínači se nakonec ukáže jako nevýznamný. V tomto případě je v sepnutém stavu odpor tranzistoru jako spínače velmi malý a úbytek napětí na něm se blíží nule.

V otevřeném stavu se vodivost tranzistoru blíží nule a neprotéká jím prakticky žádný proud. To umožňuje vytvářet kompaktní měniče s vysokou účinností, tedy s nízkými tepelnými ztrátami. A rezonanční měniče se spínáním při nulovém proudu ZCS (zero-current-switching) umožňují snížit tyto ztráty na minimum.

U generátorů PWM analogového typu je řídicí signál generován analogovým komparátorem, když je například na invertující vstup komparátoru přiváděn trojúhelníkový nebo pilový signál a na neinvertující vstup je přiváděn modulační spojitý signál.

Výstupní impulsy jsou získány, jejich opakovací frekvence je rovna frekvenci pily (nebo trojúhelníkového signálu) a doba trvání kladné části impulsu je spojena s dobou, po kterou je úroveň modulačního konstantního signálu dodávaného do neinvertující vstup komparátoru je vyšší než úroveň signálu pily, který je přiváděn do invertujícího vstupu. Když je napětí pily vyšší než modulační signál, výstup bude mít zápornou část impulsu.

Pokud je pila přiváděna na neinvertující vstup komparátoru a modulační signál je přiváděn na invertující vstup, pak výstupní obdélníkové impulsy budou mít kladnou hodnotu, když je napětí pily vyšší než hodnota dodávaného modulačního signálu. na invertující vstup a záporný, když je napětí pily nižší než modulační signál. Příkladem analogové generace PWM je mikroobvod TL494, který je dnes široce používán při konstrukci spínaných zdrojů.

Digitální PWM se používá v binární digitální technologii. Výstupní impulsy také nabývají pouze jedné ze dvou hodnot (zapnuto nebo vypnuto) a průměrná výstupní úroveň se blíží požadované úrovni. Zde se pilový signál získává pomocí N-bitového čítače.

Digitální zařízení s PWM také pracují na konstantní frekvenci, která nutně překračuje dobu odezvy řízeného zařízení, tento přístup se nazývá oversampling. Mezi hodinovými hranami zůstává digitální PWM výstup stabilní, buď vysoký nebo nízký, v závislosti na aktuálním stavu výstupu digitálního komparátoru, který porovnává úrovně signálu na čítači a přibližného digitálního.

Výstup je taktován jako sekvence impulsů se stavy 1 a 0, každý stav hodin se může nebo nemusí změnit na opačný. Frekvence pulzů je úměrná úrovni blížícího se signálu a jednotky následující za sebou mohou tvořit jeden širší, delší pulz.

Výsledné pulsy proměnné šířky budou násobkem periody hodin a frekvence bude rovna 1/2NT, kde T je hodinová perioda, N je počet hodinových cyklů. Zde je možné dosáhnout nižší frekvence vzhledem k frekvenci hodin. Popsaný obvod digitální generace je jednobitová nebo dvouúrovňová PWM, pulzně kódovaná PCM modulace.

Tato dvouúrovňová pulzně kódovaná modulace je v podstatě sérií pulzů s frekvencí 1/T a šířkou T nebo 0. Oversampling se používá pro průměrování za delší časové období. Vysoce kvalitní PWM lze dosáhnout pomocí jednobitové pulzně-hustotní modulace, nazývané také pulzně-frekvenční modulace.

S digitální pulzně šířkovou modulací mohou pravoúhlé subpulzy, které vyplňují periodu, padat na libovolné místo v periodě a pak pouze jejich počet ovlivňuje průměrnou hodnotu signálu za periodu. Pokud tedy periodu rozdělíte na 8 částí, pak kombinace pulsů 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 atd. dají stejnou průměrnou hodnotu pro periodu, avšak samostatné jednotky způsobí, že provozní režim klíčového tranzistoru je těžší.

Elektronická svítidla, mluvící o PWM, poskytují následující analogii s mechanikou. Pokud použijete motor k otáčení těžkého setrvačníku, pak protože motor lze zapnout nebo vypnout, setrvačník se buď roztočí a bude pokračovat v otáčení, nebo se zastaví kvůli tření, když je motor vypnutý.

Pokud se však motor zapne na několik sekund za minutu, rotace setrvačníku bude udržována v důsledku setrvačnosti při určité rychlosti. A čím déle je motor zapnutý, tím vyšší jsou otáčky setrvačníku. Stejně jako u PWM přichází na výstup signál zapnutí a vypnutí (0 a 1) a v důsledku toho je dosaženo průměrné hodnoty. Integrací pulzního napětí v čase získáme plochu pod pulzy a účinek na pracovní tělo bude shodný s prací při průměrné hodnotě napětí.

Takto fungují převodníky, kde dochází k přepínání tisíckrát za sekundu a frekvence dosahují několika megahertzů. Speciální PWM regulátory jsou široce používány k ovládání energeticky úsporných předřadníků žárovek, napájecích zdrojů atd.

Poměr celkové doby trvání pulsní periody k době zapnutí (kladná část pulsu) se nazývá pracovní cyklus pulsu. Pokud je tedy doba zapnutí 10 μs a perioda trvá 100 μs, pak při frekvenci 10 kHz bude pracovní cyklus roven 10 a píší, že S = 10. Inverzní pracovní cyklus se nazývá pulzní pracovní cyklus, anglicky Duty cycle, nebo zkráceně DC.

Takže pro uvedený příklad je DC = 0,1, protože 10/100 = 0,1. S modulací šířky pulzu se úpravou pracovního cyklu pulzu, tj. změnou DC, dosáhne požadované průměrné hodnoty na výstupu elektronického nebo jiného elektrického zařízení, jako je motor.

Tento obvod pro kutily lze použít jako regulátor otáček pro 12V DC motor s proudem až 5A, nebo jako stmívač pro 12V halogenové a LED žárovky do 50W. Řízení se provádí pomocí pulzně šířkové modulace (PWM) při frekvenci opakování pulzů asi 200 Hz. Frekvenci lze samozřejmě v případě potřeby změnit a zvolit tak maximální stabilitu a účinnost.

Většina těchto konstrukcí se montuje za mnohem vyšší náklady. Zde představujeme pokročilejší verzi, která využívá časovač 7555, bipolární tranzistorový ovladač a výkonný MOSFET. Tato konstrukce poskytuje vylepšenou regulaci rychlosti a funguje v širokém rozsahu zatížení. Toto je skutečně velmi efektivní schéma a náklady na jeho části při nákupu pro vlastní montáž jsou poměrně nízké.

Obvod používá časovač 7555 k vytvoření proměnné šířky pulsu asi 200 Hz. Řídí tranzistor Q3 (přes tranzistory Q1 - Q2), který řídí otáčky elektromotoru nebo žárovek.

Dobrá definice pulzní šířkové modulace (PWM) je již v jejím názvu. To znamená modulaci (změnu) šířky pulsu (ne frekvence). Pro lepší pochopení co je PWM, podívejme se nejprve na některé zajímavosti.

Mikrokontroléry jsou inteligentní digitální součástky, které pracují na bázi binárních signálů. Nejlepší reprezentací binárního signálu je čtvercová vlna (signál, který má obdélníkový tvar). Následující diagram vysvětluje základní pojmy spojené s obdélníkovou vlnou.

V PWM signálu je čas (perioda), a tedy frekvence, vždy konstantní hodnotou. Mění se pouze doba zapnutí a vypnutí pulzu (pracovní faktor). Pomocí této modulační metody můžeme získat napětí, které potřebujeme.

Jediný rozdíl mezi obdélníkovou vlnou a signálem PWM je v tom, že obdélníková vlna má stejné a konstantní doby zapnutí a vypnutí (50% pracovní cyklus), zatímco signál PWM má proměnný pracovní cyklus.

Obdélníková vlna může být považována za speciální případ signálu PWM, který má 50% pracovní cyklus (perioda zapnutí = doba vypnutí).

Podívejme se na příklad použití PWM

Řekněme, že máme napájecí napětí 50 voltů a potřebujeme napájet nějakou zátěž, která pracuje na 40 voltů. V tomto případě je dobrým způsobem, jak získat 40 V z 50 V, použít to, čemu se říká step-down chopper.

Signál PWM generovaný chopperem je přiváděn do výkonové jednotky obvodu (tyristor, tranzistor s efektem pole), který zase řídí zátěž. Tento PWM signál může být snadno generován mikrokontrolérem s časovačem.

Požadavky na PWM signál pro získání 40V z 50V pomocí tyristoru: napájení po dobu = 400 ms a vypnutí po dobu = 100 ms (s přihlédnutím k periodě PWM signálu rovné 500 ms).

Obecně to lze snadno vysvětlit následovně: tyristor v zásadě funguje jako spínač. Zátěž přijímá napájecí napětí ze zdroje přes tyristor. Když je tyristor ve vypnutém stavu, zátěž není připojena ke zdroji, a když je tyristor ve stavu zapnuto, zátěž je připojena ke zdroji.

Tento proces zapínání a vypínání tyristoru se provádí pomocí PWM signálu.

Poměr periody PWM signálu k jeho trvání se nazývá pracovní cyklus signálu a převrácená hodnota pracovního cyklu se nazývá pracovní cyklus.

Pokud je pracovní cyklus 100, pak v tomto případě máme konstantní signál.

Pracovní cyklus (pracovní cyklus) lze tedy vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Pomocí výše uvedených vzorců můžeme vypočítat dobu zapnutí tyristoru, abychom získali napětí, které potřebujeme.

Vynásobením pracovního cyklu pulsů 100 to můžeme vyjádřit v procentech. Procento pulzního pracovního cyklu je tedy přímo úměrné hodnotě napětí z původního. Ve výše uvedeném příkladu, pokud chceme získat 40 voltů z 50 voltového zdroje napájení, pak toho lze dosáhnout generováním signálu s pracovním cyklem 80 %. Protože 80 % z 50 místo 40.

Pro konsolidaci materiálu vyřešme následující problém:

• Vypočítejme dobu zapnutí a vypnutí signálu s frekvencí 50 Hz a pracovním cyklem 60 %.

Výsledná PWM vlna bude vypadat takto:

Jedním z nejlepších příkladů použití pulzně šířkové modulace je použití PWM k úpravě rychlosti motoru nebo jasu LED.

Tato technika změny šířky impulsu pro získání požadovaného pracovního cyklu se nazývá „modulace šířky impulsu“.

LED diody se používají téměř ve všech technologiích kolem nás. Pravda, někdy je nutné upravit jejich jas (například u baterek nebo monitorů). Nejjednodušší cestou z této situace se zdá být změna velikosti proudu procházejícího LED. Ale to není pravda. LED je poměrně citlivá součástka. Neustálá změna velikosti proudu může výrazně zkrátit jeho životnost, nebo dokonce zlomit. Je také nutné vzít v úvahu, že nemůžete použít omezovací odpor, protože se v něm bude hromadit přebytečná energie. To je při používání baterií nepřijatelné. Dalším problémem tohoto přístupu je, že se změní barva světla.

Jsou dvě možnosti:

• PWM regulace
• Analogový

Tyto metody řídí proud protékající LED, ale existují mezi nimi určité rozdíly.
Analogové ovládání mění úroveň proudu, který prochází LED diodami. A PWM reguluje frekvenci dodávky proudu.

PWM regulace

Cestou z této situace může být použití pulzně šířkové modulace (PWM). S tímto systémem dostávají LED diody požadovaný proud a jas se upravuje pomocí vysokofrekvenčního napájení. To znamená, že frekvence krmení mění jas LED.
Nepochybnou výhodou systému PWM je zachování produktivity LED. Účinnost bude asi 90 %.

Typy PWM regulace

• Dvoudrátový. Často se používá v systémech osvětlení automobilů. Napájecí zdroj převodníku musí mít obvod, který na stejnosměrném výstupu generuje PWM signál.
• Spouštěcí zařízení. K provedení periody zapnutí/vypnutí převodníku použijte bočníkovou součást, která poskytuje cestu pro výstupní proud jinou než LED.

Parametry pulzu pro PWM

Opakovací frekvence pulsu se nemění, takže na ni nejsou kladeny žádné požadavky při určování jasu světla. V tomto případě se změní pouze šířka nebo čas kladného impulsu.

Pulzní frekvence

I když vezmeme v úvahu skutečnost, že neexistují žádné zvláštní stížnosti na frekvenci, existují limitní hodnoty. Jsou určeny citlivostí lidského oka na blikání. Například ve filmu musí snímky blikat rychlostí 24 snímků za sekundu, aby je naše oči vnímaly jako jeden pohyblivý obraz.
Aby bylo blikající světlo vnímáno jako rovnoměrné světlo, musí být frekvence alespoň 200 Hz. Neexistují žádná omezení pro horní ukazatele, ale neexistuje žádný způsob, jak snížit.

Jak funguje PWM regulátor?

K přímému ovládání LED se používá tranzistorový klíčový stupeň. Obvykle používají tranzistory, které mohou akumulovat velké množství energie.
To je nutné při použití LED pásků nebo vysoce výkonných LED.
Pro malá množství nebo malý výkon postačí použití bipolárních tranzistorů. LED diody můžete také připojit přímo k mikroobvodům.

PWM generátory

V systému PWM lze jako hlavní oscilátor použít mikrokontrolér nebo obvod skládající se z obvodů s nízkou integrací.
Regulátor je možné vytvořit i z mikroobvodů, které jsou určeny pro spínané zdroje, nebo logické čipy K561, nebo integrovaný časovač NE565.
Řemeslníci pro tyto účely dokonce používají operační zesilovač. K tomu je na něm sestaven generátor, který lze nastavit.
Jeden z nejpoužívanějších obvodů je založen na časovači 555 Je to v podstatě pravidelný obdélníkový generátor. Frekvence je regulována kondenzátorem C1. na výstupu musí mít kondenzátor vysoké napětí (stejné je to s připojením ke kladnému napájení). A nabíjí se, když je na výstupu nízké napětí. Tento moment dává vzniknout pulzům různé šířky.
Dalším oblíbeným obvodem je PWM založený na čipu UC3843. v tomto případě byl spínací obvod změněn směrem ke zjednodušení. Pro řízení šířky impulzu se používá řídicí napětí s kladnou polaritou. V tomto případě výstup vytváří požadovaný pulzní signál PWM.
Regulační napětí působí na výstup následovně: při jeho snižování se zvětšuje šířka.

Proč PWM?

• Hlavní výhodou tohoto systému je jeho jednoduchost. Vzory použití jsou velmi jednoduché a snadno implementovatelné.
• Řídicí systém PWM poskytuje velmi široký rozsah nastavení jasu. Pokud mluvíme o monitorech, je možné použít podsvícení CCFL, ale v tomto případě lze jas snížit pouze na polovinu, protože podsvícení CCFL je velmi náročné na velikost proudu a napětí.
• Pomocí PWM můžete udržovat proud na konstantní úrovni, což znamená, že nedojde k poškození LED diod a nezmění se teplota barev.

Nevýhody použití PWM

• Po čase může být blikání obrazu docela patrné, zejména při nízkém jasu nebo pohybu očí.
• Při konstantním jasném světle (jako je sluneční světlo) může být obraz rozmazaný.