Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM)

Δοκιμάστε Το Όργανο Μας Για Την Εξάλειψη Των Προβλημάτων





Χρήση του PWM ως τεχνική εναλλαγής

Το Pulse Width Modulation (PWM) είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται συνήθως για τον γενικό έλεγχο της ισχύος DC σε μια ηλεκτρική συσκευή, που γίνεται πρακτική από τους σύγχρονους ηλεκτρονικούς διακόπτες ισχύος. Ωστόσο, βρίσκει επίσης τη θέση της σε ελικόπτερα AC. Η μέση τιμή του ρεύματος που παρέχεται στο φορτίο ελέγχεται από τη θέση του διακόπτη και τη διάρκεια της κατάστασής του. Εάν η περίοδος On του διακόπτη είναι μεγαλύτερη σε σύγκριση με την περίοδο απενεργοποίησης, το φορτίο λαμβάνει συγκριτικά μεγαλύτερη ισχύ. Έτσι, η συχνότητα μεταγωγής PWM πρέπει να είναι ταχύτερη.



Συνήθως, η εναλλαγή πρέπει να γίνει αρκετές φορές το λεπτό σε ηλεκτρική κουζίνα, 120 Hz σε ρυθμιστή λυχνίας, από λίγα kilohertz (kHz) έως δεκάδες kHz για κινητήρα. Η συχνότητα εναλλαγής για ενισχυτές ήχου και τροφοδοτικά υπολογιστή είναι περίπου δέκα έως εκατοντάδες kHz. Η αναλογία του χρόνου ON προς τη χρονική περίοδο του παλμού είναι γνωστή ως κύκλος λειτουργίας. Εάν ο κύκλος λειτουργίας είναι χαμηλός, συνεπάγεται χαμηλή ισχύ.


Η απώλεια ισχύος στη συσκευή μεταγωγής είναι πολύ χαμηλή, λόγω σχεδόν αμελητέας ποσότητας ρεύματος που ρέει στην κατάσταση απενεργοποίησης της συσκευής και αμελητέας ποσότητας πτώσης τάσης στην κατάσταση OFF. Τα ψηφιακά χειριστήρια χρησιμοποιούν επίσης την τεχνική PWM. Το PWM έχει επίσης χρησιμοποιηθεί σε ορισμένα συστήματα επικοινωνίας όπου ο κύκλος λειτουργίας του έχει χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά πληροφοριών μέσω ενός καναλιού επικοινωνίας.



Κύκλος λειτουργίας τετραγωνικού κύματος

Το PWM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση της συνολικής ποσότητας ισχύος που παρέχεται σε ένα φορτίο χωρίς απώλειες που συνήθως συμβαίνουν όταν η μεταφορά ισχύος περιορίζεται με αντίσταση. Τα μειονεκτήματα είναι οι παλμοί που ορίζονται από τον κύκλο λειτουργίας, τη συχνότητα μεταγωγής και τις ιδιότητες του φορτίου. Με αρκετά υψηλή συχνότητα μεταγωγής και, όταν είναι απαραίτητο, με τη χρήση πρόσθετων παθητικών ηλεκτρονικών φίλτρων, η παλμική αμαξοστοιχία μπορεί να εξομαλυνθεί και να ανακτηθεί η μέση αναλογική κυματομορφή. Τα συστήματα ελέγχου PWM υψηλής συχνότητας μπορούν εύκολα να εφαρμοστούν χρησιμοποιώντας διακόπτες ημιαγωγών.

Όπως έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω, σχεδόν καμία ενέργεια δεν διασκορπίζεται από το διακόπτη σε κατάσταση ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων μεταξύ των καταστάσεων ενεργοποίησης και απενεργοποίησης, τόσο η τάση όσο και το ρεύμα είναι μηδενικά και συνεπώς διασπάται σημαντική ισχύς στους διακόπτες. Ευτυχώς, η αλλαγή της κατάστασης μεταξύ της πλήρους ενεργοποίησης και της απενεργοποίησης είναι αρκετά γρήγορη (συνήθως λιγότερο από 100 νανοδευτερόλεπτα) σε σχέση με τους τυπικούς χρόνους ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης και, επομένως, η μέση απόσβεση ισχύος είναι αρκετά χαμηλή σε σύγκριση με την ισχύ που παρέχεται ακόμη και όταν οι υψηλές συχνότητες μεταγωγής είναι μεταχειρισμένα.

Χρήση PWM για παροχή ρεύματος DC για φόρτωση

Το μεγαλύτερο μέρος της βιομηχανικής διαδικασίας πρέπει να εκτελείται με συγκεκριμένες παραμέτρους όσον αφορά την ταχύτητα της μονάδας. Τα ηλεκτρικά συστήματα κίνησης που χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές απαιτούν υψηλότερη απόδοση, αξιοπιστία, μεταβλητή ταχύτητα λόγω της ευκολίας ελέγχου. ο έλεγχος ταχύτητας κινητήρα DC είναι σημαντικό σε εφαρμογές όπου η ακρίβεια και η προστασία είναι ουσιαστικά. Σκοπός ενός ελεγκτή ταχύτητας κινητήρα είναι να λάβει ένα σήμα που αντιπροσωπεύει την απαιτούμενη ταχύτητα και να οδηγήσει έναν κινητήρα σε αυτήν την ταχύτητα.


Η διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM), όπως ισχύει για τον έλεγχο κινητήρα, είναι ένας τρόπος παροχής ενέργειας μέσω διαδοχικών παλμών και όχι συνεχώς μεταβαλλόμενου (αναλογικού) σήματος. Αυξάνοντας ή μειώνοντας το πλάτος του παλμού, ο ελεγκτής ρυθμίζει τη ροή ενέργειας στον άξονα του κινητήρα. Η αυτεπαγωγή του κινητήρα λειτουργεί όπως ένα φίλτρο, αποθηκεύοντας ενέργεια κατά τη διάρκεια του κύκλου 'ON', ενώ την απελευθερώνει με ρυθμό που αντιστοιχεί στο σήμα εισόδου ή αναφοράς. Με άλλα λόγια, η ενέργεια ρέει στο φορτίο όχι τόσο στη συχνότητα μεταγωγής, αλλά στη συχνότητα αναφοράς.

Το κύκλωμα χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ταχύτητας του Κινητήρας DC χρησιμοποιώντας την τεχνική PWM. Το Series Variable Speed ​​DC Motor Controller 12V χρησιμοποιεί ένα χρονοδιακόπτη 555 ως παλμική γεννήτρια PWM για τη ρύθμιση της ταχύτητας του κινητήρα DC12 Volt. Το IC 555 είναι το δημοφιλές Timer Chip που χρησιμοποιείται για την κατασκευή κυκλωμάτων χρονοδιακόπτη. Παρουσιάστηκε το 1972 από τους Signetics. Ονομάζεται ως 555 επειδή υπάρχουν τρεις αντιστάσεις 5 K μέσα. Το IC αποτελείται από δύο συγκριτές, μια αλυσίδα αντίστασης, ένα Flip Flop και ένα στάδιο εξόδου. Λειτουργεί σε 3 βασικές λειτουργίες - Astable, Monostable (όπου λειτουργεί μια γεννήτρια παλμών ενός πυροβολισμού και Bistable mode. Δηλαδή, όταν ενεργοποιείται, η έξοδος πηγαίνει υψηλή για μια περίοδο με βάση τις τιμές της αντίστασης χρονισμού και του πυκνωτή. Με τη λειτουργία Astable (AMV), το IC λειτουργεί ως πολυσυνδυαστής ελεύθερης λειτουργίας. Η έξοδος γίνεται συνεχώς υψηλή και χαμηλή για να δώσει παλλόμενη έξοδο ως ταλαντωτή. Στη λειτουργία Bistable επίσης γνωστή ως Schmitt trigger, το IC λειτουργεί ως Flip-Flop με υψηλό ή χαμηλή απόδοση σε κάθε σκανδάλη και επαναφορά.

Έλεγχος ταχύτητας κινητήρα DC με βάση PWM

Σε αυτό το κύκλωμα, χρησιμοποιείται IRF540 MOSFET. Αυτό είναι το MOSFET βελτίωσης N-Channel. Είναι ένα προηγμένο MOSFET ισχύος σχεδιασμένο, δοκιμασμένο και εγγυημένο ότι αντέχει ένα καθορισμένο επίπεδο ενέργειας στον τρόπο λειτουργίας της χιονοστιβάδας κατάρρευσης. Αυτή η ισχύς MOSFETs έχει σχεδιαστεί για εφαρμογές όπως ρυθμιστές εναλλαγής, μετατροπείς μεταγωγής, προγράμματα οδήγησης κινητήρα, οδηγοί ρελέ και οδηγοί για διπολικά τρανζίστορ μεταγωγής υψηλής ισχύος που απαιτούν υψηλή ταχύτητα και χαμηλή ισχύ κίνησης πύλης. Αυτοί οι τύποι μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας από ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η τάση λειτουργίας αυτού του κυκλώματος μπορεί να ρυθμιστεί σύμφωνα με τις ανάγκες του κινητήρα DC. Αυτό το κύκλωμα μπορεί να λειτουργήσει από 5-18VDC.

Πάνω από το κύκλωμα, δηλαδή Έλεγχος ταχύτητας κινητήρα DC από PWM Η τεχνική μεταβάλλει τον κύκλο λειτουργίας που με τη σειρά του ελέγχει την ταχύτητα του κινητήρα. Το IC 555 είναι συνδεδεμένο σε λειτουργία ασβεστίου χωρίς πολλαπλό δονητή. Το κύκλωμα αποτελείται από μια διάταξη ποτενσιόμετρου και δύο διόδων, η οποία χρησιμοποιείται για την αλλαγή του κύκλου λειτουργίας και τη διατήρηση της συχνότητας σταθερή. Καθώς μεταβάλλεται η αντίσταση της μεταβλητής αντίστασης ή ποτενσιόμετρου, ο κύκλος λειτουργίας των παλμών που εφαρμόζονται στο MOSFET ποικίλλει και συνεπώς η ισχύς DC στον κινητήρα μεταβάλλεται και έτσι η ταχύτητά του αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο κύκλος λειτουργίας.

Χρήση PWM για παροχή ισχύος AC για φόρτωση

Οι σύγχρονοι διακόπτες ημιαγωγών, όπως MOSFET ή διπολικά τρανζίστορ με μόνωση-πύλη (IGBTs) είναι αρκετά ιδανικά συστατικά. Έτσι μπορούν να κατασκευαστούν ελεγκτές υψηλής απόδοσης. Συνήθως οι μετατροπείς συχνότητας που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των κινητήρων AC έχουν απόδοση μεγαλύτερη από 98%. Τα τροφοδοτικά εναλλαγής έχουν χαμηλότερη απόδοση λόγω των χαμηλών επιπέδων τάσης εξόδου (συχνά απαιτούνται ακόμη και λιγότερο από 2 V για μικροεπεξεργαστές), αλλά μπορεί να επιτευχθεί ακόμη περισσότερο από 70-80% απόδοση.

Έλεγχος PWM σε AC

Αυτό το είδος ελέγχου για AC είναι γνωστή ως προς τη δύναμη μέθοδο καθυστέρησης πυροδότησης. Είναι φθηνότερο και παράγει πολύ ηλεκτρικό θόρυβο και αρμονικές σε σύγκριση με τον πραγματικό έλεγχο PWM που αναπτύσσει αμελητέο θόρυβο.

Σε πολλές εφαρμογές, όπως η βιομηχανική θέρμανση, ο έλεγχος φωτισμού, οι κινητήρες επαγωγής μαλακής εκκίνησης και οι ελεγκτές ταχύτητας για ανεμιστήρες και αντλίες απαιτεί μεταβλητή τάση AC από σταθερή πηγή AC. Ο έλεγχος γωνίας φάσης των ρυθμιστών έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για αυτές τις απαιτήσεις. Προσφέρει μερικά πλεονεκτήματα όπως η απλότητα και η ικανότητα ελέγχου μεγάλου όγκου ισχύος. Ωστόσο, η καθυστερημένη γωνία πυροδότησης προκαλεί ασυνέχεια και άφθονες αρμονικές στο ρεύμα φορτίου και ένας παράγοντας ισχύος υστέρησης εμφανίζεται στην πλευρά AC όταν αυξάνεται η γωνία πυροδότησης.

Αυτά τα προβλήματα μπορούν να βελτιωθούν με τη χρήση PWM AC chopper. Αυτό το ελικόπτερο PWM AC προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, όπως ημιτονοειδές ρεύμα εισόδου με συντελεστή ισχύος σχεδόν ενότητας. Ωστόσο, για να μειωθεί το μέγεθος του φίλτρου και να βελτιωθεί η ποιότητα του ρυθμιστή εξόδου, η συχνότητα μεταγωγής πρέπει να αυξηθεί. Αυτό προκαλεί υψηλή απώλεια μεταγωγής. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η εναλλαγή μεταξύ του διακόπτη μεταφοράς S1 με τον διακόπτη ελεύθερης περιστροφής S2. Προκαλεί την τρέχουσα ακίδα εάν και οι δύο διακόπτες είναι ενεργοποιημένοι ταυτόχρονα (βραχυκύκλωμα), και η τάση αυξάνεται εάν και οι δύο διακόπτες είναι απενεργοποιημένοι (χωρίς διαδρομή ελεύθερης περιστροφής). Για να αποφευχθούν αυτά τα προβλήματα, χρησιμοποιήθηκε RC snubber. Ωστόσο, αυτό αυξάνει την απώλεια ισχύος στο κύκλωμα και είναι δύσκολη, ακριβή, ογκώδης και αναποτελεσματική για εφαρμογές υψηλής ισχύος. Προτείνεται η ελικόπτερο AC με εναλλαγή τάσης μηδενικού ρεύματος (ZCS-ZVS). Ο ρυθμιστής τάσης εξόδου του πρέπει να μεταβάλλει τον χρόνο απενεργοποίησης που ελέγχεται από το σήμα PWM. Επομένως, απαιτείται η χρήση ελέγχου συχνότητας για την επίτευξη της μαλακής εναλλαγής και τα γενικά συστήματα ελέγχου χρησιμοποιούν τις τεχνικές PWM που παράγουν χρόνο ενεργοποίησης. Αυτή η τεχνική έχει πλεονεκτήματα όπως ο απλός έλεγχος με διαμόρφωση sigma-delta και συνεχίζει το ρεύμα εισόδου. Τα χαρακτηριστικά της προτεινόμενης διαμόρφωσης κυκλώματος και των τεμαχισμένων μοτίβων PWM παρουσιάζονται παρακάτω.

PWM