Τι είναι το PWM, πώς να το μετρήσετε

Δοκιμάστε Το Όργανο Μας Για Την Εξάλειψη Των Προβλημάτων





Το PWM σημαίνει διαμόρφωση πλάτους παλμού που υποδηλώνει τη μεταβλητή φύση του πλάτους παλμού που μπορεί να δημιουργηθεί από μια συγκεκριμένη πηγή όπως ένα διακριτό IC, MCU ή ένα τρανζίστορ κύκλωμα.

Τι είναι το PWM

Με απλά λόγια, η διαδικασία PWM δεν είναι τίποτα άλλο παρά την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση τάσης τροφοδοσίας με συγκεκριμένο ρυθμό με διαφορετικές αναλογίες χρονισμού ON / OFF, εδώ το μήκος διακόπτη ON της τάσης μπορεί να είναι μεγαλύτερο, μικρότερο ή ίσο με το μήκος διακόπτη OFF.



Για παράδειγμα, ένα PWM μπορεί να αποτελείται από μια τάση σταθερή για να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε με ρυθμό 2 δευτερόλεπτα ON 1 δευτερόλεπτο OFF, 1 δευτερόλεπτο ON 2 δευτερόλεπτο OFF ή 1 δευτερόλεπτο ON, 1 δευτερόλεπτο OFF.

Όταν αυτός ο ρυθμός ON / OFF μιας τάσης τροφοδοσίας βελτιστοποιείται διαφορετικά, λέμε ότι η τάση είναι διαμορφωμένη σε PWM ή Pulse Width.



Όλοι πρέπει να είστε ήδη εξοικειωμένοι σχετικά με το πώς εμφανίζεται ένα σταθερό δυναμικό DC σε ένα γράφημα χρόνου τάσης / ώρα όπως φαίνεται παρακάτω:

Στην παραπάνω εικόνα μπορούμε να δούμε μια ευθεία γραμμή στο επίπεδο 9V, αυτό επιτυγχάνεται επειδή το επίπεδο 9V δεν αλλάζει σε σχέση με το χρόνο και επομένως είμαστε σε θέση να παρακολουθήσουμε μια ευθεία γραμμή.

Τώρα, εάν αυτό το 9V ενεργοποιηθεί και απενεργοποιηθεί μετά από κάθε 1 δευτερόλεπτο, τότε το παραπάνω γράφημα θα μοιάζει με αυτό:

Μπορούμε να δούμε ξεκάθαρα ότι τώρα η γραμμή 9V δεν είναι πλέον ένας ευθυγραμμιστής ευθείας γραμμής με τη μορφή μπλοκ μετά από κάθε 1 δευτερόλεπτο, καθώς το 9V ενεργοποιείται και απενεργοποιείται μετά από κάθε δευτερόλεπτο εναλλάξ.

Τα παραπάνω ίχνη μοιάζουν με ορθογώνια τετράγωνα επειδή όταν το 9V είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ και ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ, οι λειτουργίες είναι στιγμιαίες που καθιστούν ξαφνικά το 9V να φτάσει στο μηδέν επίπεδο και στη συνέχεια ξαφνικά στο επίπεδο 9V σχηματίζοντας έτσι τα ορθογώνια σχήματα στο γράφημα.

Η παραπάνω συνθήκη δημιουργεί μια παλμική τάση η οποία έχει δύο παραμέτρους που πρέπει να μετρηθούν, δηλαδή: την μέγιστη τάση και τη μέση τάση ή την τάση RMS.

Μέγιστη και μέση τάση

Στην πρώτη εικόνα, η μέγιστη τάση είναι προφανώς 9V, και η μέση τάση είναι επίσης 9V απλώς και μόνο επειδή η τάση είναι σταθερή χωρίς διακοπές.

Ωστόσο, στη δεύτερη εικόνα, αν και η τάση είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ / ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΗ με ρυθμό 1 Hz (1 δευτερόλεπτο ON, 1 δευτερόλεπτο OFF) η αιχμή θα είναι ακόμα ίση με 9V, επειδή η κορυφή φτάνει πάντα το σημάδι 9V κατά τις περιόδους ON. Αλλά η μέση τάση εδώ δεν είναι 9V μάλλον 4,5V επειδή η παραγωγή και η διακοπή της τάσης γίνεται με ρυθμό 50%.

Στις συζητήσεις PWM αυτός ο συντελεστής ON / OFF ονομάζεται κύκλος λειτουργίας του PWM, επομένως στην παραπάνω περίπτωση είναι ένας κύκλος λειτουργίας 50%.

Όταν μετράτε ένα PWM με ψηφιακό πολύμετρο σε μια περιοχή DC, θα έχετε πάντα τη μέση τιμή ανάγνωσης στο μετρητή.

Οι νέοι χομπίστες συγχέονται συχνά με αυτήν την ανάγνωση και την θεωρούν ως την κορυφαία τιμή, κάτι που είναι εντελώς λάθος.

Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, η τιμή αιχμής ενός PWM θα είναι κυρίως ίση με την τάση τροφοδοσίας που τροφοδοτείται στο κύκλωμα, ενώ η μέση τάση στο μετρητή θα είναι ο μέσος όρος των περιόδων ON / OFF των PWMs.

Εναλλαγή Mosfet με PWM

Αν λοιπόν αλλάζετε ένα mosfet με PWM και διαπιστώσετε ότι η τάση πύλης είναι, ας πούμε για παράδειγμα 3V, μην πανικοβληθείτε, καθώς αυτή θα μπορούσε να είναι μόνο η μέση τάση που υποδεικνύεται από το μετρητή, η μέγιστη τάση θα μπορούσε να είναι τόσο υψηλή όσο η τροφοδοσία του κυκλώματός σας Τάση.

Επομένως, το mosfet αναμένεται να λειτουργεί σωστά και πλήρως μέσω αυτών των τιμών αιχμής και η μέση τάση θα επηρεάζει μόνο την περίοδο αγωγιμότητάς της, όχι την προδιαγραφή μεταγωγής της συσκευής.

Όπως συζητήσαμε στις προηγούμενες ενότητες, ένα PWM περιλαμβάνει ουσιαστικά τη διακύμανση του πλάτους παλμού, με άλλα λόγια τις περιόδους ON και OFF του DC.

Ας υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι θέλετε έξοδο PWM με χρόνο ON που είναι 50% μικρότερο από αυτό του χρόνου ON.

Ας υποθέσουμε ότι ο επιλεγμένος χρόνος ON είναι 1/2 δευτερόλεπτο τότε ο χρόνος OFF θα είναι ίσος με 1 δευτερόλεπτο, που θα οδηγήσει σε κύκλο λειτουργίας 1/2 δευτερολέπτου ON και 1 δευτερολέπτου OFF, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα .

Ανάλυση του Duty Cycle του PWM

Σε αυτό το παράδειγμα τα PWM είναι βελτιστοποιημένα ώστε να παράγουν μέγιστη τάση 9V, αλλά μέση τάση 3,15V, δεδομένου ότι ο χρόνος ON είναι μόλις το 35% ενός πλήρους πλήρους κύκλου ON / OFF.

Ένας πλήρης κύκλος αναφέρεται στη χρονική περίοδο που επιτρέπει στον δεδομένο παλμό να ολοκληρώσει έναν πλήρη χρόνο ON και έναν χρόνο OFF.

Ομοίως, κάποιος μπορεί να σκοπεύει να βελτιστοποιήσει το πλάτος παλμού μιας συχνότητας με τα ακόλουθα δεδομένα:

Εδώ ο χρόνος ON μπορεί να φανεί αυξημένος από τον χρόνο OFF κατά 65% σε έναν πλήρη κύκλο, επομένως εδώ η μέση τιμή της τάσης γίνεται 5,85V.

Η παραπάνω αναφερόμενη μέση τάση ονομάζεται επίσης το RMS ή η βασική τετραγωνική τιμή της τάσης.

Δεδομένου ότι αυτοί είναι όλοι ορθογώνιοι ή τετραγωνικοί παλμοί, το RMS μπορεί να υπολογιστεί απλά πολλαπλασιάζοντας το ποσοστό κύκλου λειτουργίας με την μέγιστη τάση.

Βελτιστοποίηση PWM για προσομοίωση Sinewave

Ωστόσο, σε περιπτώσεις όπου το PWM είναι βελτιστοποιημένο για προσομοίωση παλμού AC, ο υπολογισμός για το RMS γίνεται λίγο περίπλοκος.

Ας πάρουμε το παράδειγμα του ακόλουθου PWM το οποίο έχει βελτιστοποιηθεί ώστε να μεταβάλλει το πλάτος του που αντιστοιχεί στο μεταβαλλόμενο πλάτος ή το επίπεδο ενός ημιτονοειδούς σήματος AC.

Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για αυτό μέσω ενός από τα προηγούμενα άρθρα μου όπου εξήγησα πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί το IC 555 παράγοντας ισοδύναμη έξοδο PWM με ημιτόνο κύμα .

Όπως μπορούμε να δούμε στην παραπάνω εικόνα, το πλάτος των παλμών αλλάζει σε σχέση με το στιγμιαίο επίπεδο του ημιτονοειδούς κύματος. Καθώς το ημιτονοειδές κύμα τείνει να φτάσει στην κορυφή, το αντίστοιχο πλάτος του παλμού γίνεται ευρύτερο και το αντίστροφο.

Χρησιμοποιώντας SPWM

Αυτό δείχνει ότι επειδή το επίπεδο τάσης ημιτονοειδούς κύματος αλλάζει συνεχώς με την πάροδο του χρόνου, τα PWM αλλάζουν επίσης με το χρόνο αλλάζοντας συνεχώς τα πλάτη του. Τέτοια PWM αναφέρεται επίσης ως SPWM ή Sinewave Pulse Width Modulation.

Έτσι στην παραπάνω περίπτωση οι παλμοί δεν είναι ποτέ σταθεροί αλλά αλλάζουν το πλάτος τους διαφορετικά με το χρόνο.

Αυτό κάνει το RMS ή τον υπολογισμό της μέσης τιμής λίγο περίπλοκο και δεν μπορούμε απλά να πολλαπλασιάσουμε τον κύκλο λειτουργίας με την μέγιστη τάση εδώ για την επίτευξη του RMS.

Αν και ο πραγματικός τύπος για την εξαγωγή της έκφρασης RMS είναι αρκετά περίπλοκος, μετά από κατάλληλες παραλλαγές η τελική εφαρμογή γίνεται πραγματικά πολύ εύκολη.

Υπολογισμός τάσης RMS ενός PWM

Έτσι για τον υπολογισμό του RMS μιας μεταβαλλόμενης τάσης PWM σε απόκριση ενός ημιτονοειδούς κύματος μπορεί να αποκτηθεί πολλαπλασιάζοντας 0,7 (σταθερά) με την μέγιστη τάση.

Έτσι για μια κορυφή 9V έχουμε 9 x 0,7 = 6,3V, αυτή είναι η τάση RMS ή η μέση τιμή μιας κορυφής 9V στην κορυφή PWM που προσομοιώνει ένα ημιτονοειδές κύμα.

Ο ρόλος της PWM στα ηλεκτρονικά κυκλώματα;

Θα διαπιστώσετε ότι η έννοια PWM σχετίζεται ουσιαστικά με
σχέδια κυκλωμάτων που περιλαμβάνουν επαγωγείς, ιδίως τοπολογίες ενίσχυσης buck, όπως μετατροπείς, SMPS , Κυκλώματα οδήγησης MPPT, LED κ.λπ.

Χωρίς επαγωγέα ένα χαρακτηριστικό PWM μπορεί να μην έχει πραγματική τιμή ή ρόλο σε ένα δεδομένο κύκλωμα, αυτό συμβαίνει επειδή μόνο ένας επαγωγέας έχει το εγγενές χαρακτηριστικό της μετατροπής ενός μεταβαλλόμενου πλάτους παλμού σε ισοδύναμο ποσό ενίσχυσης (ενίσχυσης) ή υποχώρησης (κλεισμένο) τάση ή ρεύμα, το οποίο γίνεται η μοναδική ιδέα μιας τεχνολογίας PWM.

Χρήση PWM με επαγωγείς

Για να καταλάβουμε πώς το PWM επηρεάζει μια έξοδο επαγωγέα από την άποψη της τάσης και του ρεύματος, θα ήταν πρώτα σημαντικό να μάθουμε πώς συμπεριφέρεται ένας επαγωγέας στην επίδραση μιας παλμικής τάσης.

Σε μια από τις προηγούμενες δημοσιεύσεις μου, εξήγησα σχετικά πώς λειτουργεί ένα κύκλωμα ενίσχυσης buck , αυτό είναι ένα κλασικό παράδειγμα για να δείξουμε πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν PWM ή διαφορετικό πλάτος παλμού για να διαστασιοποιηθεί μια έξοδος επαγωγέα.

Είναι γνωστό ότι «από τη φύση», ένας επαγωγέας αντιτίθεται πάντα σε μια ξαφνική εφαρμογή τάσης κατά μήκος του και του επιτρέπει να περάσει μόνο μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα ανάλογα με τις προδιαγραφές περιέλιξής του και κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας αποθηκεύει μια ισοδύναμη ποσότητα ενέργειας το.

Τώρα αν κατά τη διάρκεια της παραπάνω διαδικασίας η τάση απενεργοποιηθεί ξαφνικά, ο επαγωγέας δεν μπορεί πάλι να αντεπεξέλθει σε αυτήν την ξαφνική εξαφάνιση της εφαρμοζόμενης τάσης και προσπαθεί να την εξισορροπήσει απελευθερώνοντας το αποθηκευμένο ρεύμα σε αυτήν.

Αντίδραση επαγωγέα σε PWM

Έτσι, ένας επαγωγέας θα προσπαθήσει να αντιταχθεί στην ενεργοποίηση της τάσης αποθηκεύοντας ρεύμα και θα προσπαθήσει να ισοσταθμίσει ως απόκριση σε μια ξαφνική απενεργοποίηση τάσης «κλωτσώντας» την αποθηκευμένη ενέργεια πίσω στο σύστημα.

Αυτό το λάκτισμα ονομάζεται πίσω EMF ενός επαγωγέα και το περιεχόμενο αυτής της ενέργειας (τάση, ρεύμα) θα εξαρτηθεί από τις προδιαγραφές περιέλιξης του πηνίου.

Βασικά, ο αριθμός στροφών αποφασίζει εάν το EMF θα πρέπει να είναι υψηλότερη σε τάση από την τάση τροφοδοσίας ή χαμηλότερη από την τάση τροφοδοσίας, και το πάχος του καλωδίου αποφασίζει την ποσότητα ρεύματος που μπορεί να είναι σε θέση ο επαγωγέας.

Υπάρχει μια άλλη πτυχή του παραπάνω επαγωγέα, ο οποίος είναι ο χρονισμός των περιόδων τάσης ON / OFF.

Εκεί γίνεται πολύ σημαντική η χρήση ενός PWM.

Αν και ο αριθμός στροφών καθορίζει βασικά τις τιμές εξόδου για ένα συγκεκριμένο, αυτές μπορεί επίσης να ποικίλουν όπως είναι επιθυμητό τροφοδοτώντας μια βελτιστοποιημένη εισαγωγή PWM σε έναν επαγωγέα.

Μέσω μιας μεταβλητής PWM μπορούμε να αναγκάσουμε έναν επαγωγέα να δημιουργήσει / να μετατρέψει τάσεις και ρεύματα με οποιονδήποτε επιθυμητό ρυθμό, είτε ως ενισχυμένη τάση (μειωμένο ρεύμα) είτε ως ενισχυμένο ρεύμα (μειωμένη τάση) ή αντίστροφα.

Σε ορισμένες εφαρμογές ένα PWM μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και χωρίς επαγωγέα, όπως για τη μείωση της λυχνίας LED ή σε κυκλώματα χρονοδιακόπτη MCU, όπου η έξοδος μπορεί να βελτιστοποιηθεί για την παραγωγή τάσεων σε διαφορετικό διακόπτη ON, διακόψτε τις περιόδους OFF για τον έλεγχο ενός φορτίου σύμφωνα με τις προβλεπόμενες προδιαγραφές εργασίας του.




Προηγούμενο: Απλό κύκλωμα συναγερμού υπερήχων αισθητήρα ήχου χρησιμοποιώντας Opamp Επόμενο: Απλό RGB LED Color Mixer Circuit χρησιμοποιώντας LM317 IC