Pulsbreddsmodulering

PWM eller PWM (Pulse Width Modulation) är ett sätt att styra strömförsörjningen till en last. Styrningen består i att ändra pulslängden vid en konstant pulsrepetitionshastighet. Pulsbreddsmodulering finns tillgänglig i analog, digital, binär och ternär.

Användningen av pulsbreddsmodulering gör det möjligt att öka effektiviteten hos elektriska omvandlare, speciellt för pulsomvandlare, som idag utgör grunden för sekundär strömförsörjning för olika elektroniska enheter. Flyback och forward singel, push-pull och halvbrygga, samt bryggomvandlare styrs idag med medverkan av PWM, detta gäller även resonantomvandlare.

Med pulsbreddsmodulering kan du justera ljusstyrkan på bakgrundsbelysningen på LCD-skärmar på mobiltelefoner, smartphones, bärbara datorer. PWM implementeras i svetsmaskiner, i bilväxelriktare, i laddare etc. Varje laddare idag använder PWM i sin drift.

Key-mode bipolära och fälteffekttransistorer används som kopplingselement i moderna högfrekvensomvandlare. Detta innebär att en del av perioden är transistorn helt öppen och en del av perioden är den helt stängd.

Och eftersom i transienta tillstånd som bara varar i tiotals nanosekunder är kraften som släpps ut av omkopplaren liten jämfört med den switchade effekten, som ett resultat visar sig den genomsnittliga effekten som frigörs i form av värme på switchen vara försumbar. I det här fallet, i det stängda tillståndet, är transistorns resistans som en omkopplare mycket liten, och spänningsfallet över den närmar sig noll.

I öppet tillstånd är transistorns ledningsförmåga nära noll och strömmen flyter praktiskt taget inte genom den. Detta gör det möjligt att skapa kompakta omvandlare med hög effektivitet, det vill säga med låga värmeförluster. ZCS (Zero Current Switching) resonantomvandlare minimerar dessa förluster.

I PWM-generatorer av analog typ genereras styrsignalen av en analog komparator när exempelvis en triangel- eller triodsignal tillförs den inverterande ingången på komparatorn och en modulerande kontinuerlig signal tillförs den icke-inverterande ingången.

Utgångspulser tas emot rektangulär, deras upprepningshastighet är lika med sågens frekvens (eller triangulära vågform), och varaktigheten av den positiva delen av pulsen är relaterad till den tid under vilken nivån på den modulerande DC-signalen appliceras på den icke-inverterande ingången på komparatorn är högre än nivån på sågsignalen som matas till den inverterande ingången.När sågspänningen är högre än den modulerande signalen kommer utsignalen att vara den negativa delen av pulsen.

Om sågen appliceras på den icke-inverterande ingången på komparatorn, och den modulerande signalen appliceras på den inverterande, kommer fyrkantvågsutgångspulserna att ha ett positivt värde när sågspänningen är högre än värdet på den modulerande signalen appliceras på den inverterande ingången, och negativ — när sågspänningen är lägre än den modulerande signalen. Ett exempel på analog PWM-generering är TL494-chipet, som idag används i stor utsträckning vid konstruktion av switchande strömförsörjningar.

Digital PWM används i binär digital teknik. Utgångspulserna tar också bara ett av två värden (på eller av), och den genomsnittliga uteffektnivån närmar sig den önskade. Här erhålls sågtandssignalen genom att använda en N-bitsräknare.

PWM digitala enheter arbetar också med en konstant frekvens, vilket nödvändigtvis överstiger svarstiden för den kontrollerade enheten, detta tillvägagångssätt kallas översampling. Mellan klockkanterna förblir den digitala PWM-utgången stabil, hög eller låg, beroende på det aktuella tillståndet för utgången från den digitala komparatorn, som jämför nivåerna på räknarsignalen och den ungefärliga digitala.

Utsignalen klockas som en sekvens av pulser med tillstånden 1 och 0, varvid varje tillstånd hos klockan kan vara omkastat eller inte. Pulsernas frekvens är proportionell mot nivån på den närmande signalen, och successiva enheter kan bilda en bredare, längre puls.

De resulterande pulserna med variabel bredd kommer att vara multipler av klockperioden, och frekvensen kommer att vara lika med 1/2NT, där T är klockperioden, N är antalet klockcykler. En lägre frekvens vad gäller klockfrekvens är här möjlig. Det digitala genereringsschemat som beskrivs är en-bits eller två-nivå PWM, pulskodad PCM-modulering.

Denna tvåstegs pulskodade modulering är i huvudsak en sekvens av pulser med en frekvens på 1/T och en bredd på T eller 0. Översampling används för att medelvärde över en längre tidsperiod. Högkvalitativ PWM uppnås genom enbits pulstät modulering, även kallad pulsfrekvensmodulering.

Vid digital pulsbreddsmodulering kan de rektangulära subpulserna som fyller perioden dyka upp var som helst i perioden, och då påverkar endast deras antal medelvärdet av signalen för perioden. Så om vi delar upp perioden i 8 delar, så kommer pulskombinationerna 11001100, 11110000, 11000101, 10101010, etc. ger samma periodmedelvärde, men de enskilda enheterna gör nyckeltransistorns arbetscykel tyngre.

Elektronikens armaturer, på tal om PWM, ger en liknande analogi till mekanik. Om du vrider på ett tungt svänghjul med motorn efter att motorn kan startas eller stängas av, kommer svänghjulet antingen att snurra och fortsätta snurra eller stanna på grund av friktion när motorn är avstängd.

Men om motorn slås på i några sekunder per minut, kommer svänghjulets rotation att bibehållas på grund av tröghet vid en viss hastighet. Och ju längre motorn är påslagen, desto högre rotationshastighet för svänghjulet.Så med PWM kommer en på och av-signal (0 och 1) till utgången och resultatet är ett medelvärde. Genom att integrera pulsernas spänning över tid får vi arean under pulserna, och effekten på arbetskroppen blir identisk med arbetet med ett medelvärde på spänningen.

Det är så omvandlare fungerar, där omkoppling sker tusentals gånger per sekund och frekvenser når enheter av megahertz. Särskilda PWM-kontroller används i stor utsträckning för att styra förkopplingsdon för energisnåla lampor, strömförsörjning, frekvensomriktare för motorer etc.

Förhållandet mellan den totala varaktigheten av pulsperioden och på-tiden (positiv del av pulsen) kallas arbetscykeln. Så, om starttiden är 10 μs, och perioden varar 100 μs, då vid en frekvens på 10 kHz, kommer arbetscykeln att vara 10, och de skriver att S = 10. Den omvända pulscykeln kallas arbetscykeln cycle, på engelska Duty cycle eller DC för kort.

Så för det givna exemplet är DC = 0,1 eftersom 10/100 = 0,1. Med pulsbreddsmodulering, genom att justera pulsens arbetscykel, det vill säga genom att ändra likströmmen, uppnås det erforderliga medelvärdet vid utgången av en elektronisk eller annan elektrisk anordning, såsom en motor.