Как са свързани напрежението и цикълът на работа в импулсната ширина на модулация (PWM)?

Връзка между напрежението и цикъла на работата в Широчинна модулация (PWM)

Широчинната модулация (PWM) е техника, която регулира средното изходно напрежение чрез контролиране на цикъла на работата на комутационен сигнал. PWM се използва широко в приложения като контрол на моторите, управление на мощността и затъмняване на LED. Разбирането на връзката между напрежението и цикъла на работата в PWM е важно за правилното използване и проектиране на системи с PWM.

1. Основен принцип на PWM

• Сигнал PWM: Сигналът PWM е периодична правоъгълна вълна с фиксирана честота, но променлив дял на високо (включено) и ниско (изключено) ниво във всеки цикъл. Този дял се нарича цикъл на работата.

• Цикъл на работата: Цикълът на работата е съотношението между времето, в което сигналът е висок (включен), и общата продължителност на цикъла на PWM. Обикновено се изразява като процент или дроб между 0 и 1. Например, цикъл на работата 50% означава, че сигналът е висок половината от цикъла и нисок другата половина; цикъл на работата 100% означава, че сигналът винаги е висок; а цикъл на работата 0% означава, че сигналът винаги е нисок.

• Честота на PWM: Честотата на сигнала PWM определя продължителността на всеки цикъл. По-високите честоти водят до по-кратки цикли, и сигнала PWM се променя по-бързо.

2. Връзка между напрежението и цикъла на работата в PWM

• Средно напрежение: В PWM, средното изходно напрежение е пропорционално на цикъла на работата. Ако пиковото напрежение на сигнала PWM е   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, средното изходно напрежение   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; може\; да\; бъде\; изчислено\; с\; помощта\; на\; следния\; формула:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Където:

• Vavg е средното изходно напрежение.

• D е цикълът на работата (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax е пиковото напрежение на сигнала PWM (обикновено изходното напрежение).

• Ефектът на цикъла на работата върху средното напрежение:

• Когато цикълът на работата е 0%, сигналът PWM винаги е нисък, и средното изходно напрежение е 0.

• Когато цикълът на работата е 100%, сигналът PWM винаги е висок, и средното изходно напрежение е равно на пиковото напрежение Vmax.

• Когато цикълът на работата е между 0% и 100%, средното изходно напрежение е дял от пиковото напрежение. Например, цикъл на работата 50% води до средно изходно напрежение, което е половината от пиковото напрежение.

3. Примери за приложение на PWM

a. Контрол на моторите

• В контрола на моторите, PWM се използва за регулиране на скоростта или момента на мотора. Променяйки цикъла на работата на сигнала PWM, може да се контролира средното напрежение, приложено към мотора, което позволява регулиране на изходната мощност на мотора. Например, намаляването на цикъла на работата намалява средното напрежение, забавяйки мотора, докато увеличаването на цикъла на работата го ускорява.

b. Затъмняване на LED

• В приложенията за затъмняване на LED, PWM се използва за регулиране на яркостта на LED. Променяйки цикъла на работата на сигнала PWM, може да се контролира средният ток през LED, което позволява регулиране на яркостта му. Например, цикъл на работата 50% води до яркост, равна на половината от максималната, докато цикъл на работата 100% прави LED напълно ярък.

c. DC-DC преобразуватели

• В DC-DC преобразувателите (например buck или boost преобразуватели), PWM се използва за регулиране на изходното напрежение. Регулирайки цикъла на работата на сигнала PWM, може да се контролира времето, в което комутационният компонент е включен или изключен, което в резултат регулира изходното напрежение. Например, в buck преобразувател, увеличаването на цикъла на работата повишава изходното напрежение, докато намаляването му го понижава.

4. Предимства на PWM

• Висока ефективност: PWM контролира напрежението чрез комутационни операции, вместо линейно регулиране (например, чрез резистивни делители на напрежението), което води до по-ниски загуби на енергия и по-висока ефективност.

• Точен контрол: Чрез точна регулация на цикъла на работата, PWM позволява фин контрол над изходното напрежение или тока.

• Гъвкавост: PWM лесно се адаптира към различни приложения, такива като контрол на моторите, затъмняване на LED и управление на мощността.

5. Ограничения на PWM

• Електромагнитна интерференция (EMI): Тъй като сигнали PWM са високочестотни комутационни сигнали, те могат да генерират електромагнитна интерференция, особено на по-високи честоти. При проектирането на системи с PWM трябва да се използват подходящи техники за филтриране и защита.

• Шум: В някои приложения, сигнали PWM могат да възпроизведат слушаем шум, особено в аудио оборудване или двигателни приводи. Този проблем може да бъде намален чрез избор на подходяща честота на PWM.

Резюме

В широчинната модулация (PWM), средното изходно напрежение е директно пропорционално на цикъла на работата. Цикълът на работата определя дяла от времето, в което сигналът е висок във всеки цикъл на PWM, което в резултат влияе върху средното изходно напрежение. Регулирайки цикъла на работата, изходното напрежение или тока може да бъде гъвкаво контролирано, без да се променя изходното напрежение. Технологията PWM се използва широко в контрол на моторите, затъмняване на LED, управление на мощността и други приложения, предлагайки висока ефективност и точен контрол.