Jak jsou napětí a duty cycle vzájemně spojeny v pulzní šířkové modulaci (PWM)?

Vztah mezi napětím a cyklovým poměrem v pulzní šířkové modulaci (PWM)

Pulzní šířková modulace (PWM) je technika, která reguluje průměrné výstupní napětí ovládáním cyklového poměru přepínacího signálu. PWM se široce používá v aplikacích jako je řízení motorů, správa energie a ztmavování LED. Pochopení vztahu mezi napětím a cyklovým poměrem v PWM je klíčové pro správné použití a návrh systémů PWM.

1. Základní princip PWM

• Signál PWM: Signál PWM je periodický čtvercový signál s pevnou frekvencí, ale proměnným podílem vysokých (zapnutých) a nízkých (vypnutých) úrovní v každém cyklu. Tento podíl se nazývá cyklový poměr.

• Cyklový poměr: Cyklový poměr je poměr doby, kdy je signál vysoký (zapnutý), k celkovému období PWM cyklu. Obvykle se vyjadřuje v procentech nebo jako zlomek mezi 0 a 1. Například cyklový poměr 50 % znamená, že signál je vysoký po polovině cyklu a nízký po druhé polovině; cyklový poměr 100 % znamená, že signál je vždy vysoký; a cyklový poměr 0 % znamená, že signál je vždy nízký.

• Frekvence PWM: Frekvence signálu PWM určuje dobu trvání každého cyklu. Vyšší frekvence vedou ke kratším cyklům a rychlejší změně signálu PWM.

2. Vztah mezi napětím a cyklovým poměrem v PWM

• Průměrné napětí: V PWM je průměrné výstupní napětí úměrné cyklovému poměru. Pokud je maximální napětí signálu PWM   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, průměrné výstupní napětí   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; lze\; vypočítat\; pomocí\; následujícího\; vzorce:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Kde:

• Vavg je průměrné výstupní napětí.

• D je cyklový poměr (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax je maximální napětí signálu PWM (obvykle zdrojové napětí).

• Vliv cyklového poměru na průměrné napětí:

• Pokud je cyklový poměr 0 %, je signál PWM vždy nízký a průměrné výstupní napětí je 0.

• Pokud je cyklový poměr 100 %, je signál PWM vždy vysoký a průměrné výstupní napětí se rovná maximálnímu napětí Vmax.

• Pokud je cyklový poměr mezi 0 % a 100 %, je průměrné výstupní napětí úměrné maximálnímu napětí. Například cyklový poměr 50 % vede k průměrnému výstupnímu napětí, které je polovinou maximálního napětí.

3. Příklady použití PWM

a. Řízení motorů

• V řízení motorů se PWM používá k regulaci rychlosti nebo momentu motoru. Změnou cyklového poměru signálu PWM lze ovládat průměrné napětí plynoucí do motoru, což umožňuje upravit výkon motoru. Například snížení cyklového poměru snižuje průměrné napětí a tím zpomaluje motor, zatímco zvýšení cyklového poměru zvyšuje průměrné napětí a tím zrychluje motor.

b. Ztmavování LED

• V aplikacích pro ztmavování LED se PWM používá k úpravě jasu LED. Změnou cyklového poměru signálu PWM lze ovládat průměrný proud procházející LED, což umožňuje upravit jeho jas. Například cyklový poměr 50 % vede k jasu LED, který je polovinou jeho maximální hodnoty, zatímco cyklový poměr 100 % dělá LED plně jasnou.

c. Převodníky DC-DC

• V převodnících DC-DC (např. buck převodnících nebo boost převodnících) se PWM používá k regulaci výstupního napětí. Změnou cyklového poměru signálu PWM lze ovládat dobu zapnutí a vypnutí přepínacího prvku, což pak upravuje výstupní napětí. Například u buck převodníku zvýšení cyklového poměru zvyšuje výstupní napětí, zatímco snížení cyklového poměru ho snižuje.

4. Výhody PWM

• Vysoká efektivita: PWM kontroluje napětí prostřednictvím přepínacích operací místo lineární regulace (např. pomocí odporových dělicích členů), což vede k nižším energetickým ztrátám a vyšší efektivitě.

• Přesné řízení: Přesnou úpravou cyklového poměru umožňuje PWM jemné řízení nad výstupním napětím nebo proudem.

• Flexibilita: PWM snadno lze adaptovat na různé aplikace, jako je řízení motorů, ztmavování LED a správa energie.

5. Omezení PWM

• Elektromagnetické rušení (EMI): Protože signály PWM jsou vysokofrekvenční přepínací signály, mohou generovat elektromagnetické rušení, zejména na vyšších frekvencích. V návrhu systémů PWM by měly být použity vhodné filtrační a štítící techniky.

• Šum: V některých aplikacích mohou signály PWM způsobit slyšitelný šum, zejména v audio zařízeních nebo v řízení motorů. Tento problém lze minimalizovat výběrem vhodné frekvence PWM.

Shrnutí

V pulzní šířkové modulaci (PWM) je průměrné výstupní napětí přímo úměrné cyklovému poměru. Cyklový poměr určuje podíl doby, kdy je signál vysoký v PWM cyklu, což ovlivňuje průměrné výstupní napětí. Úpravou cyklového poměru lze flexibilně řídit výstupní napětí nebo proud bez změny zdrojového napětí. Technologie PWM se široce používá v řízení motorů, ztmavování LED, správě energie a dalších aplikacích, nabízí vysokou efektivitu a přesné řízení.