Hvordan hænger spænding og tidsprocent forhold sammen i pulsbredde modulation (PWM)?

Forholdet mellem spænding og tjenesteforhold i pulsbredde-modulering (PWM)

Pulsbredde-modulering (PWM) er en teknik, der regulerer den gennemsnitlige udgangsspænding ved at kontrollere tjenesteforholdet for et skiftesignal. PWM anvendes bredt i applikationer som motorstyring, strømforvaltning og LED-dæmpning. At forstå forholdet mellem spænding og tjenesteforhold i PWM er afgørende for korrekt brug og design af PWM-systemer.

1. Grundlæggende princip for PWM

• PWM-signal: Et PWM-signal er en periodisk firkantsvælg med en fast frekvens, men en variabel proportion af høj (til) og lav (fra) niveauer inden for hver cyklus. Denne proportion kaldes tjenesteforholdet.

• Tjenesteforhold: Tjenesteforholdet er forholdet mellem den tid, hvor signalet er højt (til), og den samlede periode af PWM-cyklussen. Det udtrykkes typisk som en procentdel eller som en brøk mellem 0 og 1. For eksempel betyder et 50% tjenesteforhold, at signalet er højt i halvdelen af cyklussen og lavt i den anden halvdel; et 100% tjenesteforhold betyder, at signalet altid er højt; og et 0% tjenesteforhold betyder, at signalet altid er lavt.

• PWM-frekvens: Frekvensen af PWM-signalet bestemmer varigheden af hver cyklus. Højere frekvenser resulterer i kortere cykluser, og PWM-signalet ændrer sig hurtigere.

2. Forholdet mellem spænding og tjenesteforhold i PWM

• Gennemsnitlig spænding: I PWM er den gennemsnitlige udgangsspænding proportional med tjenesteforholdet. Hvis topspændingen af PWM-signalet er   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, kan den gennemsnitlige udgangsspænding   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; beregnes\; ved\; hj\ae lp\; af\; følgende\; formel:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Hvor:

• Vavg er den gennemsnitlige udgangsspænding.

• D er tjenesteforholdet (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax er topspændingen af PWM-signalet (typisk leveringsspændingen).

• Effekt af tjenesteforhold på gennemsnitlig spænding:

• Når tjenesteforholdet er 0%, er PWM-signalet altid lavt, og den gennemsnitlige udgangsspænding er 0.

• Når tjenesteforholdet er 100%, er PWM-signalet altid højt, og den gennemsnitlige udgangsspænding er lig med topspændingen Vmax.

• Når tjenesteforholdet ligger mellem 0% og 100%, er den gennemsnitlige udgangsspænding en proportion af topspændingen. For eksempel resulterer et 50% tjenesteforhold i en gennemsnitlig udgangsspænding, der er halvdelen af topspændingen.

3. Applikationseksempler på PWM

a. Motorstyring

• I motorstyring anvendes PWM til at regulere hastighed eller drejningsmoment af en motor. Ved at ændre tjenesteforholdet for PWM-signalet kan den gennemsnitlige spænding, der anvendes på motoren, kontrolleres, hvilket tilpasninger motorens udgangsstrøm. For eksempel reducerer reduktion af tjenesteforholdet den gennemsnitlige spænding, hvilket sænker motorens hastighed, mens øgning af tjenesteforholdet øger den gennemsnitlige spænding, hvilket øger motorens hastighed.

b. LED-dæmpning

• I LED-dæmpningsapplikationer anvendes PWM til at justere lyshelligten af en LED. Ved at ændre tjenesteforholdet for PWM-signalet kan den gennemsnitlige strøm igennem LED'en kontrolleres, hvilket tilpasninger dens lysstyrke. For eksempel resulterer et 50% tjenesteforhold i en LED-lyshellighed, der er halvdelen af maksimum, mens et 100% tjenesteforhold gør LED'en fuldt lysstærk.

c. DC-DC-konvertere

• I DC-DC-konvertere (som buck-konvertere eller boost-konvertere) anvendes PWM til at regulere udgangsspændingen. Ved at justere tjenesteforholdet for PWM-signalet kan on-tiden og off-tiden for skiftedevice kontrolleres, hvilket tilpasninger udgangsspændingen. For eksempel i en buck-konverter, øger øgning af tjenesteforholdet udgangsspændingen, mens reduktion af tjenesteforholdet sænker den.

4. Fordelene ved PWM

• Høj effektivitet: PWM kontrollerer spænding gennem skiftetiltag snarere end lineær regulering (f.eks. ved hjælp af resistive spændingsdeler), hvilket resulterer i mindre energitab og højere effektivitet.

• Præcis kontrol: Ved præcis at justere tjenesteforholdet tillader PWM fin kontrol over udgangsspændingen eller -strømmen.

• Flexibilitet: PWM kan let tilpasses forskellige applikationer, som motorstyring, LED-dæmpning og strømforvaltning.

5. Begrænsninger ved PWM

• Elektromagnetisk støj (EMI): Eftersom PWM-signaler er højkvalitative skiftesignaler, kan de generere elektromagnetisk støj, især ved højere frekvenser. Der bør anvendes passende filtrering og skjoldningsteknikker i PWM-systemdesign.

• Støj: I nogle applikationer kan PWM-signaler introducere hørbart støj, især i lydudstyr eller motorstyringer. Dette problem kan mildnes ved at vælge en passende PWM-frekvens.

Oversigt

I pulsbredde-modulering (PWM) er den gennemsnitlige udgangsspænding direkte proportional med tjenesteforholdet. Tjenesteforholdet bestemmer den proportion af tid, hvor signalet er højt inden for en PWM-cyklus, hvilket påvirker den gennemsnitlige udgangsspænding. Ved at justere tjenesteforholdet kan udgangsspændingen eller -strømmen fleksibelt reguleres uden at ændre leveringsspændingen. PWM-teknologi anvendes bredt i motorstyring, LED-dæmpning, strømforvaltning og andre applikationer, og tilbyder høj effektivitet og præcis kontrol.