Πώς σχετίζονται το voltage και ο duty cycle στην pulse width modulation (PWM)?

Σχέση Τάσης και Δέσμευσης Κύκλου στη Παραμονική Μόνωση Πλάτους (PWM)

Η Παραμονική Μόνωση Πλάτους (PWM) είναι μια τεχνική που ρυθμίζει την μέση εξόδου τάση, ελέγχοντας τη δέσμευση κύκλου ενός σήματος ανάπτυξης. Η PWM είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σε εφαρμογές όπως ο έλεγχος μοτέρ, η διαχείριση ενέργειας και η σκοτώμανση LED. Η κατανόηση της σχέσης μεταξύ τάσης και δέσμευσης κύκλου στη PWM είναι βασική για τη σωστή χρήση και σχεδίαση συστημάτων PWM.

1. Βασικό Αρχή της PWM

• Σήμα PWM: Ένα σήμα PWM είναι ένα περιοδικό τετραγωνικό κύμα με σταθερή συχνότητα, αλλά με μεταβαλλόμενη αναλογία υψηλών (on) και χαμηλών (off) επιπέδων σε κάθε κύκλο. Αυτή η αναλογία ονομάζεται δέσμευση κύκλου.

• Δέσμευση Κύκλου: Η δέσμευση κύκλου είναι η αναλογία του χρόνου που το σήμα είναι υψηλό (on) σε σχέση με την συνολική διάρκεια του κύκλου PWM. Συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό ή ως κλάση μεταξύ 0 και 1. Για παράδειγμα, μια δέσμευση κύκλου 50% σημαίνει ότι το σήμα είναι υψηλό για μισό κύκλο και χαμηλό για το άλλο μισό; μια δέσμευση κύκλου 100% σημαίνει ότι το σήμα είναι πάντα υψηλό; και μια δέσμευση κύκλου 0% σημαίνει ότι το σήμα είναι πάντα χαμηλό.

• Συχνότητα PWM: Η συχνότητα του σήματος PWM καθορίζει τη διάρκεια κάθε κύκλου. Υψηλότερες συχνότητες αποτελούν μικρότερους κύκλους, και το σήμα PWM αλλάζει πιο γρήγορα.

2. Σχέση Τάσης και Δέσμευσης Κύκλου στη PWM

• Μέση Τάση: Στη PWM, η μέση εξόδου τάση είναι ανάλογη με τη δέσμευση κύκλου. Εάν η μέγιστη τάση του σήματος PWM είναι   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, η μέση εξόδου τάση   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; \mu \pi o\rho \epsilon ί\; \nu \alpha \; \upsilon \pi o\lambda o\gamma \iota \sigma \tau \epsilon ί\; \mu \epsilon \; \tau \eta \nu \; \alpha \kappa ό\lambda o\upsilon \theta \eta \; \tau ύ\pi o:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Όπου:

• Vavg είναι η μέση εξόδου τάση.

• D είναι η δέσμευση κύκλου (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax είναι η μέγιστη τάση του σήματος PWM (συνήθως η τάση εφοδιασμού).

• Επίδραση της Δέσμευσης Κύκλου στη Μέση Τάση:

• Όταν η δέσμευση κύκλου είναι 0%, το σήμα PWM είναι πάντα χαμηλό, και η μέση εξόδου τάση είναι 0.

• Όταν η δέσμευση κύκλου είναι 100%, το σήμα PWM είναι πάντα υψηλό, και η μέση εξόδου τάση ισούται με τη μέγιστη τάση Vmax.

• Όταν η δέσμευση κύκλου είναι μεταξύ 0% και 100%, η μέση εξόδου τάση είναι ένα ποσοστό της μέγιστης τάσης. Για παράδειγμα, μια δέσμευση κύκλου 50% έχει ως αποτέλεσμα μέση εξόδου τάση που είναι το μισό της μέγιστης τάσης.

3. Παραδείγματα Εφαρμογών της PWM

a. Έλεγχος Μοτέρ

• Στον έλεγχο μοτέρ, η PWM χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της ταχύτητας ή της ροπής ενός μοτέρ. Αλλάζοντας τη δέσμευση κύκλου του σήματος PWM, η μέση εξόδου τάση που εφαρμόζεται στο μοτέρ μπορεί να ελεγχθεί, προσαρμόζοντας έτσι την εξόδου ισχύ του μοτέρ. Για παράδειγμα, μειώνοντας τη δέσμευση κύκλου μειώνεται η μέση εξόδου τάση, επιβραδύνοντας το μοτέρ, ενώ αυξάνοντας τη δέσμευση κύκλου αυξάνεται η μέση εξόδου τάση, επιταχύνοντας το μοτέρ.

b. Σκοτώμανση LED

• Σε εφαρμογές σκοτώμανσης LED, η PWM χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της φωτεινότητας ενός LED. Αλλάζοντας τη δέσμευση κύκλου του σήματος PWM, η μέση διάβαση διέρχεται το LED μπορεί να ελεγχθεί, προσαρμόζοντας έτσι τη φωτεινότητά του. Για παράδειγμα, μια δέσμευση κύκλου 50% έχει ως αποτέλεσμα φωτεινότητα LED που είναι το μισό της μέγιστης, ενώ μια δέσμευση κύκλου 100% κάνει το LED πλήρως φωτεινό.

c. Μετατροπείς DC-DC

• Σε μετατροπείς DC-DC (όπως buck converters ή boost converters), η PWM χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της εξόδου τάσης. Προσαρμόζοντας τη δέσμευση κύκλου του σήματος PWM, ο χρόνος on και off του συστήματος ανάπτυξης μπορεί να ελεγχθεί, προσαρμόζοντας έτσι την εξόδου τάση. Για παράδειγμα, σε έναν buck converter, η αύξηση της δέσμευσης κύκλου αυξάνει την εξόδου τάση, ενώ η μείωση της δέσμευσης κύκλου τη μειώνει.

4. Πλεονεκτήματα της PWM

• Υψηλή Απόδοση: Η PWM ελέγχει την τάση μέσω πράξεων ανάπτυξης, και όχι μέσω γραμμικής ρύθμισης (π.χ., με τη χρήση διαιρετήρων τάσης), αποτελεί λιγότερες απώλειες ενέργειας και υψηλότερη απόδοση.

• Ακριβής Έλεγχος: Προσαρμόζοντας ακριβώς τη δέσμευση κύκλου, η PWM επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της εξόδου τάσης ή ροής.

• Ευελιξία: Η PWM μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί σε διάφορες εφαρμογές, όπως ο έλεγχος μοτέρ, η σκοτώμανση LED και η διαχείριση ενέργειας.

5. Οριοθέτηση της PWM

• Ηλεκτρομαγνητική Ενοχλητική Εκπομπτή (EMI): Επειδή τα σήματα PWM είναι σήματα ανάπτυξης υψηλής συχνότητας, μπορούν να παράγουν ηλεκτρομαγνητική ενοχλητική εκπομπτή, ειδικά σε υψηλότερες συχνότητες. Πρέπει να εφαρμοστούν κατάλληλες τεχνικές φιλτράρισης και αποστολής στη σχεδίαση συστημάτων PWM.

• Θόρυβος: Σε κάποιες εφαρμογές, τα σήματα PWM μπορεί να προκαλέσουν ακούσιμο θόρυβο, ειδικά σε ηχητικό εξοπλισμό ή ελεγκτικά συστήματα μοτέρ. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να ελαχιστοποιηθεί επιλέγοντας κατάλληλη συχνότητα PWM.

Περίληψη

Στη Παραμονική Μόνωση Πλάτους (PWM), η μέση εξόδου τάση είναι ανάλογη με τη δέσμευση κύκλου. Η δέσμευση κύκλου καθορίζει την αναλογία του χρόνου που το σήμα είναι υψηλό σε κάθε κύκλο PWM, η οποία συνεπώς επηρεάζει τη μέση εξόδου τάση. Προσαρμόζοντας τη δέσμευση κύκλου, η εξόδου τάση ή ροή μπορεί να ρυθμιστεί ευέλικτα χωρίς να αλλάζει η τάση εφοδιασμού. Η τεχνολογία PWM είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σε εφαρμογές όπως ο έλεγχος μοτέρ, η σκοτώμανση LED, η διαχείριση ενέργειας και άλλες, προσφέροντας υψηλή απόδοση και ακριβής έλεγχο.