Kuidas on pingevoolusirgus (PWM) signaalipinge ja töötsükkel seotud?
Pinge ja töötsükli suhe pulssilaiuse modulatsioonis (PWM)
Pulssilaiuse modulatsioon (PWM) on tehnika, mis reguleerib keskmist väljundpinget kontrollides lülitussignaali töötsüklit. PWM-i kasutatakse laialdaselt rakendustes nagu mootori juhtimine, energia haldus ja LED-dimmine. Pinge ja töötsükli vahelise suhte mõistmine on oluline PWM-süsteemide õigeks kasutamiseks ja disainimiseks.
1. PWM-i põhiline printsiip
PWM-signaal: PWM-signaal on perioodiline ruutvool, millel on fikseeritud sagedus, kuid muutuv tõstetud (sisse) ja madal (välja) taseme suhe igas tsüklis. See suhe nimetatakse töötsüklile.
Töötsükkel: Töötsükkel on signaali tõstetud (sisse) olekuaega PWM-tsüklis kokku võttes. See väljendatakse tavaliselt protsendina või murdosa kujul 0 ja 1 vahel. Näiteks 50% töötsükkel tähendab, et signaal on pool tsüklit tõstetud ja pool madal; 100% töötsükkel tähendab, et signaal on alati tõstetud; ja 0% töötsükkel tähendab, et signaal on alati madal.
PWM-sagedus: PWM-signaali sagedus määrab iga tsükli kestuse. Kõrgemad sagedused toovad kaasa lühemad tsüklid, ja PWM-signaal muutub kiiremini.
2. Pinge ja töötsükli suhe PWM-is
Keskmine pinge: PWM-is on keskmine väljundpinge proportsionaalne töötsüklile. Kui PWM-signaali maksimaalne pinge on Vmax, siis keskmist väljundpinget
Vavg=D×Vmax
Kus:
Vavg on keskmine väljundpinge.
D on töötsükkel (0 ≤ D ≤ 1).
Vmax on PWM-signaali maksimaalne pinge (tavaliselt tarbimispinge).
Töötsüklil on keskmise pingele järgnev mõju:
Kui töötsükkel on 0%, on PWM-signaal alati madal, ja keskmine väljundpinge on 0.
Kui töötsükkel on 100%, on PWM-signaal alati tõstetud, ja keskmine väljundpinge võrdub maksimaalse pingega Vmax.
Kui töötsükkel on 0% ja 100% vahel, on keskmine väljundpinge maksimaalse pingest proportsionaalne. Näiteks 50% töötsükkel annab keskmise väljundpinge, mis on pool maksimaalset pinget.
3. PWM-i rakenduse näited
a. Mootori juhtimine
Mootori juhtimises kasutatakse PWM-i mootori kiiruse või torquen reguleerimiseks. Muutes PWM-signaali töötsüklit, saab kontrollida mootorile rakendatavat keskmist pinget, mille tulemusena saab reguleerida mootori väljundenergia. Näiteks töötsükli vähendamine vähendab keskmist pinget, aeglustades mootorit, samas kui töötsükli suurendamine suurendab keskmist pinget, kiirendades mootorit.
b. LED-dimmine
LED-dimmine rakendustes kasutatakse PWM-i LED-heleduse reguleerimiseks. Muutes PWM-signaali töötsüklit, saab kontrollida LED-de kaudset keskmist voolu, mille tulemusena saab reguleerida heledust. Näiteks 50% töötsükkel annab LED-le pool maksimaalset heledust, samas kui 100% töötsükkel muudab LED täielikult heledaks.
c. DC-DC-müntajaad
DC-DC-müntajaadides (nagu buck- või boost-müntajaadid) kasutatakse PWM-i väljundpinge reguleerimiseks. Muutes PWM-signaali töötsüklit, saab kontrollida lülituse seadme sisse- ja väljalülitusaega, mis omakorda reguleerib väljundpinget. Näiteks buck-müntajaadis suurendab töötsükli suurendamine väljundpinget, samas kui töötsükli vähendamine vähendab seda.
4. PWM-i eelised
Kõrge efektiivsus: PWM kontrollib pinget lülituste abil, mitte lineaarse reguleerimise (nt vastuste abil), mis viib väiksemate energiakaotusteni ja kõrgemale efektiivsusele.
Täpne kontroll: Töötsüklit täpselt reguleerides lubab PWM väljundpinge või voolu täpset kontrolli.
Liikuvus: PWM sobib paljudesse rakendustesse, nagu mootori juhtimine, LED-dimmine ja energia haldus.
5. PWM-i piirangud
Elektromagnetiline segadus (EMI): Kuna PWM-signaalid on kõrge sagedusega lülitussignaalid, võivad need tekitada elektromagnetilist segadust, eriti kõrgetes sagedustes. PWM-süsteemi disainis tuleks kasutada sobivaid filtrite ja ekraanide tehnikaid.
Mür: Mõnes rakenduses võivad PWM-signaalid tekitada kuuldava mürä, eriti helitehnika või mootorijuhtimises. Selle probleemi saab lahendada sobiva PWM-sageduse valimisel.
