Miten jännite ja tehoajanjakauma liittyvät pulssien levyuuden modulaatioon (PWM)?

Jännite ja tehojakso pulssileveyden modulaatiossa (PWM)

Pulssileveyden modulaatio (PWM) on teknikka, joka säätelee keskimääräistä ulostulojännitettä ohjaamalla vaihtosignaalin tehokasta. PWM:tä käytetään laajasti sovelluksissa, kuten moottorin säädössä, energiavalvonnan hallinnassa ja LED:n hämäröintiin. Jännitteen ja tehokaan välisen suhteen ymmärtäminen PWM:ssä on olennaista oikeanlaiselle PWM-järjestelmien käytölle ja suunnittelulle.

1. PWM:n perusperiaate

• PWM-signaali: PWM-signaali on ajoittainen neliöaalto, jolla on vakiofrekvenssi mutta muuttuva osuus korkeasta (päällä) ja matalasta (pois päältä) tasosta jokaisessa syklyssä. Tätä osuutta kutsutaan tehokaksi.

• Tehojakso: Tehojakso on signaalin olevan korkeana (päällä) olevan ajan suhde PWM-syklin kokonaista kestoa. Se ilmaistaan yleensä prosenttiosuutena tai fraktiona välillä 0 ja 1. Esimerkiksi 50 % tehokas tarkoittaa, että signaali on korkea puolet syklissä ja matala toinen puoli; 100 % tehokas tarkoittaa, että signaali on aina korkea; ja 0 % tehokas tarkoittaa, että signaali on aina matala.

• PWM:n frekvenssi: PWM-signaalin frekvenssi määrää jokaisen syklin keston. Korkeammat frekvenssit johtavat lyhyempiin sykleihin, ja PWM-signaali muuttuu nopeammin.

2. Jännitteen ja tehokaan välinen suhde PWM:ssä

• Keskimääräinen jännite: PWM:ssä keskimääräinen ulostulojännite on verrannollinen tehokkaaseen. Jos PWM-signaalin huippujännite on   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, keskimääräinen ulostulojännite   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; voidaan\; laskea\; seuraavan\; kaavan\; avulla:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Missä:

• Vavg on keskimääräinen ulostulojännite.

• D on tehokas (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax on PWM-signaalin huippujännite (yleensä tarvijajännite).

• Tehokaan vaikutus keskimääräiseen jännitteeseen:

• Kun tehokas on 0 %, PWM-signaali on aina matala, ja keskimääräinen ulostulojännite on 0.

• Kun tehokas on 100 %, PWM-signaali on aina korkea, ja keskimääräinen ulostulojännite on sama kuin huippujännite Vmax.

• Kun tehokas on välillä 0 % ja 100 %, keskimääräinen ulostulojännite on huippujännitteen osuus. Esimerkiksi 50 % tehokas tarkoittaa, että keskimääräinen ulostulojännite on puolet huippujännitteestä.

3. PWM:n sovellusexempelit

a. Moottorisäädön

• Moottorisäädössä PWM:a käytetään moottorin nopeuden tai vääntömomentin säättämiseen. Tehokkaan muuttamalla PWM-signaalin keskimääräistä jännitettä, jota moottori saa, voidaan säätää moottorin tuotetta. Esimerkiksi tehokaan pienentäminen vähentää keskimääräistä jännitettä, hidastaa moottoria, kun taas tehokaan kasvattaminen lisää keskimääräistä jännitettä, nopeuttaen moottoria.

b. LED:n hämäröinti

• LED:n hämäröintisovelluksissa PWM:a käytetään LED:n kirkkauden säätämiseen. Tehokkaan muuttamalla PWM-signaalin keskimääräistä virtaa LED:n läpi voidaan säätää sen kirkkautta. Esimerkiksi 50 % tehokas tarkoittaa, että LED:n kirkkaus on puolet maksimista, kun taas 100 % tehokas tekee LED:n täysin kirkkaaksi.

c. DC-DC-muuntimet

• DC-DC-muuntimissa (kuten putki- tai nostomuuntimissa) PWM:tä käytetään ulostulojännitteen säätämiseen. Tehokaan muuttamalla PWM-signaalin päällä- ja pois päältä -aikoja voidaan säätää ulostulojännitettä. Esimerkiksi putkimuuntimessa tehokaan kasvattaminen nostaa ulostulojännitettä, kun taas tehokaan pienentäminen alentaa sitä.

4. PWM:n edut

• Korkea tehokkuus: PWM säätelee jännitettä kytkentäoperaatioiden kautta eikä lineaarisella säädöllä (esim. vastustusjakoilla), mikä johtaa pienempiin energiahäviöihin ja korkeampaan tehokkuuteen.

• Tarkka sääntö: Tehokkaan tarkkaa säätämällä PWM mahdollistaa tarkan säännön ulostulojännitteen tai -virtan suhteen.

• Joustavuus: PWM soveltuu helposti erilaisiin sovelluksiin, kuten moottorisäädöseen, LED:n hämäröintiin ja energiavalvonnan hallintaan.

5. PWM:n rajoitukset

• Sähkömagneettinen häiriö (EMI): Koska PWM-signaalit ovat korkeataajuisia kytkentäsignaaleja, ne voivat aiheuttaa sähkömagneettista häiriötä, erityisesti korkeammilla taajuuksilla. Oikeiden suodatuksen ja suojaamisen menetelmien tulisi olla osa PWM-järjestelmän suunnittelua.

• Melu: Joissakin sovelluksissa PWM-signaalit voivat aiheuttaa kuuluvaa melua, erityisesti ääniasetuimissa tai moottorivoimailussa. Tämä ongelma voidaan lievittää sopivan PWM-taajuuden valinnalla.

Yhteenveto

Pulssileveyden modulaatiossa (PWM) keskimääräinen ulostulojännite on suoraan verrannollinen tehokkaaseen. Tehokas määrää, mitä osuutta signaali on korkeana PWM-syklissä, mikä vaikuttaa keskimääräiseen ulostulojännitteeseen. Tehokkaan säätämällä ulostulojännitettä tai -virtaa voidaan joustavasti säätää ilman tarvetta muuttaa tarvijajännitettä. PWM-teknologiaa käytetään laajasti moottorisäädössä, LED:n hämäröintiin, energiavalvonnan hallintaan ja muihin sovelluksiin, tarjoten korkeaa tehokkuutta ja tarkkaa sääntöä.