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 Vmax, keskimääräinen ulostulojännite
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.
