איך מתח ומחזור עבודה קשורים במודולציה של רוחב פולס (PWM)?

הקשר בין מתח לדיאגרמה מחזור עבודה במודולציה רוחב פולס (PWM)

מודולציה רוחב פולס (PWM) היא טכניקה שמשתמשת בדיאגרמה מחזור העבודה של אות סוויצ'ינג כדי לרגל את המתח הממוצע החוצא. PWM נמצאת בשימוש רחב ביישומים כגון בקרה ממוטור, ניהול אנרגיה והפחתת בהירות LED. הבנה של הקשר בין מתח לדיאגרמה מחזור עבודה ב-PWM היא קריטית לשימוש הנכון ועיצוב מערכות PWM.

1. עקרון בסיסי של PWM

• אות PWM: אות PWM הוא גל מרובע תקופתי עם תדר קבוע אך יחס משתנה של מצב גבוה (on) ומצב נמוך (off) בתוך כל מחזור. היחס הזה נקרא דיאגרמה מחזור עבודה.

• דיאגרמה מחזור עבודה: דיאגרמה מחזור העבודה היא היחס בין הזמן שבו האות גבוה (on) לתשובה הטווח של מחזור PWM. היא בדרך כלל מבוטאת כאחוז או כשבר בין 0 ו-1. למשל, דיאגרמה מחזור עבודה של 50% אומרת שהאות גבוה לחצי מהמחזור ונמוך לחצי השני; דיאגרמה מחזור עבודה של 100% אומרת שהאות תמיד גבוה; ודיאגרמה מחזור עבודה של 0% אומרת שהאות תמיד נמוך.

• תדר PWM: תדר האות PWM קובע את משך כל מחזור. תדרים גבוהים יותר מביאים למחזורים קצרים יותר, והאות PWM משתנה במהירות רבה יותר.

2. הקשר בין מתח לדיאגרמה מחזור עבודה ב-PWM

• מתח ממוצע: ב-PWM, המתח הממוצע החוצה פרופורציונלי לדיאגרמה מחזור העבודה. אם המתח השיא של אות PWM הוא   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, המתח הממוצע החוצה   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; יכול\; להיקבע\; באמצעות\; הנוסחה\; הבאה:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

כאשר:

• Vavg הוא המתח הממוצע החוצה.

• D היא דיאגרמה מחזור העבודה (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax הוא המתח השיא של אות PWM (בדרך כלל מתח התזונה).

• השפעת דיאגרמה מחזור העבודה על המתח הממוצע:

• כאשר דיאגרמה מחזור העבודה היא 0%, אות PWM תמיד נמוך, והמתח הממוצע החוצה הוא 0.

• כאשר דיאגרמה מחזור העבודה היא 100%, אות PWM תמיד גבוה, והמתח הממוצע החוצה שווה למתח השיא Vmax.

• כאשר דיאגרמה מחזור העבודה היא בין 0% לבין 100%, המתח הממוצע החוצה הוא חלק מהמתח השיא. למשל, דיאגרמה מחזור עבודה של 50% מביאה למתח ממוצע החוצה שהוא חצי מהמתח השיא.

3. דוגמאות ליישום של PWM

a. בקרה ממוטור

• בבקרה ממוטור, PWM משמשת לרגולציה של מהירות או מומנט המוטור. על ידי שינוי דיאגרמה מחזור העבודה של אות PWM, ניתן לשלוט במתח הממוצע החוצה המושקע במוטור, ובכך להתאים את עוצמת החשמל החוצה של המוטור. למשל, הפחתת דיאגרמה מחזור העבודה מפחיתה את המתח הממוצע החוצה ומאטת את המוטור, בעוד שמגדילים את דיאגרמה מחזור העבודה מגבירים את המתח הממוצע החוצה וממהרים את המוטור.

b. הפחתת בהירות LED

• ביישומי הפחתת בהירות LED, PWM משמשת להתאמה של בהירות LED. על ידי שינוי דיאגרמה מחזור העבודה של אות PWM, ניתן לשלוט בחשמל הממוצע דרך LED, ובכך להתאים את בהירותו. למשל, דיאגרמה מחזור עבודה של 50% מביאה לבהירות LED שהיא חצי מהמקסימלית, בעוד שמגיעים לדיאגרמה מחזור עבודה של 100% ה-LED יהיה בהיר באופן מלא.

c. ממיר DC-DC

• בממיר DC-DC (כמו ממיר Buck או Boost), PWM משמשת לרגולציה של מתח החוצה. על ידי שינוי דיאגרמה מחזור העבודה של אות PWM, ניתן לשלוט בזמן ההדלקה והכיבוי של מכשיר הסוויצ'ינג, מה שמגביר או מפחית את מתח החוצה. למשל, בממיר Buck, הגברת דיאגרמה מחזור העבודה מגבירה את מתח החוצה, בעוד שמפחיתים אותה מורידים את מתח החוצה.

4. יתרונות של PWM

• יעילות גבוהה: PWM משליטה במתח באמצעות פעולות סוויצ'ינג במקום רגולציה ליניארית (למשל, באמצעות מחלקים חשמליים), מה שמוביל לאיבוד אנרגיה נמוך יותר ויעילות גבוהה יותר.

• בקרה מדויקת: על ידי התאמת מדוייקת של דיאגרמה מחזור העבודה, PWM מאפשרת שליטה עדינה מעל מתח החוצה או חשמל החוצה.

• מגניבות: PWM יכולה להתאים בקלות ליישומים שונים, כגון בקרה ממוטור, הפחתת בהירות LED וניהול אנרגיה.

5. ограничения PWM

• הפרעה אלקטרומגנטית (EMI): מאחר ואותות PWM הם אותות סוויצ'ינג בתדר גבוה, הם יכולים ליצור הפרעה אלקטרומגנטית, במיוחד בתדרים גבוהים. טכניקות מסנן וטיפוח מתאימות צריכות להיות בשימוש בעיצוב מערכות PWM.

• רעש: ביישומים מסוימים, אותות PWM עשויים להוסיף רעש שמיש, במיוחד בציוד אודיו או במכונות מנוע. בעיה זו יכולה להינעלם על ידי בחירת תדר PWM מתאים.

סיכום

במודולציה רוחב פולס (PWM), המתח הממוצע החוצה הוא פרופורציונלי לדיאגרמה מחזור העבודה. דיאגרמה מחזור העבודה קובעת את החלק של הזמן שבו האות גבוה במהלך מחזור PWM, מה שמכתיב את המתח הממוצע החוצה. על ידי התאמת דיאגרמה מחזור העבודה, ניתן לרגל בצורה גמישה את מתח החוצה או חשמל החוצה מבלי לשנות את מתח התזונה. טכנולוגיית PWM נמצאת בשימוש רחב בבקרה ממוטור, הפחתת בהירות LED, ניהול אנרגיה ויישומים אחרים, ומציעה יעילות גבוהה ובקרה מדויקת.