Kako su napon i faktor održanja povezani u širinskoj modulaciji pulsа (PWM)?

Odnos između napona i faktora otopanja u širinsko-moduliranom signalu (PWM)

Širinska modulacija (PWM) je tehnika koja regulira srednji izlazni napon kroz kontrolu faktora otopanja prekidnog signala. PWM se široko koristi u aplikacijama poput kontrole motora, upravljanja energijom i tamnjenja LED dioda. Razumijevanje odnosa između napona i faktora otopanja u PWM-u je ključno za ispravnu upotrebu i dizajn PWM sistema.

1. Osnovni principi PWM-a

• PWM Signal: PWM signal je periodični kvadratni val s fiksnom frekvencijom, ali varijabilnim omjerom visokih (uključenih) i niskih (isključenih) razina unutar svakog ciklusa. Taj omjer se naziva faktor otopanja.

• Faktor otopanja: Faktor otopanja predstavlja omjer vremena tijekom kojeg je signal visok (uključen) u odnosu na ukupan period PWM ciklusa. Obično se izražava kao postotak ili kao razlomak između 0 i 1. Na primjer, faktor otopanja od 50% znači da je signal visok pola ciklusa, a nizak drugo polovicu; faktor otopanja od 100% znači da je signal uvijek visok; a faktor otopanja od 0% znači da je signal uvijek nizak.

• Frekvencija PWM-a: Frekvencija PWM signala određuje trajanje svakog ciklusa. Više frekvencije rezultira kraćim ciklusima, a PWM signal se brže mijenja.

2. Odnos između napona i faktora otopanja u PWM-u

• Srednji napon: U PWM-u, srednji izlazni napon je proporcionalan faktoru otopanja. Ako je vrhunski napon PWM signala Vmax, srednji izlazni napon Vavg može se izračunati pomoću sljedeće formule:   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vavg može se izračunati pomoću sljedeće formule:   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; može\; se\; izračunati\; pomoću\; sljedeće\; formule:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Gdje:

• Vavg je srednji izlazni napon.

• D je faktor otopanja (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax je vrhunski napon PWM signala (obično naponski izvor).

• Učinak faktora otopanja na srednji napon:

• Kada je faktor otopanja 0%, PWM signal je uvijek nizak, a srednji izlazni napon je 0.

• Kada je faktor otopanja 100%, PWM signal je uvijek visok, a srednji izlazni napon jednak je vrhunskom naponu Vmax.

• Kada je faktor otopanja između 0% i 100%, srednji izlazni napon je proporcija vrhunskog napona. Na primjer, faktor otopanja od 50% rezultira srednjim izlaznim naponom koji je polovica vrhunskog napona.

3. Primjeri primjene PWM-a

a. Kontrola motora

• U kontroli motora, PWM se koristi za regulaciju brzine ili momента motora. Promjenom faktora otopanja PWM signala, može se kontrolirati srednji napon koji se primjenjuje na motor, time se prilagođava izlazna snaga motora. Na primjer, smanjenjem faktora otopanja smanjuje se srednji napon, usporavajući motor, dok povećanjem faktora otopanja povećava se srednji napon, ubrzavajući motor.

b. Tamnjenje LED dioda

• U aplikacijama za tamnjenje LED dioda, PWM se koristi za prilagodbu svjetline LED diode. Promjenom faktora otopanja PWM signala, može se kontrolirati srednji struja kroz LED diodu, pritom se prilagođava njegova svjetlost. Na primjer, faktor otopanja od 50% rezultira svjetlinošću LED diode koja je polovica maksimalne, dok faktor otopanja od 100% čini LED diodu potpuno svjetlu.

c. DC-DC pretvarači

• U DC-DC pretvaračima (poput buck ili boost pretvarača), PWM se koristi za regulaciju izlaznog napona. Promjenom faktora otopanja PWM signala, može se kontrolirati vrijeme uključivanja i isključivanja prekidnog uređaja, što na svoj red prilagođava izlazni napon. Na primjer, u buck pretvaraču, povećanjem faktora otopanja povišava se izlazni napon, dok smanjenjem faktora otopanja snižava se.

4. Prednosti PWM-a

• Visoka učinkovitost: PWM kontrolira napon kroz operacije prekidnog upravljanja umjesto linearnog reguliranja (npr. korištenjem rezistivnih delilaca napona), što rezultira nižim gubitcima energije i višom učinkovitosti.

• Precizna kontrola: Preciznom prilagodbom faktora otopanja, PWM omogućuje fino upravljanje izlaznim naponom ili strujom.

• Flexibilnost: PWM lako se prilagođava različitim aplikacijama, poput kontrole motora, tamnjenja LED dioda i upravljanja energijom.

5. Ograničenja PWM-a

• Elektromagnetska interferencija (EMI): Budući da su PWM signali visokofrekventni signali prekidnog upravljanja, mogu generirati elektromagnetsku interferenciju, posebno na višim frekvencijama. U dizajnu PWM sistema trebaju se koristiti prave tehnike filtriranja i ekraniranja.

• Bučnost: U nekim aplikacijama, PWM signali mogu uzrokovati auditivnu bučnost, posebno u audio opremi ili pogonima motora. Taj problem se može smanjiti odabirom odgovarajuće frekvencije PWM-a.

Sažetak

U širinsko-moduliranom signalu (PWM), srednji izlazni napon je direktno proporcionalan faktoru otopanja. Faktor otopanja određuje omjer vremena tijekom kojeg je signal visok unutar PWM ciklusa, što utječe na srednji izlazni napon. Prilagođavanjem faktora otopanja, izlazni napon ili struja se može fleksibilno regulirati bez promjene naponskog izvora. Tehnologija PWM-a široko se koristi u kontroli motora, tamnjenju LED dioda, upravljanju energijom i drugim aplikacijama, nudeći visoku učinkovitost i preciznu kontrolu.