Hogyan kapcsolódik az egyenáramfeszültség és a működési időszak a pulszus-szélesség-moduláció (PWM) esetén?

Feszültség és működési időarány közötti kapcsolat a Pulzus Szélesség Modulációban (PWM)

A Pulzus Szélesség Moduláció (PWM) egy olyan technika, amely a kimeneti feszültség átlagos értékét szabályozza egy kapcsoló jel működési időaránya vezérlésével. A PWM széles körben használatos alkalmazásokban, mint például a motorvezérlés, az energiakezelés és az LED dimming. A feszültség és a működési időarány közötti kapcsolat megértése alapvetően fontos a PWM rendszerek helyes használatához és tervezéséhez.

1. A PWM alapelve

• PWM jel: A PWM jel egy periodikus négyzetjel, amelynek rögzített frekvenciája van, de változó arányú magas (bekapcsolt) és alacsony (kikapcsolt) szintjei vannak minden cikluson belül. Ez az arány a működési időarány.

• Működési időarány: A működési időarány a jel bekapcsolt állapotának ideje és a PWM ciklus teljes periódusának aránya. Általában százalékként vagy 0 és 1 közötti törtként fejezzük ki. Például, 50%-os működési időarány azt jelenti, hogy a jel felére bekapcsolt, és felére kikapcsolt; 100%-os működési időarány azt jelenti, hogy a jel mindig bekapcsolt; 0%-os működési időarány pedig azt, hogy a jel mindig kikapcsolt.

• PWM frekvencia: A PWM jel frekvenciája meghatározza minden ciklus időtartamát. Magasabb frekvenciák rövidebb ciklusokat eredményeznek, és a PWM jel gyorsabban változik.

2. Feszültség és működési időarány közötti kapcsolat a PWM-ben

• Átlagos feszültség: A PWM-ben az átlagos kimeneti feszültség arányos a működési időarányval. Ha a PWM jel csúcspontfeszültsége Vmax, akkor az átlagos kimeneti feszültség Vavg a következő képlet segítségével számítható:   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vavg a következő képlet segítségével számítható:   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; a\; következő\; képlet\; segítségével\; számítható:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Ahol:

• Vavg az átlagos kimeneti feszültség.

• D a működési időarány (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax a PWM jel csúcspontfeszültsége (általában a tápegység feszültsége).

• A működési időarány hatása az átlagos feszültségre:

• Ha a működési időarány 0%, a PWM jel mindig kikapcsolt, és az átlagos kimeneti feszültség 0.

• Ha a működési időarány 100%, a PWM jel mindig bekapcsolt, és az átlagos kimeneti feszültség egyenlő a csúcspontfeszültséggel Vmax.

• Ha a működési időarány 0% és 100% között van, az átlagos kimeneti feszültség a csúcspontfeszültség egy része. Például, 50%-os működési időarány esetén az átlagos kimeneti feszültség a csúcspontfeszültség felére lesz.

3. PWM alkalmazási példái

a. Motorvezérlés

• A motorvezérlésben a PWM-t használják a motor sebességének vagy nyomatékának szabályozására. A PWM jel működési időarányának változtatásával szabályozható a motornak átadott átlagos feszültség, így beállítható a motor kimeneti ereje. Például, ha a működési időarány csökken, az átlagos feszültség is csökken, lassítva a motort, míg a működési időarány növekedése növeli az átlagos feszültséget, gyorsítva a motort.

b. LED dimming

• Az LED dimming alkalmazásokban a PWM-t használják az LED fényerőjének szabályozására. A PWM jel működési időarányának változtatásával szabályozható az LED átlagos áramát, így beállítható fényereje. Például, 50%-os működési időarány esetén az LED fényereje a maximális érték felére lesz, míg 100%-os működési időarány mellett az LED teljes fényerejű lesz.

c. DC-DC konvertálók

• A DC-DC konvertálókban (mint például a buck konvertálók vagy a boost konvertálók) a PWM-t használják a kimeneti feszültség szabályozására. A PWM jel működési időarányának változtatásával szabályozható a kapcsoló eszköz bekapcsolt és kikapcsolt állapotának ideje, ami a kimeneti feszültség módosítását eredményezi. Például, egy buck konvertálóban a működési időarány növelése növeli a kimeneti feszültséget, míg a csökkentése csökkenti a kimeneti feszültséget.

4. A PWM előnyei

• Magas hatékonyság: A PWM a feszültség szabályozását kapcsoló műveletekkel végezheti, nem lineáris szabályozással (pl. ellenállásos feszültségosztóval), ami kevesebb energiaveszteséget és magasabb hatékonyságot eredményez.

• Pontos irányítás: A működési időarány pontos beállításával a PWM lehetővé teszi a kimeneti feszültség vagy áram finom szabályozását.

• Rugalmas: A PWM könnyen alkalmazható különböző alkalmazásokban, mint például a motorvezérlés, az LED dimming és az energiakezelés.

5. A PWM korlátai

• Elektromágneses zavar (EMI): Mivel a PWM jelek magasfrekvenciás kapcsoló jelek, elektromágneses zavart okozhatnak, különösen magas frekvencián. A PWM rendszerek tervezésénél alkalmazni kell megfelelő szűrőt és elszigetelést.

• Tipp