Hoe zijn spanning en duty cycle met elkaar verbonden in pulsduurmodulatie (PWM)?

Relatie tussen spanning en duty cycle in Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse Width Modulation (PWM) is een techniek die de gemiddelde uitgangsspanning reguleert door de duty cycle van een schakelsignaal te beheren. PWM wordt breed toegepast in toepassingen zoals motoraandrijving, energiebeheer en LED-dimming. Het begrijpen van de relatie tussen spanning en duty cycle in PWM is cruciaal voor het correct gebruik en ontwerp van PWM-systemen.

1. Basisprincipe van PWM

• PWM-signalen: Een PWM-signaal is een periodische blokgolf met een vaste frequentie, maar een variabele verhouding van hoge (aan) en lage (uit) niveaus binnen elke cyclus. Deze verhouding wordt de duty cycle genoemd.

• Duty Cycle: De duty cycle is de verhouding van de tijd dat het signaal hoog (aan) is ten opzichte van de totale periode van de PWM-cyclus. Het wordt meestal uitgedrukt als een percentage of als een breuk tussen 0 en 1. Bijvoorbeeld, een 50% duty cycle betekent dat het signaal voor de helft van de cyclus hoog is en voor de andere helft laag; een 100% duty cycle betekent dat het signaal altijd hoog is; en een 0% duty cycle betekent dat het signaal altijd laag is.

• PWM-frequentie: De frequentie van het PWM-signaal bepaalt de duur van elke cyclus. Hogere frequenties resulteren in kortere cycli, en het PWM-signaal verandert sneller.

2. Relatie tussen spanning en duty cycle in PWM

• Gemiddelde spanning: In PWM is de gemiddelde uitgangsspanning evenredig aan de duty cycle. Als de piekspanning van het PWM-signaal   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax is, kan de gemiddelde uitgangsspanning   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; worden\; berekend\; met\; de\; volgende\; formule:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Waarbij:

• Vavg is de gemiddelde uitgangsspanning.

• D is de duty cycle (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax is de piekspanning van het PWM-signaal (meestal de voedingsspanning).

• Effect van de duty cycle op de gemiddelde spanning:

• Bij een duty cycle van 0% is het PWM-signaal altijd laag, en de gemiddelde uitgangsspanning is 0.

• Bij een duty cycle van 100% is het PWM-signaal altijd hoog, en de gemiddelde uitgangsspanning is gelijk aan de piekspanning Vmax.

• Bij een duty cycle tussen 0% en 100% is de gemiddelde uitgangsspanning een verhouding van de piekspanning. Bijvoorbeeld, bij een 50% duty cycle is de gemiddelde uitgangsspanning de helft van de piekspanning.

3. Toepassingsexamples van PWM

a. Motoraandrijving

• Bij motoraandrijving wordt PWM gebruikt om de snelheid of koppel van een motor te regelen. Door de duty cycle van het PWM-signaal te veranderen, kan de gemiddelde spanning die op de motor wordt aangebracht, worden geregeld, waardoor de uitvoerkracht van de motor wordt aangepast. Bijvoorbeeld, door de duty cycle te verlagen, wordt de gemiddelde spanning verlaagd, waardoor de motor langzamer draait, terwijl het verhogen van de duty cycle de gemiddelde spanning verhoogt, waardoor de motor sneller draait.

b. LED-dimming

• Bij LED-dimming-toepassingen wordt PWM gebruikt om de helderheid van een LED te regelen. Door de duty cycle van het PWM-signaal te veranderen, kan de gemiddelde stroom door de LED worden geregeld, waardoor de helderheid wordt aangepast. Bijvoorbeeld, bij een 50% duty cycle is de helderheid van de LED de helft van het maximum, terwijl een 100% duty cycle de LED volledig helder maakt.

c. DC-DC converters

• In DC-DC converters (zoals buck-converters of boost-converters) wordt PWM gebruikt om de uitgangsspanning te regelen. Door de duty cycle van het PWM-signaal te veranderen, kan de aan-tijd en uit-tijd van het schakelapparaat worden geregeld, wat op zijn beurt de uitgangsspanning aanpast. Bijvoorbeeld, in een buck-converter verhoogt het verhogen van de duty cycle de uitgangsspanning, terwijl het verlagen van de duty cycle de uitgangsspanning verlaagt.

4. Voordelen van PWM

• Hoog rendement: PWM regelt de spanning door schakeloperaties in plaats van lineaire regeling (bijvoorbeeld met behulp van weerstandsdelers), wat resulteert in lagere energieverliezen en hoger rendement.

• Precieze controle: Door de duty cycle precies te verstellen, staat PWM toe om fijn af te stemmen op de uitgangsspanning of -stroom.

• Flexibiliteit: PWM kan eenvoudig worden aangepast aan verschillende toepassingen, zoals motoraandrijving, LED-dimming en energiebeheer.

5. Beperkingen van PWM

• Elektromagnetische interferentie (EMI): Aangezien PWM-signalen hoogfrequente schakelsignalen zijn, kunnen ze elektromagnetische interferentie genereren, vooral bij hogere frequenties. In het ontwerp van PWM-systemen moeten adequate filter- en schildtechnieken worden toegepast.

• Geluid: In sommige toepassingen kunnen PWM-signalen hoorbaar geluid veroorzaken, vooral in audioapparatuur of motoraandrijvingen. Dit probleem kan worden verminderd door een geschikte PWM-frequentie te kiezen.

Samenvatting

Bij Pulse Width Modulation (PWM) is de gemiddelde uitgangsspanning direct evenredig met de duty cycle. De duty cycle bepaalt de verhouding van de tijd dat het signaal hoog is binnen een PWM-cyclus, wat op zijn beurt de gemiddelde uitgangsspanning beïnvloedt. Door de duty cycle te verstellen, kan de uitgangsspanning of -stroom flexibel worden geregeld zonder de voedingsspanning te veranderen. PWM-technologie wordt breed toegepast in motoraandrijving, LED-dimming, energiebeheer en andere toepassingen, en biedt een hoog rendement en precieze controle.