Hvordan er spenning og tidsbruk relatert i pulsmiddelmodulering (PWM)?

Forholdet mellom spenning og tidsbrøk i pulsmiddelmodulasjon (PWM)

Pulsmiddelmodulasjon (PWM) er en teknikk som regulerer den gjennomsnittlige utgangsspenningen ved å kontrollere tidsbrøken til et skifte signal. PWM brukes vidt i applikasjoner som motorstyring, strømforvaltning og LED-dimming. Å forstå forholdet mellom spenning og tidsbrøk i PWM er viktig for riktig bruk og design av PWM-systemer.

1. Grunnleggende prinsipp for PWM

• PWM-signal: Et PWM-signal er en periodisk kvadratbølge med fast frekvens, men variabel proporsjon av høy (på) og lav (av) nivåer i hver periode. Denne proporsjonen kalles tidsbrøk.

• Tidsbrøk: Tidsbrøken er forholdet mellom tiden signalene er høye (på) og den totale perioden i PWM-syklusen. Den uttrykkes vanligvis som en prosentandel eller en brøk mellom 0 og 1. For eksempel betyr en 50% tidsbrøk at signalet er høyt halvparten av syklusen og lavt den andre halvparten; en 100% tidsbrøk betyr at signalet alltid er høyt; og en 0% tidsbrøk betyr at signalet alltid er lavt.

• PWM-frekvens: Frekvensen til PWM-signalet bestemmer varigheten av hver periode. Høyere frekvenser resulterer i kortere perioder, og PWM-signalet endrer seg raskere.

2. Forholdet mellom spenning og tidsbrøk i PWM

• Gjennomsnittlig spenning: I PWM er den gjennomsnittlige utgangsspenningen proporsjonal med tidsbrøken. Hvis toppspenningen til PWM-signalet er   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, kan den gjennomsnittlige utgangsspenningen   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; beregnes\; ved\; hjelp\; av\; følgende\; formel:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Der:

• Vavg er den gjennomsnittlige utgangsspenningen.

• D er tidsbrøken (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax er toppspenningen til PWM-signalet (vanligvis strømforsyningens spenning).

• Effekt av tidsbrøk på gjennomsnittlig spenning:

• Når tidsbrøken er 0%, er PWM-signalet alltid lavt, og den gjennomsnittlige utgangsspenningen er 0.

• Når tidsbrøken er 100%, er PWM-signalet alltid høyt, og den gjennomsnittlige utgangsspenningen er lik toppspenningen Vmax.

• Når tidsbrøken er mellom 0% og 100%, er den gjennomsnittlige utgangsspenningen en proporsjon av toppspenningen. For eksempel resulterer en 50% tidsbrøk i en gjennomsnittlig utgangsspenning som er halvparten av toppspenningen.

3. Eksempler på anvendelse av PWM

a. Motorstyring

• I motorstyring brukes PWM til å regulere motorens hastighet eller dreieeffekt. Ved å endre tidsbrøken til PWM-signalet, kan den gjennomsnittlige spenningen som er sendt til motoren, kontrolleres, og dermed justeres motorens effekt. For eksempel reduserer en lavere tidsbrøk den gjennomsnittlige spenningen, og motoren blir saktere, mens en høyere tidsbrøk øker den gjennomsnittlige spenningen, og motoren blir raskere.

b. LED-dimming

• I LED-dimming-applikasjoner brukes PWM til å justere lysstyrken til en LED. Ved å endre tidsbrøken til PWM-signalet, kan den gjennomsnittlige strømmen gjennom LED-en kontrolleres, og dermed justeres dens lysstyrke. For eksempel resulterer en 50% tidsbrøk i en lysstyrke som er halvparten av maksimum, mens en 100% tidsbrøk gjør LED-en fullt lys.

c. DC-DC-konvertere

• I DC-DC-konvertere (som buck-konvertere eller boost-konvertere) brukes PWM til å regulere utgangsspenningen. Ved å justere tidsbrøken til PWM-signalet, kan på-tiden og av-tiden for skiftedelen kontrolleres, og dermed justeres utgangsspenningen. For eksempel i en buck-konverter, øker en høyere tidsbrøk utgangsspenningen, mens en lavere tidsbrøk senker den.

4. Fordeler med PWM

• Høy effektivitet: PWM kontrollerer spenning gjennom skifteoperasjoner snarere enn lineær regulering (f.eks. ved bruk av resistive spenningdelere), noe som resulterer i lavere energitap og høyere effektivitet.

• Nøyaktig styring: Ved å nøyaktig justere tidsbrøken, lar PWM det være mulig med presis styring over utgangsspenningen eller -strømmen.

• Fleksibilitet: PWM kan lett tilpasses ulike applikasjoner, som motorstyring, LED-dimming og strømforvaltning.

5. Begrensninger ved PWM

• Elektromagnetisk støy (EMI): Siden PWM-signaler er høyfrekvente skifte-signaler, kan de generere elektromagnetisk støy, spesielt ved høyere frekvenser. Riktige filtrerings- og skjermingsteknikker bør benyttes i PWM-systemdesign.

• Støy: I noen applikasjoner kan PWM-signaler introdusere hørbart støy, spesielt i lydutstyr eller motorstyringer. Dette problemet kan mildres ved å velge en passende PWM-frekvens.

Oppsummering

I pulsmiddelmodulasjon (PWM) er den gjennomsnittlige utgangsspenningen direkte proporsjonal med tidsbrøken. Tidsbrøken bestemmer andelen tid signalet er høyt i en PWM-syklus, noe som igjen påvirker den gjennomsnittlige utgangsspenningen. Ved å justere tidsbrøken, kan utgangsspenningen eller -strømmen fleksibelt reguleres uten å endre strømforsyningens spenning. PWM-teknologi brukes vidt i motorstyring, LED-dimming, strømforvaltning og andre applikasjoner, og gir høy effektivitet og nøyaktig styring.