Jak napięcie i duty cycle są ze sobą powiązane w modulacji szerokości impulsu (PWM)?

Związek między napięciem a cyklem pracy w modulacji szerokości impulsu (PWM)

Modulacja szerokości impulsu (PWM) to technika, która reguluje średnią wartość wyjściowego napięcia poprzez kontrolowanie cyklu pracy sygnału przełączającego. PWM jest szeroko stosowana w zastosowaniach takich jak sterowanie silnikami, zarządzanie energią i łagodzenie światła LED. Zrozumienie związku między napięciem a cyklem pracy w PWM jest kluczowe dla prawidłowego używania i projektowania systemów PWM.

1. Podstawowy zasada działania PWM

• Sygnał PWM: Sygnał PWM to okresowy sygnał prostokątny o stałej częstotliwości, ale zmiennym proporcjami poziomów wysokiego (włączony) i niskiego (wyłączony) w każdym cyklu. Ta proporcja nazywana jest cyklem pracy.

• Cykl pracy: Cykl pracy to stosunek czasu, gdy sygnał jest wysoki (włączony), do całkowitego okresu cyklu PWM. Jest zwykle wyrażany w procentach lub jako ułamek między 0 a 1. Na przykład, 50% cyklu pracy oznacza, że sygnał jest wysoki przez połowę cyklu, a niski przez drugą połowę; 100% cyklu pracy oznacza, że sygnał jest zawsze wysoki; a 0% cyklu pracy oznacza, że sygnał jest zawsze niski.

• Częstotliwość PWM: Częstotliwość sygnału PWM określa czas trwania każdego cyklu. Wyższe częstotliwości powodują krótsze cykle, a sygnał PWM zmienia się szybciej.

2. Związek między napięciem a cyklem pracy w PWM

• Średnie napięcie: W PWM średnia wartość wyjściowego napięcia jest proporcjonalna do cyklu pracy. Jeśli maksymalne napięcie sygnału PWM wynosi   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, średnia wartość wyjściowego napięcia   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; może\; być\; obliczona\; za\; pomocą\; następującego\; wzoru:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Gdzie:

• Vavg to średnie wyjściowe napięcie.

• D to cykl pracy (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax to maksymalne napięcie sygnału PWM (zazwyczaj napięcie zasilania).

• Wpływ cyklu pracy na średnie napięcie:

• Gdy cykl pracy wynosi 0%, sygnał PWM jest zawsze niski, a średnie wyjściowe napięcie wynosi 0.

• Gdy cykl pracy wynosi 100%, sygnał PWM jest zawsze wysoki, a średnie wyjściowe napięcie równa się maksymalnemu napięciu Vmax.

• Gdy cykl pracy mieści się między 0% a 100%, średnie wyjściowe napięcie stanowi proporcję maksymalnego napięcia. Na przykład, 50% cyklu pracy daje średnią wartość wyjściowego napięcia, która stanowi połowę maksymalnego napięcia.

3. Przykłady zastosowań PWM

a. Sterowanie silnikami

• W sterowaniu silnikami, PWM jest używane do regulowania prędkości lub momentu obrotowego silnika. Poprzez zmianę cyklu pracy sygnału PWM, można kontrolować średnią wartość napięcia zastosowaną do silnika, co pozwala dostosować moc wyjściową silnika. Na przykład, zmniejszenie cyklu pracy obniża średnią wartość napięcia, spowalniając silnik, podczas gdy zwiększenie cyklu pracy zwiększa średnią wartość napięcia, przyspieszając silnik.

b. Łagodzenie światła LED

• W zastosowaniach do łagodzenia światła LED, PWM jest używane do regulowania jasności diody LED. Poprzez zmianę cyklu pracy sygnału PWM, można kontrolować średnią wartość prądu przechodzącego przez diodę, co pozwala dostosować jej jasność. Na przykład, 50% cyklu pracy daje jasność LED, która stanowi połowę maksymalnej, podczas gdy 100% cyklu pracy sprawia, że LED świeci pełną jasnością.

c. Konwertery DC-DC

• W konwerterach DC-DC (takich jak konwertery obniżające lub podnoszące), PWM jest używane do regulowania wyjściowego napięcia. Poprzez dostosowanie cyklu pracy sygnału PWM, można kontrolować czas włączenia i wyłączenia elementu przełączającego, co w rezultacie reguluje wyjściowe napięcie. Na przykład, w konwerterze obniżającym, zwiększenie cyklu pracy podnosi wyjściowe napięcie, podczas gdy jego zmniejszenie obniża je.

4. Zalety PWM

• Wysoka wydajność: PWM kontroluje napięcie poprzez operacje przełączania, a nie liniowe regulowanie (np. przy użyciu podziału napięcia oporami), co prowadzi do niższych strat energetycznych i wyższej wydajności.

• Precyzyjna kontrola: Poprzez precyzyjne dostosowywanie cyklu pracy, PWM pozwala na dokładne sterowanie wyjściowym napięciem lub prądem.

• Elastyczność: PWM łatwo adaptuje się do różnych zastosowań, takich jak sterowanie silnikami, łagodzenie światła LED i zarządzanie energią.

5. Ograniczenia PWM

• Elektromagnetyczne zakłócenia (EMI): Ponieważ sygnały PWM są wysokoczęstotliwościowymi sygnałami przełączającymi, mogą one generować elektromagnetyczne zakłócenia, szczególnie przy wyższych częstotliwościach. W projektowaniu systemów PWM należy stosować odpowiednie techniki filtrowania i ekranowania.

• Szum: W niektórych zastosowaniach, sygnały PWM mogą wprowadzać słyszalny szum, zwłaszcza w sprzęcie audio lub sterownikach silników. Ten problem można ograniczyć poprzez dobór odpowiedniej częstotliwości PWM.

Podsumowanie

W modulacji szerokości impulsu (PWM), średnia wartość wyjściowego napięcia jest bezpośrednio proporcjonalna do cyklu pracy. Cykl pracy określa proporcję czasu, gdy sygnał jest wysoki w cyklu PWM, co z kolei wpływa na średnią wartość wyjściowego napięcia. Poprzez dostosowanie cyklu pracy, można elastycznie regulować wyjściowe napięcie lub prąd bez zmieniania napięcia zasilania. Technologia PWM jest szeroko stosowana w sterowaniu silnikami, łagodzeniu światła LED, zarządzaniu energią i innych zastosowaniach, oferując wysoką wydajność i precyzyjne sterowanie.