Как связаны напряжение и коэффициент заполнения в широтно-импульсной модуляции (ШИМ)?

Связь между напряжением и коэффициентом заполнения в широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это метод, который регулирует среднее выходное напряжение путем управления коэффициентом заполнения переключающего сигнала. ШИМ широко используется в таких приложениях, как управление двигателями, управление питанием и регулировка яркости светодиодов. Понимание связи между напряжением и коэффициентом заполнения в ШИМ является ключевым для правильного использования и проектирования систем ШИМ.

1. Основные принципы ШИМ

• Сигнал ШИМ: Сигнал ШИМ представляет собой периодическую прямоугольную волну с фиксированной частотой, но переменным соотношением высокого (включен) и низкого (выключен) уровней в каждом цикле. Это соотношение называется коэффициентом заполнения.

• Коэффициент заполнения: Коэффициент заполнения — это отношение времени, в течение которого сигнал находится на высоком уровне (включен), к общему периоду цикла ШИМ. Обычно он выражается в процентах или в виде дроби от 0 до 1. Например, коэффициент заполнения 50% означает, что сигнал находится на высоком уровне половину цикла и на низком уровне другую половину; коэффициент заполнения 100% означает, что сигнал всегда находится на высоком уровне; а коэффициент заполнения 0% означает, что сигнал всегда находится на низком уровне.

• Частота ШИМ: Частота сигнала ШИМ определяет продолжительность каждого цикла. Более высокие частоты приводят к более коротким циклам, и сигнал ШИМ изменяется быстрее.

2. Связь между напряжением и коэффициентом заполнения в ШИМ

• Среднее напряжение: В ШИМ среднее выходное напряжение пропорционально коэффициенту заполнения. Если пиковое напряжение сигнала ШИМ равно   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, среднее выходное напряжение   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; можно\; рассчитать\; с\; помощью\; следующей\; формулы:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Где:

• Vavg — среднее выходное напряжение.

• D — коэффициент заполнения (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax — пиковое напряжение сигнала ШИМ (обычно напряжение питания).

• Влияние коэффициента заполнения на среднее напряжение:

• При коэффициенте заполнения 0% сигнал ШИМ всегда находится на низком уровне, и среднее выходное напряжение равно 0.

• При коэффициенте заполнения 100% сигнал ШИМ всегда находится на высоком уровне, и среднее выходное напряжение равно пиковому напряжению Vmax.

• При коэффициенте заполнения между 0% и 100% среднее выходное напряжение составляет долю пикового напряжения. Например, при коэффициенте заполнения 50% среднее выходное напряжение равно половине пикового напряжения.

3. Примеры применения ШИМ

a. Управление двигателями

• В управлении двигателями ШИМ используется для регулировки скорости или момента двигателя. Изменяя коэффициент заполнения сигнала ШИМ, можно контролировать среднее напряжение, подаваемое на двигатель, тем самым регулируя его выходную мощность. Например, уменьшение коэффициента заполнения снижает среднее напряжение, замедляя двигатель, тогда как увеличение коэффициента заполнения повышает среднее напряжение, ускоряя двигатель.

b. Регулировка яркости светодиодов

• В приложениях по регулировке яркости светодиодов ШИМ используется для изменения яркости светодиода. Изменяя коэффициент заполнения сигнала ШИМ, можно контролировать средний ток через светодиод, тем самым регулируя его яркость. Например, при коэффициенте заполнения 50% яркость светодиода будет равна половине его максимальной, а при коэффициенте заполнения 100% светодиод будет полностью ярким.

c. DC-DC преобразователи

• В DC-DC преобразователях (например, понижающих или повышающих преобразователях) ШИМ используется для регулировки выходного напряжения. Изменяя коэффициент заполнения сигнала ШИМ, можно контролировать время включения и выключения коммутирующего устройства, что, в свою очередь, регулирует выходное напряжение. Например, в понижающем преобразователе увеличение коэффициента заполнения повышает выходное напряжение, а уменьшение коэффициента заполнения снижает его.

4. Преимущества ШИМ

• Высокая эффективность: ШИМ управляет напряжением через переключательные операции, а не линейное регулирование (например, с использованием резистивных делителей напряжения), что приводит к меньшим потерям энергии и более высокой эффективности.

• Точное управление: Точное изменение коэффициента заполнения позволяет точно управлять выходным напряжением или током.

• Гибкость: ШИМ легко адаптируется к различным приложениям, таким как управление двигателями, регулировка яркости светодиодов и управление питанием.

5. Ограничения ШИМ

• Электромагнитные помехи (ЭМП): Поскольку сигналы ШИМ являются высокочастотными переключательными сигналами, они могут генерировать электромагнитные помехи, особенно на высоких частотах. В дизайне систем ШИМ следует использовать соответствующие методы фильтрации и экранирования.

• Шум: В некоторых приложениях сигналы ШИМ могут создавать слышимый шум, особенно в аудиооборудовании или в приводах двигателей. Эту проблему можно уменьшить, выбрав подходящую частоту ШИМ.

Заключение

В широтно-импульсной модуляции (ШИМ) среднее выходное напряжение прямо пропорционально коэффициенту заполнения. Коэффициент заполнения определяет долю времени, в течение которого сигнал находится на высоком уровне в цикле ШИМ, что, в свою очередь, влияет на среднее выходное напряжение. Изменяя коэффициент заполнения, можно гибко регулировать выходное напряжение или ток без изменения напряжения питания. Технология ШИМ широко используется в управлении двигателями, регулировке яркости светодиодов, управлении питанием и других приложениях, обеспечивая высокую эффективность и точное управление.