Kako sta napetost in dolžina impulza povezana pri širinsko moduliranem impulzu (PWM)?

Povezava med napetostjo in delovnim ciklom v širinsko-pulsni modulaciji (PWM)

Širinska-pulsna modulacija (PWM) je tehnika, s katero se ureja povprečna izhodna napetost z nadzorom delovnega cikla preklopnega signala. PWM se široko uporablja v aplikacijah, kot so nadzor motorjev, upravljanje energije in temnenje LED-jev. Razumevanje povezanosti med napetostjo in delovnim ciklom v PWM je ključno za pravilno uporabo in načrtovanje sistemov PWM.

1. Osnovni principi PWM

• PWM Signal: PWM signal je periodičen kvadratni val s fiksno frekvenco, vendar spremenljivim deležem visokih (vklopljenih) in nizkih (izklopljenih) ravni v vsakem ciklu. Ta delež se imenuje delovni cikel.

• Delovni cikel: Delovni cikel je razmerje med časom, ko je signal visok (vklopljen), in skupnim obdobjem PWM cikla. Običajno se izraža kot odstotek ali kot ulomek med 0 in 1. Na primer, 50% delovni cikel pomeni, da je signal visok za pol cikla in nizok za drugo polovico; 100% delovni cikel pomeni, da je signal vedno visok; 0% delovni cikel pa pomeni, da je signal vedno nizok.

• Frekvenca PWM: Frekvenca PWM signala določa trajanje vsakega cikla. Višje frekvence prinašajo krajše cikle, pri katerih se PWM signal hitreje spreminja.

2. Povezava med napetostjo in delovnim ciklom v PWM

• Povprečna napetost: V PWM je povprečna izhodna napetost sorazmerna s delovnim ciklom. Če je najvišja napetost PWM signala Vmax, se povprečna izhodna napetost Vavg lahko izračuna z naslednjo enačbo:   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vavg se lahko izračuna z naslednjo enačbo:   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; se\; lahko\; izračuna\; z\; naslednjo\; enačbo:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Kjer:

• Vavg je povprečna izhodna napetost.

• D je delovni cikel (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax je najvišja napetost PWM signala (običajno je to napajalna napetost).

• Učinek delovnega cikla na povprečno napetost:

• Ko je delovni cikel 0%, je PWM signal vedno nizok, in povprečna izhodna napetost je 0.

• Ko je delovni cikel 100%, je PWM signal vedno visok, in povprečna izhodna napetost je enaka najvišji napetosti Vmax.

• Ko je delovni cikel med 0% in 100%, je povprečna izhodna napetost delež najvišje napetosti. Na primer, 50% delovni cikel prinaša povprečno izhodno napetost, ki je polovica najvišje napetosti.

3. Primeri uporabe PWM

a. Nadzor motorjev

• Pri nadzoru motorjev se PWM uporablja za reguliranje hitrosti ali vrednosti torka motorja. S spreminjanjem delovnega cikla PWM signala se lahko nadzira povprečna napetost, ki je uporabljena na motorju, in tako prilagoditi izhodno moč motorja. Na primer, zmanjševanje delovnega cikla zmanjša povprečno napetost in uspori motor, medtem ko povečevanje delovnega cikla poveča povprečno napetost in pospeši motor.

b. Temnenje LED-jev

• V aplikacijah za temnenje LED-jev se PWM uporablja za prilagajanje svetlosti LED-a. S spreminjanjem delovnega cikla PWM signala se lahko nadzira povprečni tok skozi LED in tako prilagoditi njegovo svetlost. Na primer, 50% delovni cikel prinaša svetlost LED-a, ki je polovica maksimalne, medtem ko 100% delovni cikel LED-a naredi popolnoma svet.

c. Pretvorbe DC-DC

• V pretvornikih DC-DC (kot so buck pretvorniki ali boost pretvorniki) se PWM uporablja za reguliranje izhodne napetosti. S spreminjanjem delovnega cikla PWM signala se lahko nadzira čas vklopa in izklopa preklopne naprave, kar na vrsti prilagaja izhodno napetost. Na primer, v buck pretvorniku povečevanje delovnega cikla poviša izhodno napetost, medtem ko zmanjševanje delovnega cikla zniža izhodno napetost.

4. Prednosti PWM

• Visoka učinkovitost: PWM nadzira napetost preko preklopnih operacij namesto linearnega reguliranja (npr. z uporabo odpornikov za deljenje napetosti), kar prinaša manjše energijske izgube in višjo učinkovitost.

• Natančen nadzor: S točnim prilagajanjem delovnega cikla omogoča PWM natančen nadzor nad izhodno napetostjo ali tokom.

• Prilagodljivost: PWM se lahko enostavno prilagodi različnim aplikacijam, kot so nadzor motorjev, temnenje LED-jev in upravljanje energije.

5. Omejitve PWM

• Elektromagnetska motnja (EMI): Ker so PWM signali visoko frekventni preklopni signali, lahko generirajo elektromagnetsko motnjo, zlasti pri višjih frekvencah. Pri načrtovanju sistemov PWM je treba uporabiti ustrezne tehnike filtriranja in ščit.

• Šum: V nekaterih aplikacijah lahko PWM signali uvedejo opazljiv šum, zlasti v avdio opremi ali gonilnikih motorjev. To težavo je mogoče zmanjšati z izbiro primernega frekvenca PWM.

Povzetek

V širinsko-pulsni modulaciji (PWM) je povprečna izhodna napetost neposredno sorazmerna s delovnim ciklom. Delovni cikel določa delež časa, ko je signal visok v PWM ciklu, kar na vrsti vpliva na povprečno izhodno napetost. Z prilagajanjem delovnega cikla se lahko fleksibilno regulira izhodna napetost ali tok brez spremembe napajalne napetosti. Tehnologija PWM se široko uporablja v nadzoru motorjev, temnenju LED-jev, upravljanju energije in drugih aplikacijah, ki ponujajo visoko učinkovitost in natančen nadzor.