Hur är spänning och tidskonstant relaterade i pulss bredd modulering (PWM)?

Förhållandet mellan spänning och tidskvot i pulssbreddsmodulering (PWM)

Pulssbreddsmodulering (PWM) är en teknik som reglerar den genomsnittliga utgångsspänningen genom att kontrollera tidskvoten för ett växelsignal. PWM används vidt och brett i applikationer som motorstyrning, strömförvaltning och LED-dimming. Förståelsen av förhållandet mellan spänning och tidskvot i PWM är avgörande för korrekt användning och design av PWM-system.

1. Grundläggande princip för PWM

• PWM-signal: En PWM-signal är en periodisk kvadratvåg med en fast frekvens men en variabel andel av höga (på) och låga (av) nivåer inom varje cykel. Denna andel kallas tidskvot.

• Tidskvot: Tidskvoten är förhållandet mellan den tid signalen är hög (på) och den totala perioden för PWM-cykeln. Den uttrycks vanligtvis i procent eller som en bråkdel mellan 0 och 1. Till exempel innebär en 50% tidskvot att signalen är hög under hälften av cykeln och låg under den andra hälften; en 100% tidskvot betyder att signalen alltid är hög; och en 0% tidskvot betyder att signalen alltid är låg.

• PWM-frekvens: Frekvensen för PWM-signalen bestämmer varaktigheten för varje cykel. Högre frekvenser resulterar i kortare cykler, och PWM-signalen ändras snabbare.

2. Förhållandet mellan spänning och tidskvot i PWM

• Genomsnittlig spänning: I PWM är den genomsnittliga utgångsspänningen proportionell till tidskvoten. Om toppspänningen för PWM-signalen är   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax kan den genomsnittliga utgångsspänningen   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; beräknas\; med\; följande\; formel:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Där:

• Vavg är den genomsnittliga utgångsspänningen.

• D är tidskvoten (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax är toppspänningen för PWM-signalen (vanligtvis anslutningsspänningen).

• Effekt av tidskvot på genomsnittlig spänning:

• När tidskvoten är 0%, är PWM-signalen alltid låg, och den genomsnittliga utgångsspänningen är 0.

• När tidskvoten är 100%, är PWM-signalen alltid hög, och den genomsnittliga utgångsspänningen motsvarar toppspänningen Vmax.

• När tidskvoten ligger mellan 0% och 100%, är den genomsnittliga utgångsspänningen en andel av toppspänningen. Till exempel ger en 50% tidskvot en genomsnittlig utgångsspänning som är hälften av toppspänningen.

3. Applikationsexempel för PWM

a. Motorstyrning

• I motorstyrning används PWM för att reglera motorns hastighet eller drehmoment. Genom att ändra tidskvoten för PWM-signalen kan den genomsnittliga spänningen som appliceras på motorn kontrolleras, vilket justerar motorns effekttillförsel. Till exempel minskar en lägre tidskvot den genomsnittliga spänningen, vilket saktar ner motorn, medan en högre tidskvot ökar den genomsnittliga spänningen, vilket ökar motorns hastighet.

b. LED-dimming

• I LED-dimmingapplikationer används PWM för att justera ljusstyrkan på en LED. Genom att ändra tidskvoten för PWM-signalen kan den genomsnittliga strömmen genom LED:n kontrolleras, vilket justerar dess ljusstyrka. Till exempel ger en 50% tidskvot en LED-ljusstyrka som är hälften av dess maximala, medan en 100% tidskvot gör LED:n fullt lysande.

c. DC-DC-omvandlare

• I DC-DC-omvandlare (som buck-omvandlare eller boost-omvandlare) används PWM för att reglera utgångsspänningen. Genom att justera tidskvoten för PWM-signalen kan på- och av-tiden för växlingskomponenten kontrolleras, vilket i sin tur justerar utgångsspänningen. Till exempel, i en buck-omvandlare, ökar en högre tidskvot utgångsspänningen, medan en lägre tidskvot minskar den.

4. Fördelar med PWM

• Hög effektivitet: PWM styr spänningen genom växlingsoperationer snarare än linjär reglering (t.ex. med resistiva spänningsdelares), vilket leder till lägre energiförluster och högre effektivitet.

• Precis styring: Genom att noggrant justera tidskvoten tillåter PWM fin kontroll över utgångsspänningen eller strömmen.

• Flexibilitet: PWM kan enkelt anpassas till olika applikationer, såsom motorstyrning, LED-dimming och strömförvaltning.

5. Begränsningar hos PWM

• Elektromagnetisk interferens (EMI): Eftersom PWM-signaler är högfrekventa växelsignaler, kan de generera elektromagnetisk interferens, särskilt vid högre frekvenser. Lämpliga filtrerings- och sköldtekniker bör användas i PWM-systemdesign.

• Buller: I vissa applikationer kan PWM-signaler introducera hörbart buller, särskilt i ljudutrustning eller motordrift. Detta problem kan mildras genom att välja en lämplig PWM-frekvens.

Sammanfattning

I pulssbreddsmodulering (PWM) är den genomsnittliga utgångsspänningen direkt proportionell till tidskvoten. Tidskvoten bestämmer andelen tid signalen är hög inom en PWM-cykel, vilket i sin tur påverkar den genomsnittliga utgångsspänningen. Genom att justera tidskvoten kan utgångsspänningen eller strömmen flexibelt regleras utan att ändra anslutningsspänningen. PWM-tekniken används vidt och brett i motorstyrning, LED-dimming, strömförvaltning och andra applikationer, vilket erbjuder hög effektivitet och precis styring.