Як пов'язані напруга та коефіцієнт заповнення в імпульсній широтно-імпульсній модуляції (PWM)?

Зв'язок між напругою та коефіцієнтом заповнення в широтно-імпульсній модуляції (ШІМ)

Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) — це техніка, яка регулює середню вихідну напругу за допомогою контролю коефіцієнта заповнення імпульсного сигналу. ШІМ широко використовується в таких застосуваннях, як керування двигунами, управління енергією та розсвітлення LED. Розуміння зв'язку між напругою та коефіцієнтом заповнення в ШІМ є важливим для правильного використання та проектування систем ШІМ.

1. Основний принцип ШІМ

• Сигнал ШІМ: Сигнал ШІМ — це періодичний прямокутний сигнал з фіксованою частотою, але змінним співвідношенням високого (ввімкненого) та низького (вимкненого) рівнів у кожному циклі. Це співвідношення називається коефіцієнтом заповнення.

• Коефіцієнт заповнення: Коефіцієнт заповнення — це співвідношення часу, коли сигнал високий (ввімкнений), до загального періоду циклу ШІМ. Зазвичай він виражається у відсотках або як дріб між 0 і 1. Наприклад, коефіцієнт заповнення 50% означає, що сигнал високий половину циклу, а низький — іншу половину; коефіцієнт заповнення 100% означає, що сигнал завжди високий; коефіцієнт заповнення 0% означає, що сигнал завжди низький.

• Частота ШІМ: Частота сигналу ШІМ визначає тривалість кожного циклу. Вищі частоти призводять до коротших циклів, і сигнал ШІМ змінюється швидше.

2. Зв'язок між напругою та коефіцієнтом заповнення в ШІМ

• Середня напруга: У ШІМ середня вихідна напруга пропорційна коефіцієнту заповнення. Якщо пікове значення сигналу ШІМ становить   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, середню вихідну напругу   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; можна\; обчислити\; за\; наступною\; формулою:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Де:

• Vavg — це середня вихідна напруга.

• D — це коефіцієнт заповнення (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax — це пікова напруга сигналу ШІМ (звичайно, це питома напруга).

• Вплив коефіцієнта заповнення на середню напругу:

• При коефіцієнті заповнення 0%, сигнал ШІМ завжди низький, і середня вихідна напруга дорівнює 0.

• При коефіцієнті заповнення 100%, сигнал ШІМ завжди високий, і середня вихідна напруга дорівнює піковій напрузі Vmax.

• При коефіцієнті заповнення між 0% і 100%, середня вихідна напруга становить деяку частину від пікової напруги. Наприклад, при коефіцієнті заповнення 50% середня вихідна напруга становить половину від пікової напруги.

3. Приклади застосування ШІМ

a. Керування двигунами

• У керуванні двигунами ШІМ використовується для регулювання швидкості або моменту двигуна. Змінюючи коефіцієнт заповнення сигналу ШІМ, можна контролювати середню напругу, що подається на двигун, тим самим регулюючи вихідну потужність двигуна. Наприклад, зменшення коефіцієнта заповнення знижує середню напругу, сповільнюючи двигун, а збільшення коефіцієнта заповнення збільшує середню напругу, прискорюючи двигун.

b. Регулювання яскравості LED

• У застосуваннях регулювання яскравості LED, ШІМ використовується для налаштування яскравості LED. Змінюючи коефіцієнт заповнення сигналу ШІМ, можна контролювати середній струм через LED, тим самим регулюючи його яскравість. Наприклад, при коефіцієнті заповнення 50% яскравість LED становить половину максимальної, а при коефіцієнті заповнення 100% LED повністю світлий.

c. DC-DC конвертери

• У DC-DC конвертерах (наприклад, понижаючих або підвищуючих конвертерах) ШІМ використовується для регулювання вихідної напруги. Змінюючи коефіцієнт заповнення сигналу ШІМ, можна контролювати час ввімкнення та вимкнення комутаційного пристрою, що, в свою чергу, регулює вихідну напругу. Наприклад, у понижаючому конвертері збільшення коефіцієнта заповнення збільшує вихідну напругу, а зменшення коефіцієнта заповнення знижує її.

4. Переваги ШІМ

• Висока ефективність: ШІМ контролює напругу за допомогою комутаційних операцій, а не лінійного регулювання (наприклад, за допомогою розділювальних резисторів), що призводить до нижчих втрат енергії та вищої ефективності.

• Точне керування: Точне налаштування коефіцієнта заповнення дозволяє точний контроль над вихідною напругою або струмом.

• Гнучкість: ШІМ легко адаптується до різних застосувань, таких як керування двигунами, регулювання яскравості LED та управління енергією.

5. Обмеження ШІМ

• Електромагнітна інтерференція (ЕМІ): Оскільки сигнали ШІМ — це високочастотні комутаційні сигнали, вони можуть генерувати електромагнітну інтерференцію, особливо на вищих частотах. При проектуванні систем ШІМ слід застосовувати правильні методи фільтрації та екранировання.

• Шум: У деяких застосуваннях сигнали ШІМ можуть викликати чутливий шум, особливо в аудіообладнанні або приводах двигунів. Цю проблему можна знизити, вибираючи відповідну частоту ШІМ.

Висновок

У широтно-імпульсній модуляції (ШІМ) середня вихідна напруга прямо пропорційна коефіцієнту заповнення. Коефіцієнт заповнення визначає пропорцію часу, коли сигнал високий, у циклі ШІМ, що, в свою чергу, впливає на середню вихідну напругу. Змінюючи коефіцієнт заповнення, можна гнучко регулювати вихідну напругу або струм без зміни питомої напруги. Технологія ШІМ широко використовується у керуванні двигунами, регулюванні яскравості LED, управлінні енергією та інших застосуваннях, надаючи високу ефективність та точне керування.