Utilizarea PWM ca tehnică de comutare
Modularea lățimii pulsului (PWM) este o tehnică frecvent utilizată pentru controlul general al puterii de curent continuu către un dispozitiv electric, făcută practică prin întrerupătoarele electronice moderne de alimentare. Cu toate acestea, își găsește locul și în tocătoarele de curent alternativ. Valoarea medie a curentului furnizat sarcinii este controlată de poziția comutatorului și durata stării sale. Dacă perioada de pornire a comutatorului este mai lungă în comparație cu perioada de oprire, sarcina primește o putere comparativ mai mare. Astfel, frecvența de comutare PWM trebuie să fie mai rapidă.
În mod obișnuit, comutarea trebuie făcută de mai multe ori pe minut într-o sobă electrică, 120 Hz într-un regulator de lumină, de la câțiva kiloherți (kHz) la zeci de kHz pentru un motor. Frecvența de comutare pentru amplificatoarele audio și sursele de alimentare a computerului este de aproximativ zece până la sute de kHz. Raportul dintre timpul de pornire și perioada de timp a impulsului este cunoscut sub numele de ciclu de funcționare. Dacă ciclul de funcționare este redus, acesta implică o putere redusă.
Pierderea de putere a dispozitivului de comutare este foarte mică, datorită cantității de curent aproape neglijabilă care curge în starea oprită a dispozitivului și a cantității neglijabile de cădere de tensiune în starea sa OPRIT. Comenzile digitale utilizează, de asemenea, tehnica PWM. PWM a fost, de asemenea, utilizat în anumite sisteme de comunicații în care ciclul său de funcționare a fost utilizat pentru a transmite informații pe un canal de comunicații.
PWM poate fi utilizat pentru a regla cantitatea totală de putere livrată unei sarcini fără pierderi suportate în mod normal atunci când un transfer de putere este limitat prin mijloace rezistive. Dezavantajele sunt pulsațiile definite de ciclul de funcționare, frecvența de comutare și proprietățile sarcinii. Cu o frecvență de comutare suficient de mare și, atunci când este necesar, folosind filtre electronice pasive suplimentare, trenul de impulsuri poate fi netezit și forma de undă analogică medie poate fi recuperată. Sistemele de control PWM de înaltă frecvență pot fi ușor implementate folosind comutatoare semiconductoare.
Așa cum s-a menționat deja mai sus, aproape nici o putere nu este disipată de comutator în starea de pornire sau oprire. Cu toate acestea, în timpul tranzițiilor dintre stările de pornire și oprire, atât tensiunea, cât și curentul sunt diferite de zero și, prin urmare, o putere considerabilă este disipată în comutatoare. Din fericire, schimbarea stării între complet pornit și complet oprit este destul de rapidă (de obicei mai puțin de 100 nanosecunde) în raport cu timpii tipici de pornire sau oprire, astfel încât disiparea medie a puterii este destul de mică în comparație cu puterea furnizată chiar și atunci când frecvențele de comutare ridicate sunt folosite.
Utilizarea PWM pentru a furniza curent continuu la încărcare
Cea mai mare parte a procesului industrial necesită rularea pe anumiți parametri în ceea ce privește viteza unității. Sistemele de acționare electrică utilizate în multe aplicații industriale necesită performanțe mai mari, fiabilitate, viteză variabilă datorită ușurinței sale de control. controlul vitezei motorului continuu este important în aplicațiile în care precizia și protecția sunt esențiale. Scopul unui regulator de viteză al motorului este de a prelua un semnal care reprezintă viteza necesară și de a conduce un motor la viteza respectivă.
Modulația lățimii impulsurilor (PWM), așa cum se aplică controlului motorului, este o modalitate de a furniza energie printr-o succesiune de impulsuri, mai degrabă decât printr-un semnal (analogic) care variază continuu. Prin creșterea sau scăderea lățimii impulsului, regulatorul reglează fluxul de energie către arborele motorului. Inductanța proprie a motorului acționează ca un filtru, stocând energia în timpul ciclului „ON”, eliberând-o la o rată corespunzătoare semnalului de intrare sau de referință. Cu alte cuvinte, energia curge în sarcină nu atât frecvența de comutare, cât și frecvența de referință.
Circuitul este utilizat pentru a controla viteza de Motor DC prin utilizarea tehnicii PWM. Controlerul de motor DC de serie cu viteză variabilă 12V utilizează un timer IC 555 ca generator de impulsuri PWM pentru a regla viteza motorului DC12 Volt. IC 555 este popularul cip Timer folosit pentru realizarea circuitelor de timer. A fost introdus în 1972 de către Signetics. Se numește 555 deoarece există trei rezistențe de 5 K în interior. CI este format din doi comparatori, un lanț de rezistență, un Flip Flop și un stadiu de ieșire. Funcționează în 3 moduri de bază - Astabil, Monostabil (unde acționează un generator de impulsuri cu o singură lovitură și modul Bistabil. Adică, atunci când este declanșat, ieșirea se ridică pentru o perioadă bazată pe valorile rezistorului de sincronizare și ale condensatorului. În Modul Astable (AMV), IC funcționează ca un multivibrator cu funcționare liberă. Ieșirea se transformă continuu la înaltă și joasă pentru a da ieșire pulsatorie ca oscilator. În modul Bistabil, cunoscut și sub numele de declanșator Schmitt, IC funcționează ca un Flip-Flop cu sau ieșire redusă la fiecare declanșator și resetare.
În acest circuit, se utilizează MOSFET IRF540. Acesta este MOSFET pentru îmbunătățirea canalului N. Este un MOSFET de putere avansat proiectat, testat și garantat să reziste la un nivel specificat de energie în modul de funcționare avalanșă defalcare. Aceste MOSFET-uri de putere sunt proiectate pentru aplicații precum regulatoare de comutare, convertizoare de comutare, driverele de motor, driverele de relee și driverele pentru tranzistoarele de comutare bipolare de mare putere care necesită o viteză mare și o putere de acționare redusă a porții. Aceste tipuri pot fi operate direct din circuite integrate. Tensiunea de lucru a acestui circuit poate fi ajustată în funcție de necesitățile motorului continuu acționat. Acest circuit poate funcționa de la 5-18VDC.
Deasupra circuitului adică Controlul vitezei motorului DC de către PWM tehnica variază ciclul de funcționare care, la rândul său, controlează viteza motorului. IC 555 este conectat în modul astabil, care funcționează fără vibratoare multiple. Circuitul constă dintr-un aranjament al unui potențiometru și două diode, care este utilizat pentru a schimba ciclul de funcționare și a menține frecvența constantă. Deoarece rezistența rezistenței variabile sau a potențiometrului este variată, ciclul de funcționare al impulsurilor aplicate la MOSFET variază și, în consecință, puterea de curent continuu la motor variază și astfel viteza acestuia crește odată cu creșterea ciclului de funcționare.
Utilizarea PWM pentru a furniza curent alternativ la încărcare
Comutatoarele moderne cu semiconductoare, cum ar fi MOSFET-urile sau tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT) sunt componente destul de ideale. Astfel, pot fi construite controlere de înaltă eficiență. De obicei, convertoarele de frecvență utilizate pentru controlul motoarelor de curent alternativ au o eficiență mai mare de 98%. Sursele de alimentare cu comutare au o eficiență mai mică datorită nivelurilor reduse de tensiune de ieșire (adesea sunt necesari chiar mai puțin de 2 V pentru microprocesoare), dar se poate obține o eficiență mai mare de 70-80%.
Acest tip de control pentru AC este metoda unghiului de tragere întârziat cunoscut. Este mai ieftin și generează mult zgomot electric și armonici în comparație cu controlul PWM real care dezvoltă zgomot neglijabil.
În multe aplicații, cum ar fi încălzirea industrială, controlul iluminatului, motoarele cu inducție la pornire ușoară și regulatoarele de viteză pentru ventilatoare și pompe necesită tensiune alternativă variabilă de la sursă alternativă fixă. Controlul unghiului de fază al regulatoarelor a fost utilizat pe scară largă pentru aceste cerințe. Oferă unele avantaje, cum ar fi simplitatea și capacitatea de a controla o cantitate mare de energie din punct de vedere economic. Cu toate acestea, unghiul de tragere întârziat provoacă discontinuitate și armonici abundente în curentul de sarcină și un factor de putere întârziat apare la partea AC atunci când unghiul de tragere a crescut.
Aceste probleme pot fi îmbunătățite prin utilizarea unui tocător de curent alternativ PWM. Acest tocător de curent alternativ PWM oferă mai multe avantaje, cum ar fi curentul de intrare sinusoidal cu factor de putere aproape unitar. Cu toate acestea, pentru a reduce dimensiunea filtrului și a îmbunătăți calitatea regulatorului de ieșire, frecvența de comutare ar trebui mărită. Acest lucru cauzează pierderi mari de comutare. O altă problemă este comutarea între comutatorul de transfer S1 cu comutatorul de roată liberă S2. Provoacă creșterea curentului dacă ambele comutatoare sunt pornite în același timp (scurtcircuit), iar creșterea tensiunii dacă ambele comutatoare sunt oprite (nu există o cale de rotire liberă). Pentru a evita aceste probleme, s-au folosit snubber RC. Cu toate acestea, acest lucru mărește pierderea de putere din circuit și este dificil, scump, voluminos și ineficient pentru aplicațiile de mare putere. Se propune elicopterul de curent alternativ cu comutare de tensiune de curent zero (ZCS-ZVS). Regulatorul său de tensiune de ieșire trebuie să varieze timpul de oprire controlat de semnalul PWM. Astfel, este necesar să se utilizeze controlul frecvenței pentru a realiza comutarea soft, iar sistemele generale de control utilizează tehnicile PWM producând timpul de pornire. Această tehnică are avantaje, cum ar fi controlul simplu cu modulație sigma-delta și continuă curentul de intrare. Caracteristicile configurației circuitului propuse și modelele tăiate PWM sunt prezentate mai jos.
