Ce este PWM, cum se măsoară

PWM înseamnă modularea lățimii impulsurilor care semnifică natura variabilă a lățimilor impulsurilor care pot fi generate de la o anumită sursă, cum ar fi un IC discret, MCU sau un circuit tranzistorizat.

Ce este PWM

În termeni simpli, un proces PWM nu este altceva decât pornirea și oprirea unei tensiuni de alimentare la o anumită rată cu rapoarte diferite de sincronizare ON / OFF, aici lungimea comutatorului ON al tensiunii poate fi mai mare, mai mică sau egală cu lungimea comutatorului OFF.

De exemplu, un PWM poate consta într-o tensiune fixă ​​pentru a porni ON și OFF la o rată de 2 secunde PORNIT 1 secundă OPRIT, 1 secundă PORNIT 2 secunde OPRIT sau 1 secundă PORNIT, 1 secundă OPRIT.

Când această rată de pornire / oprire a unei tensiuni de alimentare este optimizată diferit, spunem că tensiunea este PWM sau Lățimea impulsului modulată.

Trebuie să fiți deja familiarizați cu privire la modul în care un potențial continuu DC apare pe un grafic de tensiune v / s, după cum se arată mai jos:

În imaginea de mai sus putem vedea o linie dreaptă la nivelul de 9V, acest lucru se realizează deoarece nivelul de 9V nu se schimbă în raport cu timpul și, prin urmare, putem vedea o linie dreaptă.

Acum, dacă acest 9V este pornit și oprit după fiecare 1 secundă, atunci graficul de mai sus ar arăta astfel:

Putem vedea clar că acum linia de 9V nu mai este o linie dreaptă sub formă de blocuri după fiecare 1 secundă, deoarece 9V este pornit și oprit după fiecare secundă alternativ.

Urmele de mai sus arată ca niște blocuri dreptunghiulare, deoarece atunci când 9V este pornit și oprit, operațiile sunt instantanee, ceea ce face ca 9V să treacă brusc la nivelul zero și apoi brusc la nivelul 9V formând astfel formele dreptunghiulare de pe grafic.

Condiția de mai sus dă naștere unei tensiuni pulsatorii care are doi parametri care trebuie măsurați și anume: tensiunea de vârf și tensiunea medie sau tensiunea RMS.

Vârf și tensiune medie

În prima imagine, tensiunea de vârf este evident de 9V, iar tensiunea medie este de asemenea de 9V, pur și simplu pentru că tensiunea este constantă, fără pauze.

Cu toate acestea, în a doua imagine, deși tensiunea este pornită / oprită la o rată de 1 Hz (1 secundă PORNIT, 1 secundă OPRIT), vârful va fi totuși egal cu 9V, deoarece vârful atinge întotdeauna marca 9V în perioadele de PORNIT. Dar tensiunea medie aici nu este de 9V, mai degrabă de 4,5V, deoarece producerea și ruperea tensiunii se face la o rată de 50%.

În discuțiile PWM, această rată ON / OFF se numește ciclu de funcționare a PWM, prin urmare, în cazul de mai sus, este un ciclu de funcționare de 50%.

Când măsurați un PWM cu un multimetru digital pe o gamă de curent continuu, veți obține întotdeauna valoarea medie citită pe contor.

Noii pasionați se confundă adesea cu această lectură și o iau ca valoare de vârf, ceea ce este complet greșit.

După cum sa explicat mai sus, valoarea de vârf a unui PWM va fi în mare parte egală cu tensiunea de alimentare alimentată în circuit, în timp ce volajul mediu al contorului va fi media perioadelor de PORNIT / OPRIT ale PWM-urilor.

Comutarea Mosfet cu PWM

Deci, dacă schimbați un MOSFET cu un PWM și găsiți tensiunea de la poartă, să zicem, de exemplu, 3V, nu intrați în panică, deoarece aceasta ar putea fi doar tensiunea medie indicată de contor, tensiunea de vârf ar putea fi la fel de mare ca alimentarea circuitului dvs. Voltaj.

Prin urmare, s-ar putea aștepta ca mosfetul să conducă bine și complet prin aceste valori de vârf, iar tensiunea medie ar fi afectată doar perioada de conducere, nu specificațiile de comutare ale dispozitivului.

Așa cum am discutat în secțiunile anterioare, un PWM implică în mod fundamental variația lățimilor impulsului, cu alte cuvinte perioadele ON și OFF ale DC.

Să presupunem, de exemplu, că doriți o ieșire PWM cu un timp de pornire cu 50% mai mic decât cel al timpului de pornire.

Să presupunem că timpul de pornire selectat este de 1/2 secundă, apoi timpul de OPRIRE ar fi egal cu 1 secundă, ceea ce ar da naștere unui ciclu de funcționare de 1/2 secundă PORNIT și 1 secundă OPRIT, așa cum se poate vedea în următoarea diagramă .

Analiza ciclului de funcționare al PWM

În acest exemplu, PWM-urile sunt optimizate pentru a produce o tensiune de vârf de 9V, dar o tensiune medie de 3,15V, deoarece timpul de pornire este doar 35% dintr-un ciclu complet ON / OFF.

Un ciclu complet se referă la perioada de timp care permite impulsului dat să-și finalizeze un timp de pornire complet și un timp de OPRIRE.

În mod similar, se poate intenționa optimizarea lățimii impulsului unei frecvențe cu următoarele date:

Aici timpul de pornire poate fi văzut crescut decât timpul de oprire cu 65% pe parcursul unui ciclu complet, prin urmare aici valoarea medie a tensiunii devine 5,85V.

Tensiunea medie discutată mai sus se mai numește RMS sau valoarea pătrată medie a tensiunii.

Deoarece toate acestea sunt impulsuri dreptunghiulare sau pătrate, RMS poate fi calculat pur și simplu înmulțind procentul ciclului de funcționare cu tensiunea de vârf.

Optimizarea PWM pentru a simula Sinewave

Cu toate acestea, în cazurile în care PWM este optimizat pentru a simula un impuls de curent alternativ, calculul pentru RMS devine puțin complex.

Să luăm exemplul următorului PWM, care este optimizat pentru a-și varia lățimea corespunzătoare amplitudinii variabile sau a nivelului unui semnal AC sinusoidal.

Puteți afla mai multe despre acest lucru printr-unul dintre articolele mele anterioare, unde am explicat modul în care IC 555 poate fi utilizat generând ieșire PWM echivalentă cu undă sinusoidală .

După cum putem vedea în imaginea de mai sus, lățimea impulsurilor se schimbă în ceea ce privește nivelul instantaneu al undei sinusoidale. Pe măsură ce unda sinusoidală tinde să atingă vârful, lățimea corespunzătoare a pulsului devine mai largă și invers.

Folosind SPWM

Acest lucru indică faptul că, deoarece nivelul de tensiune al undei sinusoidale se schimbă constant în timp, PWM-urile se schimbă și ele în timp, variind în mod constant lățimile acestuia. Un astfel de PWM este, de asemenea, denumit SPWM sau Sinewave Pulse Width Modulation.

Astfel, în cazul de mai sus, impulsurile nu sunt niciodată constante, ci își schimbă lățimile diferit în timp.

Acest lucru face ca RMS-ul sau calculul valorii medii să fie puțin complex și nu putem multiplica pur și simplu ciclul de funcționare cu tensiunea de vârf aici pentru realizarea RMS.

Deși formula propriu-zisă pentru derivarea expresiei RMS este destul de complexă, după derivări adecvate, implementarea finală devine de fapt destul de ușoară.

Calculul tensiunii RMS a unui PWM

Astfel, pentru calcularea RMS a unei tensiuni PWM variabile ca răspuns la o undă sinusoidală, se poate dobândi înmulțind 0,7 (constantă) cu tensiunea de vârf.

Deci, pentru un vârf de 9V obținem 9 x 0,7 = 6,3V, adică tensiunea RMS sau valoarea medie a unui vârf de 9V la vârf PWM simulând o undă sinusoidală.

Rolul PWM în circuitele electronice?

Veți descoperi că conceptul PWM este în esență asociat cu
proiecte de circuite care au inductori implicați în special topologiile Buck boost, cum ar fi invertoarele, SMPS , MPPT, circuite driver LED etc.

Fără un inductor, o caracteristică PWM ar putea să nu aibă nici o valoare sau rol real într-un anumit circuit, aceasta deoarece doar un inductor are caracteristica inerentă de a transforma o lățime de impuls variabilă într-o cantitate echivalentă de intensificat (amplificat) sau descărcat (înclinat) tensiune sau curent, care devine ideea întreagă și unică a unei tehnologii PWM.

Utilizarea PWM cu inductoare

Pentru a înțelege modul în care PWM afectează o ieșire a inductorului în termeni de tensiune și curent, ar fi mai întâi important să aflăm cum se comportă un inductor în influența unei tensiuni pulsatorii.

Într-una din postările mele anterioare am explicat cu privire la cum funcționează un circuit de impuls , acesta este un exemplu clasic pentru a demonstra modul în care PWM-urile sau o lățime de impuls variabilă pot fi utilizate pentru a dimensiona o ieșire a inductorului.

Este bine cunoscut faptul că, prin „natură”, un inductor se opune întotdeauna unei aplicări bruște de tensiune pe el și îi permite să treacă numai după o anumită perioadă de timp, în funcție de specificațiile sale de înfășurare, și în timpul acestui proces stochează o cantitate echivalentă de energie în aceasta.

Acum, dacă în cursul procesului de mai sus, tensiunea este brusc oprită, inductorul nu este din nou capabil să facă față acestei dispariții bruște a tensiunii aplicate și încearcă să o echilibreze prin eliberarea curentului stocat în ea.

Reacția inductorului la PWM

Astfel, un inductor va încerca să se opună la pornirea tensiunii prin stocarea curentului și va încerca să egalizeze ca răspuns la o oprire bruscă a tensiunii prin „lovirea” din nou a energiei stocate în sistem.

Această retragere se numește EMF din spate a unui inductor și conținutul acestei energii (tensiune, curent) va depinde de specificațiile bobinării inductorului.

Practic, numărul de spire decide dacă EMF ar trebui să fie mai mare ca tensiune decât tensiunea de alimentare sau mai mică decât tensiunea de alimentare, iar grosimea firului decide cantitatea de curent pe care inductorul o poate produce.

Există un alt aspect al inductorului de mai sus, care este temporizarea perioadelor de pornire / oprire a tensiunii.

De aceea, utilizarea unui PWM devine crucială.

Deși numărul de rotații determină în mod fundamental valorile de ieșire pentru un anumit anume, acestea pot varia, de asemenea, după cum se dorește, alimentând un PWM optimizat introdus într-un inductor.

Prin intermediul unui PWM variabil putem forța un inductor să genereze / transforme tensiuni și curenți la orice rată dorită, fie ca tensiune intensificată (curent redus), fie intensificat curent (tensiune redusă) sau invers.

În unele aplicații, un PWM poate fi utilizat chiar și fără un inductor, cum ar fi pentru estomparea unei lumini LED sau în circuite de temporizare MCU, unde ieșirea poate fi optimizată pentru a genera tensiuni la diferite comutatoare ON, perioadele de OPRIRE pentru controlul unei sarcini conform specificațiile sale de lucru prevăzute.