Pulsbreedtemodulatie

PWM of PWM (Pulse Width Modulation) is een manier om de stroomtoevoer naar een belasting te regelen. De regeling bestaat uit het veranderen van de pulsduur bij een constante pulsherhalingsfrequentie. Pulsbreedtemodulatie is beschikbaar in analoog, digitaal, binair en ternair.

Het gebruik van pulsbreedtemodulatie maakt het mogelijk om de efficiëntie van elektrische omvormers te verhogen, vooral voor pulsomvormers, die tegenwoordig de basis vormen van secundaire voedingen voor verschillende elektronische apparaten. Flyback en forward single, push-pull en half-bridge, evenals bridge-switching converters worden tegenwoordig bestuurd met de deelname van PWM, dit geldt ook voor resonante converters.

Met pulsbreedtemodulatie kunt u de helderheid van de achtergrondverlichting van liquid crystal displays van mobiele telefoons, smartphones en laptops aanpassen. PWM is geïmplementeerd in lasapparaten, in auto-omvormers, in opladers, enz. Elke oplader gebruikt tegenwoordig PWM in zijn werking.

Key-mode bipolaire en veldeffecttransistors worden gebruikt als schakelelementen in moderne hoogfrequente omvormers. Dit betekent dat een deel van de periode dat de transistor volledig open is en een deel van de periode dat deze volledig gesloten is.

En aangezien in overgangstoestanden die slechts tientallen nanoseconden duren, het vermogen dat vrijkomt door de schakelaar klein is in vergelijking met het geschakelde vermogen, blijkt het gemiddelde vermogen dat vrijkomt in de vorm van warmte op de schakelaar te verwaarlozen. In dit geval is de weerstand van de transistor als schakelaar in de gesloten toestand erg klein en nadert de spanningsval erover nul.

In de open toestand is de geleidbaarheid van de transistor bijna nul en stroomt er praktisch geen stroom doorheen. Dit maakt het mogelijk om compacte omvormers te creëren met een hoog rendement, dat wil zeggen met lage warmteverliezen. ZCS-resonantieomvormers (Zero Current Switching) minimaliseren deze verliezen.

In PWM-generatoren van het analoge type wordt het stuursignaal gegenereerd door een analoge comparator wanneer bijvoorbeeld een driehoeks- of triodesignaal wordt toegepast op de inverterende ingang van de comparator en een modulerend continu signaal wordt toegepast op de niet-inverterende ingang.

Uitgangspulsen worden ontvangen rechthoekig, hun herhalingsfrequentie is gelijk aan de frequentie van de zaag (of driehoekige golfvorm), en de duur van het positieve deel van de puls is gerelateerd aan de tijd gedurende welke het niveau van het modulerende DC-signaal toegepast op de niet-inverterende ingang van de comparator is hoger dan het niveau van het zaagsignaal dat naar de inverterende ingang wordt gevoerd.Wanneer de zaagspanning hoger is dan het modulerende signaal, zal de uitvoer het negatieve deel van de puls zijn.

Als de zaag wordt toegepast op de niet-inverterende ingang van de comparator en het modulerende signaal wordt toegepast op de inverterende, dan zullen de blokgolfuitgangspulsen een positieve waarde hebben wanneer de zaagspanning hoger is dan de waarde van het modulerende signaal toegepast op de inverterende ingang, en negatief - wanneer de zaagspanning lager is dan het modulerende signaal. Een voorbeeld van analoge PWM-generatie is de TL494-chip, die tegenwoordig veel wordt gebruikt bij de constructie van schakelende voedingen.

Digitale PWM wordt gebruikt in binaire digitale technologie. De uitgangspulsen nemen ook slechts één van de twee waarden aan (aan of uit) en het gemiddelde uitgangsniveau benadert de gewenste.Hier wordt het zaagtandsignaal verkregen door een N-bits teller te gebruiken.

Digitale PWM-apparaten werken ook met een constante frequentie, noodzakelijkerwijs langer dan de reactietijd van het bestuurde apparaat. Deze benadering wordt oversampling genoemd. Tussen klokflanken blijft de digitale PWM-uitvoer stabiel, hoog of laag, afhankelijk van de huidige status van de uitvoer van de digitale comparator, die de niveaus van het tellersignaal vergelijkt met de geschatte digitale.

De uitvoer wordt geklokt als een reeks pulsen met status 1 en 0, elke status van de klok kan al dan niet worden omgekeerd. De frequentie van de pulsen is evenredig met het niveau van het naderende signaal en opeenvolgende eenheden kunnen een bredere, langere puls vormen.

De resulterende pulsen met variabele breedte zijn veelvouden van de klokperiode en de frequentie is gelijk aan 1 / 2NT, waarbij T de klokperiode is, N het aantal klokcycli. Hierbij is een lagere frequentie qua klokfrequentie haalbaar. Het beschreven digitale opwekkingsschema is PWM met één bit of twee niveaus, pulsgecodeerde PCM-modulatie.

Deze tweetraps pulsgecodeerde modulatie is in wezen een opeenvolging van pulsen met een frequentie van 1/T en een breedte van T of 0. Oversampling wordt gebruikt om over een langere periode te middelen. Hoogwaardige PWM wordt bereikt door single-bit pulsdichte modulatie, ook wel pulsfrequentiemodulatie genoemd.

Bij digitale pulsbreedtemodulatie kunnen de rechthoekige subpulsen die de periode vullen overal in de periode verschijnen, en dan beïnvloedt alleen hun aantal de gemiddelde waarde van het signaal voor de periode. Dus als we de periode in 8 delen verdelen, dan zijn de pulscombinaties 11001100, 11110000, 11000101, 10101010, etc. geeft hetzelfde periodegemiddelde, maar de afzonderlijke eenheden maken de duty cycle van de sleuteltransistor zwaarder.

De uitblinkers van elektronica, over PWM gesproken, geven een vergelijkbare analogie met mechanica. Als u met de motor aan een zwaar vliegwiel draait nadat de motor kan worden in- of uitgeschakeld, zal het vliegwiel draaien en blijven draaien of stoppen als gevolg van wrijving wanneer de motor is uitgeschakeld.

Maar als de motor een paar seconden per minuut wordt ingeschakeld, blijft de rotatie van het vliegwiel door traagheid bij een bepaalde snelheid behouden. En hoe langer de motor draait, hoe hoger de rotatiesnelheid van het vliegwiel.Dus bij PWM komt er een aan en uit signaal (0 en 1) op de uitgang en het resultaat is een gemiddelde waarde. Door de spanning van de pulsen in de loop van de tijd te integreren, verkrijgen we het gebied onder de pulsen, en het effect op het werkende lichaam zal identiek zijn aan het werk met een gemiddelde waarde van de spanning.

Dit is hoe converters werken, waarbij duizenden keren per seconde wordt geschakeld en frequenties eenheden van megahertz bereiken. Speciale PWM-controllers worden veel gebruikt om de voorschakelapparaten van spaarlampen, voedingen, frequentieomvormers voor motoren enz.

De verhouding van de totale duur van de pulsperiode tot de aan-tijd (positief deel van de puls) wordt de duty cycle genoemd. Dus als de inschakeltijd 10 μs is en de periode 100 μs duurt, dan is bij een frequentie van 10 kHz de duty cycle 10, en schrijven ze dat S = 10. De omgekeerde duty cycle wordt de duty cycle, in het Engels Duty cycle of afgekort DC.

Dus, voor het gegeven voorbeeld, DC = 0,1 aangezien 10/100 = 0,1. Bij pulsbreedtemodulatie wordt door aanpassing van de duty-cycle van de puls, dat wil zeggen door verandering van de gelijkstroom, de gewenste gemiddelde waarde bereikt aan de uitgang van een elektronisch of ander elektrisch apparaat, zoals een motor.