Co je PWM, jak jej měřit

PWM znamená modulace šířky impulzů, což znamená proměnlivou povahu šířek impulzů, které mohou být generovány z konkrétního zdroje, jako je diskrétní IC, MCU nebo tranzistorový obvod.

Co je PWM

Jednoduše řečeno, proces PWM není nic jiného než zapnutí a vypnutí napájecího napětí při určité rychlosti s různými časovými poměry zapnutí / vypnutí, zde může být délka zapnutí ON napětí větší, menší nebo stejná jako délka vypnutí OFF.

Například PWM může sestávat z napětí stanoveného pro zapnutí a vypnutí rychlostí 2 sekundy ZAP 1 sekundu VYP, 1 sekundu ZAP 2 sekundy VYP nebo 1 sekundu ZAP, 1 sekundu VYP.

Když je tato rychlost zapnutí / vypnutí napájecího napětí různě optimalizována, říkáme, že napětí je modulováno PWM nebo Pulse Width.

Všichni musíte být již obeznámeni s tím, jak se na časovém grafu napětí v / s objeví konstantní stejnosměrný potenciál, jak je uvedeno níže:

Na výše uvedeném obrázku vidíme přímku na úrovni 9V, čehož je dosaženo, protože úroveň 9V se nemění s ohledem na čas, a proto jsme svědky přímky.

Nyní, pokud je tento 9V zapnutý a vypnutý po každé 1 sekundě, pak by výše uvedený graf vypadal takto:

Jasně vidíme, že 9V vedení již není přímým hodnotitelem ve formě bloků po každé 1 sekundě, protože 9V se střídavě zapíná a vypíná po každé vteřině.

Výše uvedené stopy vypadají jako obdélníkové bloky, protože když je 9V zapnuto a vypnuto, operace jsou okamžité, což náhle způsobí, že 9V přejde na nulovou úroveň a poté najednou na úroveň 9V, čímž vytvoří obdélníkové tvary v grafu.

Výše uvedená podmínka vede k pulzujícímu napětí, které má měřit dva parametry, jmenovitě: špičkové napětí a průměrné napětí nebo napětí RMS.

Špičkové a průměrné napětí

Na prvním obrázku je špičkové napětí zjevně 9V a průměrné napětí je také 9V jednoduše proto, že napětí je konstantní bez jakýchkoli přerušení.

Avšak na druhém obrázku, i když je napětí ZAPNUTO / VYPNUTO s frekvencí 1 Hz (1 sekunda ZAPNUTO, 1 sekunda VYPNUTO), vrchol bude stále roven 9V, protože vrchol vždy během období ZAPNUTÍ dosáhne značky 9V. Ale průměrné napětí zde není 9V, spíše 4,5V, protože spínání a rozpínání napětí se provádí rychlostí 50%.

V diskusích PWM se tato rychlost zapnutí / vypnutí nazývá pracovní cyklus PWM, proto se ve výše uvedeném případě jedná o 50% pracovní cyklus.

Když měříte PWM s digitálním multimetrem v rozsahu DC, vždy získáte průměrnou hodnotu naměřenou na měřiči.

Noví fandové se s tímto čtením často pletou a berou jej jako špičkovou hodnotu, což je zcela špatné.

Jak bylo vysvětleno výše, špičková hodnota PWM se bude většinou rovnat napájecímu napětí přiváděnému do obvodu, zatímco průměrná kolísání na měřiči bude průměrem periody ON / OFF PWM.

Přepínání Mosfet s PWM

Takže pokud přepínáte mosfet s PWM a zjistíte, že napětí na hradle je, řekněme například 3V, nepropadejte panice, protože to může být jen průměrné napětí indikované měřičem, špičkové napětí může být stejně vysoké jako napájení vašeho obvodu Napětí.

Proto lze očekávat, že MOSFET bude přes tyto špičkové hodnoty vodit jemně a plně a průměrné napětí bude mít vliv pouze na jeho dobu vedení, nikoli na spínací parametry zařízení.

Jak jsme diskutovali v předchozích částech, PWM zásadně zahrnuje měnící se šířky pulzů, jinými slovy období zapnutí a vypnutí stejnosměrného proudu.

Řekněme například, že chcete výstup PWM s časem zapnutí, který je o 50% kratší než čas zapnutí.

Předpokládejme, že zvolený čas zapnutí je 1/2 sekundy, pak by čas vypnutí byl roven 1 sekundě, což by vedlo ke vzniku pracovního cyklu 1/2 sekundy zapnuto a 1 sekundu vypnuto, jak je vidět na následujícím diagramu .

Analýza pracovního cyklu PWM

V tomto příkladu jsou PWM optimalizovány tak, aby produkovaly špičkové napětí 9 V, ale průměrné napětí 3,15 V, protože doba zapnutí je pouze 35% jednoho úplného úplného cyklu zapnutí / vypnutí.

Jeden kompletní cyklus se vztahuje k časovému období, které umožňuje danému pulzu dokončit jeden plný čas zapnutí a jeden čas vypnutí.

Podobně lze zamýšlet optimalizovat šířku pulzu frekvence s následujícími daty:

Zde je vidět, že doba zapnutí je delší než doba vypnutí o 65% během jednoho celého cyklu, proto zde průměrná hodnota napětí dosáhne 5,85 V.

Výše diskutované průměrné napětí se také nazývá RMS nebo střední kvadratická hodnota napětí.

Jelikož se jedná o obdélníkové nebo čtvercové impulsy, lze RMS vypočítat jednoduše vynásobením procenta pracovního cyklu špičkovým napětím.

Optimalizace PWM pro simulaci sinusové vlny

V případech, kdy je PWM optimalizován tak, aby simuloval střídavý pulz, se výpočet pro RMS stává trochu složitým.

Vezměme si příklad následujícího PWM, který je optimalizován pro změnu jeho šířky odpovídající měnící se amplitudě nebo úrovni sinusového střídavého signálu.

Více se o tom můžete dozvědět v jednom z mých předchozích článků, kde jsem vysvětlil, jak lze IC 555 použít generování PWM výstupu ekvivalentního sinusové vlny .

Jak vidíme na obrázku výše, šířka pulzů se mění s ohledem na okamžitou úroveň sinusové vlny. Vzhledem k tomu, že sinusová vlna má tendenci dosáhnout vrcholu, odpovídající šířka pulzu se zvětší a naopak.

Pomocí SPWM

To naznačuje, že protože se úroveň napětí sinusové vlny neustále mění s časem, PWM se také mění s časem neustálým měněním jeho šířky. Takový PWM se také označuje jako SPWM nebo Sinewave Pulse Width Modulation.

Ve výše uvedeném případě tedy pulsy nejsou nikdy konstantní, spíše mění svou šířku odlišně s časem.

To dělá jeho RMS nebo výpočet průměrné hodnoty trochu složitým a nemůžeme jednoduše znásobit pracovní cyklus špičkovým napětím pro dosažení RMS.

I když je skutečný vzorec pro odvození výrazu RMS poměrně složitý, po příslušných derivacích je konečná implementace ve skutečnosti docela snadná.

Výpočet RMS napětí PWM

Tedy pro výpočet RMS proměnného napětí PWM v reakci na sinusovou vlnu lze získat vynásobením 0,7 (konstantní) špičkovým napětím.

Takže pro vrchol 9V dostaneme 9 x 0,7 = 6,3V, to je RMS napětí nebo průměrná hodnota vrcholu 9V od špičky k vrcholu PWM simulující sinusovou vlnu.

Role PWM v elektronických obvodech?

Zjistíte, že koncept PWM je v zásadě spojen s
návrhy obvodů, které zahrnují induktory, zejména topologie topologie buck, jako jsou střídače, SMPS , MPPT, LED budicí obvody atd.

Bez induktoru nemusí mít funkce PWM v daném obvodu žádnou skutečnou hodnotu nebo roli, je to proto, že pouze induktor má inherentní vlastnost transformace měnící se šířky pulzu na ekvivalentní množství zesílené (zesílené) nebo snížené (zaseknuté) napětí nebo proud, který se stává úplnou a jedinou myšlenkou technologie PWM.

Použití PWM s induktory

Abychom pochopili, jak PWM ovlivňuje výstup induktoru, pokud jde o napětí a proud, bylo by nejprve důležité naučit se, jak se induktor chová při vlivu pulzujícího napětí.

V jednom ze svých předchozích příspěvků jsem vysvětlil ohledně jak funguje buck boost obvod , toto je klasický příklad, který ukazuje, jak lze PWM nebo různé šířky pulzu použít k dimenzování výstupu induktoru.

Je dobře známo, že induktor se „přirozeně“ vždy staví proti náhlému přivedení napětí na něj a umožňuje mu procházet až po určité době v závislosti na jeho specifikacích vinutí a během tohoto procesu ukládá ekvivalentní množství energie v to.

Nyní, pokud se v průběhu výše uvedeného procesu napětí náhle vypne, induktor opět není schopen vyrovnat se s tímto náhlým zmizením aplikovaného napětí a pokusí se jej vyrovnat uvolněním uloženého proudu v něm.

Reakce induktoru na PWM

Induktor se tedy pokusí postavit proti zapnutí napětí uložením proudu a pokusí se vyrovnat v reakci na náhlé vypnutí napětí „vykopnutím“ uložené energie zpět do systému.

Tento zpětný ráz se nazývá zpětný EMF induktoru a obsah této energie (napětí, proud) bude záviset na specifikacích vinutí induktoru.

V zásadě počet závitů rozhoduje o tom, zda by EMF měl mít vyšší napětí než napájecí napětí nebo nižší než napájecí napětí, a tloušťka drátu rozhoduje o množství proudu, které induktor může poskytnout.

Existuje další aspekt výše uvedeného induktoru, kterým je načasování období zapnutí / vypnutí napětí.

To je místo, kde se použití PWM stává klíčovým.

Ačkoli počet závitů zásadně určuje výstupní hodnoty pro konkrétní, mohou se také lišit podle potřeby napájením optimalizovaného PWM do induktoru.

Prostřednictvím proměnné PWM můžeme vynutit induktor, aby generoval / převáděl napětí a proudy libovolnou požadovanou rychlostí, buď jako zvýšené napětí (snížený proud), nebo zvýšené napětí (snížené napětí) nebo naopak.

V některých aplikacích může být PWM použit i bez induktoru, například pro stmívání LED světla, nebo v časových obvodech MCU, kde může být výstup optimalizován tak, aby generoval napětí při různých zapnutí, periody vypnutí pro ovládání zátěže podle jeho zamýšlené pracovní specifikace.