Modulace Wide-Pulse (PWM) je metoda pro konverzi signálu, který mění délku impulsu (prostorový) a frekvence zůstává konstantní. V angličtině je terminologie označována PWM (puls-width modulation). Tento článek podrobně vysvětluje, jaká je PWM, kde se používá a jak funguje.
Oblast použití
S vývojem technologie mikrokontroléru předtím, než PWM otevřela nové příležitosti. Tento princip se stal základem pro elektronická zařízení, která vyžadují jak úpravu výstupních parametrů, tak jejich udržování na dané úrovni. Metoda modulace šířky impulsu se používá ke změně jasu světla, rychlosti motoru a také k ovládání výkonového tranzistoru napájecích jednotek (BP) pulsního typu.
Modulace s širokým impulsem (AI) se aktivně využívá při konstrukci řídících systémů pro jas světelných diod. Díky nízké setrvačnosti se LED dioda přepne (blesk a uhasit) frekvencí několika desítek kHz. Jeho práce v impulsním režimu je lidským okem vnímána jako trvalá záře. Na druhou stranu jas závisí na délce impulsu (otevřený stav LED) během jedné doby. Pokud je doba impulzu rovna době pauzy, tj. Činitel plnění je 50%, pak bude světlost LED poloviny nominální hodnoty. S popularizací LED svítidel na 220 V se objevila otázka zvyšování spolehlivosti jejich práce s nestabilním vstupním napětím. Roztok byl nalezen ve forměuniverzální čip - výkonový řidič pracující na principu impulzní šířky nebo impulzní kmitočtové modulace. Schéma na základě jednoho z těchto ovladačů je podrobně popsáno zde.
Vstup čipu řidiče síťového napětí se neustále porovnává s vnitřním napětím obvodu, který tvoří výstup PWM signálu (CHIM), jehož parametry jsou specifikovány externími rezistory. Některé mikroobvody mají výstup pro analogový nebo digitální řídící signál. Tak může být ovládání impulzního ovladače ovládáno jiným převodníkem SHI. Zajímavé je, že LED neobdrží vysokofrekvenční impulsy, ale proud se škrtí plynule, což je povinný prvek takových obvodů.
Velkoplošné použití PWM se odráží ve všech LCD panelech s podsvícením LED. Bohužel u LED monitorů pracuje většina snímačů SHI na frekvenci sto hertzů, která negativně ovlivňuje uživatele PC.
Mikrokontrolér Arduino může také pracovat v režimu PIM regulátoru. Chcete-li to provést, zavolejte funkci AnalogWrite () a označte hodnotu v závorkách od 0 do 255. Nula odpovídá 0V a 255 až 5V. Mezilehlá hodnoty jsou vypočteny v poměru k.
Široké používání zařízení podporujících PWM umožnilo lidstvu uniknout z napájecích zdrojů lineárního transformátoru. Výsledkem je zvýšení účinnosti a snížení množství a velikosti zdrojů napájení několikrát.
Regulátor PWM je nedílnou součástí moderního pulzního napájecího zdroje. Spravujepráce výkonového tranzistoru umístěného v primárním okruhu impulzního transformátoru. Vzhledem k přítomnosti zpětnovazebního obvodu je napětí na výstupu BP vždy stabilní. Sebemenší odchylka výstupního napětí přes zpětnou vazbu pevnou čip, který okamžitě opravuje poréznost impulsy. Navíc, moderní PWM regulátor řeší řadu dalších úkolů, které zlepšují spolehlivost napájení
- poskytuje režim hladkého spouštění konvertoru;
- omezuje amplitudu a impulsy;
- řídí úroveň vstupního napětí;
- chrání proti zkratu a překročení teploty vypínacího klíče;
- umožňuje v případě potřeby nastavit další režim.
Princip řízení PWM regulátoru
Úkolem regulátoru PWM je řídit vypínací klíč změnou ovládacích impulzů. Práce v klíčových režimu tranzistoru je v jednom ze dvou stavů (zcela otevřená, zcela uzavřený). V zavřeném stavu, proud přes p-n-přechodu nepřesahuje několik uA, a tím i ztráty výkonu blíží nule. V otevřeném stavu, a to navzdory velké proud, odpor p-n-tah příliš málo, což rovněž vede k menším tepelným ztrátám. Nejvyšší množství tepla je přiděleno v okamžiku přechodu z jednoho státu do druhého. Avšak v době, kdy malé přechodu ve srovnání s kmitočtovou modulací, ztráta přepínání napájení, je zanedbatelná.
Modulace šířky impulsu je rozdělena na dva typy: analogové a digitální. Každý druh má své výhody a může být implementován schematicky různými způsoby.
analogové PWM
Princip fungování analogového SHI modulátoru je založen na porovnání dvou signálů, jejichž frekvence se mění podle několika objednávek. Prvek srovnání je operační zesilovač (komparátor). Jeden z jeho vstupů je napájen špičkovým napětím s vysokou konstantní frekvencí a na druhé straně nízkofrekvenčním modulujícím napětím s proměnnou amplitudou. Komparátor porovnává obě hodnoty a na výstupních tvarech obdélníkové impulsy, jejichž trvání je určeno aktuální hodnotou modulujícího signálu. V tomto případě se frekvence PWM rovná frekvenci signálu formy pylů.
digitální PWM
Širokopásmová modulace v digitální interpretaci je jednou z mnoha funkcí mikrokontroléru (MK). Při provozu výlučně s digitálními daty může MC na svých výstupech generovat buď vysokou (100%) nebo nízkou (0%) úroveň napětí. Ovšem ve většině případů je nutné pro účinné řízení zatížení měnit napětí na výstupu MK. Například nastavení rychlosti motoru, změna jasu LED. Co udělat pro získání jakékoliv hodnoty napětí v rozsahu 0 až 100% na výstupu mikrokontroléru?
Problém je vyřešen aplikací metody modulace šířky impulzů a použitím fenoménu převzorkování, když je nastavená spínací frekvence několikanásobně větší než odezva řízeného zařízení. Změna impulsu mění průměrnou hodnotu výstupunapětí Celý proces se zpravidla provádí frekvencí desítek nebo stovek kHz, což umožňuje hladkou regulaci. Technicky je to realizováno pomocí regulátoru PWM - specializovaného mikroobvodu, který je "srdcem" jakéhokoli digitálního řídícího systému. Aktivní využití regulátorů založených na PWM je způsobeno jejich nespornými výhodami:
- vysoká účinnost transformace signálu;
- stabilita práce;
- úspora energie spotřebované zátěží;
- nízké náklady;
- vysoká spolehlivost celého zařízení.
Získání závěrů signálu mikrokontroléru PWM může být provedeno dvěma způsoby: hardware a software. Každý MC má vestavěný časovač, který je schopen generovat pulsy PWM na základě určitých závěrů. Toho je dosaženo implementací hardwaru. Příjem signálů PWM pomocí příkazů programu má více možností, pokud jde o rozlišení, a umožňuje použít více závěrů. Metoda softwaru však vede k vysokorychlostnímu MK a vyžaduje spoustu paměti.
Je třeba poznamenat, že počet impulzů v digitálním PWM po určitou dobu může být odlišný a samotné impulzy mohou být umístěny v jakékoli části období. Výstupní úroveň je určena celkovým trváním všech impulsů v daném období. Mělo by být zřejmé, že každý další impuls je přechod výkonového tranzistoru z otevřeného stavu do uzavřeného stavu, což vede ke zvýšení ztrát při přepínání.
Příklad použití PWM regulátoru
Jedna z možností implementace jednoduchého regulátoru PIM jižpopsané dříve v tomto článku. Je založen na čipu NE555 a má malý popruh. Ovšem přes prostatový obvod má regulátor poměrně širokou škálu aplikací: schéma pro řízení jasu LED, LED pásky, nastavení rychlosti motorů stejnosměrného proudu.