Širokospeková modulácia (PWM) je metóda na konverziu signálu, ktorý mení trvanie impulzu (priestorový) a frekvencia zostáva konštantná. V angličtine je terminológia označovaná PWM (pulzná šírka modulácia). Tento článok podrobne vysvetľuje, aké je PWM, kde sa používa a ako funguje.
Oblasť použitia
S rozvojom technológie mikrokontrolérov predtým, ako PWM otvorila nové príležitosti. Tento princíp sa stal základom pre elektronické zariadenia, ktoré vyžadujú nastavenie výstupných parametrov a ich udržanie na danej úrovni. Metóda modulácie šírky impulzov sa používa na zmenu jasu svetla, rýchlosti motora a tiež pri riadení výkonového tranzistora napájacích jednotiek (BP) impulzného typu.
Modulácia s veľkým impulzom (AI) sa aktívne využíva pri konštrukcii riadiacich systémov pre jasnosť diód vyžarujúcich svetlo. Z dôvodu nízkej zotrvačnosti sa LED dióda podarí prepnúť (blikať a ochladiť) frekvenciou niekoľkých desiatok kHz. Jeho práca v impulznom režime je ľudským okom vnímaná ako trvalá žiara. Na druhej strane jas závisí od trvania impulzu (otvorený stav LED) počas jednej periódy. Ak je čas impulzu rovný času pauzy, to znamená, že faktor plnenia je 50%, potom jas LED bude polovicu nominálnej hodnoty. Vďaka popularizácii LED svietidiel pri napätí 220V vznikla otázka zvyšovania spoľahlivosti ich práce s nestabilným vstupným napätím. Roztok sa našiel vo formeuniverzálny čip - výkonový ovládač pracujúci na princípe pulznej šírky alebo impulzovej frekvencie. Schéma na základe jedného z týchto ovládačov je podrobne opísaná tu.
Vstup čipu vodiča sieťového napätia sa neustále porovnáva s vnútorným napätím obvodu, čím sa vytvára výstup PWM signálu (CHIM), ktorého parametre sú špecifikované externými rezistormi. Niektoré mikroobvody majú výstup pre analógový alebo digitálny riadiaci signál. Prevádzku impulzného ovládača možno riadiť iným konvertorom SHI. Zaujímavé je, že LED neobsahuje vysokofrekvenčné impulzy, ale prúd škrtený plynom, ktorý je povinným prvkom takýchto obvodov.
Veľké aplikácie PWM sa odrážajú na všetkých LCD panely s podsvietením LED. Bohužiaľ, pri LED monitorech, väčšina snímačov SHI pracuje so stovkou frekvencií Hertz, čo negatívne ovplyvňuje používateľov počítača.
Mikrokontrolér Arduino môže tiež pracovať v režime PIM regulátora. Ak to chcete urobiť, zavolajte na funkciu AnalogWrite (), ktorá ukazuje hodnotu v zátvorkách od 0 do 255. Nula zodpovedá 0V a 255 až 5V. Medzipriestorové hodnoty sú vypočítané v pomere k.
Rozšírené používanie zariadení podporujúcich PWM umožnilo ľudstvu uniknúť z napájacích zdrojov lineárneho transformátora. Výsledkom je zvýšenie účinnosti a zníženie hmotnosti a veľkosti zdrojov energie niekoľkokrát.
Regulátor PWM je neoddeliteľnou súčasťou moderného impulzného napájania. Spravujepráca výkonového tranzistora umiestneného v primárnom okruhu impulzného transformátora. Vzhľadom na prítomnosť spätnoväzobného obvodu je napätie na výstupe z BP vždy stabilné. Najmenšia odchýlka výstupného napätia prostredníctvom spätnej väzby je pevne stanovená čipom, ktorý okamžite koriguje impulz. Okrem toho moderný regulátor PWM rieši množstvo ďalších úloh, ktoré prispievajú k zvýšeniu spoľahlivosti zdroja:
- poskytuje režim plynulého spúšťania meniča;
- obmedzuje amplitúdu a impulz impulzov;
- riadi úroveň vstupného napätia;
- chráni pred skratom a nadmernou teplotou vypínača;
- , ak je to potrebné, umožňuje nastaviť ďalší režim.
Princíp ovládania PWM ovládača
Úlohou regulátora PWM je riadiť vypínací kľúč zmenou ovládacích impulzov. Pri prevádzke v režime klávesnice je tranzistor v jednom z dvoch stavov (úplne otvorený, úplne zatvorený). V uzavretom stave prúd cez p-n-junction nepresahuje niekoľko mA, a preto sa miera rozptylu pohybuje nulou. V otvorenom stave je napriek vysokému prúdu odpor p-n-junction príliš malý, čo tiež vedie k zanedbateľným tepelným stratám. Najväčšie množstvo tepla sa prideľuje v čase prechodu z jedného štátu do druhého. Ale kvôli malému času prechodného procesu v porovnaní s frekvenciou modulácie je strata výkonu počas prepínania zanedbateľná.
Modulácia šírky impulzov je rozdelená do dvoch typov: analógové a digitálne. Každý druh má svoje výhody a môže byť realizovaný schematicky rôznymi spôsobmi.
analógové PWM
Princíp fungovania analógového modulátora SHI je založený na porovnaní dvoch signálov, ktorých frekvencia sa líši o niekoľko objednávok. Prvkom porovnania je operačný zosilňovač (komparátor). Jeden z jeho vstupov napája špičkové napätie s vysokou konštantnou frekvenciou a na druhej strane nízke frekvenčné modulačné napätie s premennou amplitúdou. Komparátor porovnáva obe hodnoty a na výstupných formách obdĺžnikové impulzy, ktorých trvanie je určené aktuálnou hodnotou modulujúceho signálu. V tomto prípade sa frekvencia PWM rovná frekvencii signálov vo forme peľu.
digitálne PWM
Široká impulzná modulácia v digitálnej interpretácii je jednou z mnohých funkcií mikrokontroléra (MK). Pri prevádzke výlučne s digitálnymi dátami MC môže generovať na svojich výstupoch vysokú (100%) alebo nízku (0%) úroveň napätia. Avšak vo väčšine prípadov, pre efektívne riadenie záťaže, musí byť zmenené napätie na výstupe z MK. Napríklad nastavenie rýchlosti motora, zmena jasu LED. Čo mám robiť, aby som získal akúkoľvek hodnotu napätia v rozsahu od 0 do 100% na výstupe mikrokontroléra?
Problém je vyriešený použitím metódy modulačnej šírky impulzov a použitím javu opätovného vzorkovania, keď je nastavená spínacia frekvencia niekoľkonásobne väčšia ako odozva ovládaného zariadenia. Zmena impulzov mení priemernú hodnotu výstupunapätia. Spravidla sa celý proces uskutočňuje frekvenciou desiatok alebo stoviek kHz, čo umožňuje plynulú reguláciu. Z technického hľadiska sa to realizuje pomocou regulátora PWM - špecializovaného mikroobvodu, ktoré je "srdcom" každého digitálneho riadiaceho systému. Aktívne používanie regulátorov založených na PWM je spôsobené ich nepopierateľnými výhodami:
- vysokú účinnosť transformácie signálu;
- stabilita práce;
- úspora energie spotrebovanej zaťažením;
- nízke náklady;
- vysoká spoľahlivosť celého zariadenia.
Získanie záverov signálu mikrokontroléra PWM môže byť dvoma spôsobmi: hardvér a softvér. Každý MC má vstavaný časovač, ktorý je schopný vygenerovať impulzy PWM na určité závery. To sa dosiahne implementáciou hardvéru. Prijímanie signálov PWM pomocou programových príkazov má viac možností v oblasti rozlíšenia a umožňuje vám použiť viac záverov. Avšak softvérová metóda vedie k MK s vysokým zaťažením a veľa pamäte.
Treba poznamenať, že počet impulzov v digitálnom PWM sa môže počas určitého obdobia líšiť a samotné impulzy môžu byť umiestnené v akejkoľvek časti obdobia. Výstupná úroveň je určená celkovým trvaním všetkých impulzov počas daného obdobia. Malo by byť zrejmé, že každý ďalší impulz je prechod výkonového tranzistora z otvoreného stavu do uzavretého stavu, čo vedie k zvýšeniu strát pri prepínaní.
Príklad použitia PWM regulátora
Jedna z možností implementácie jednoduchého regulátora PIM užopísané skôr v tomto článku. Je založená na čipu NE555 a má malý pásik. Napriek obvodu prostaty má regulátor dosť širokú škálu aplikácií: schému na reguláciu jasu LED diód, LED pásy, nastavenie rýchlosti motora jednosmerného prúdu.
