Modulația este un proces electric neliniar în care parametrii unui semnal (purtător) sunt modificați de un alt semnal (modulator, informație). În ingineria comunicațiilor, modulația de frecvență, de amplitudine și de fază sunt utilizate pe scară largă. În electronica de putere și în tehnologia microprocesoarelor, modulația în lățime de impulsuri este din ce în ce mai frecventă.
Cuprins
Ce este PWM (Pulse Width Modulation)?
În modulația în lățime de impuls, amplitudinea, frecvența și faza semnalului original rămân neschimbate. Durata (lățimea) impulsului pătrat este influențată de semnalul de informare. În literatura tehnică engleză, este desemnată prin abrevierea PWM - pulse-width modulation.
Principiul de lucru al PWM
Semnalul modulat în lățime de impulsuri este format în două moduri:
- analogică;
- digitale.
În metoda analogică de generare PWM, un semnal purtător sub forma unui dinte de fierăstrău sau a unei forme de undă triunghiulară este alimentat la invertorul intrarea comparatoruluiiar semnalul de informare este aplicat la intrarea neinversoare a comparatorului. Dacă nivelul instantaneu al purtătoarei este mai mare decât semnalul de modulare, ieșirea comparatorului este zero, iar dacă este mai mică este unu. Ieșirea este un semnal discret cu o frecvență corespunzătoare frecvenței triunghiului purtător sau a dintelui de fierăstrău și o lungime a impulsului proporțională cu nivelul tensiunii de modulare.
Ca exemplu, este prezentată modularea lățimii impulsului unui semnal triunghiular printr-un impuls linear crescător. Durata impulsurilor de ieșire este proporțională cu nivelul semnalului de ieșire.
Controlerele PWM analogice sunt, de asemenea, disponibile sub formă de circuite integrate disponibile în comerț care conțin un comparator și circuite de generare a purtătoarei. Există intrări pentru conectarea elementelor externe de codare a frecvenței și a semnalului de informare. Ieșirea este utilizată pentru a acționa comutatoare externe puternice. Există, de asemenea, intrări de feedback pentru a menține parametrii de control setați. Acesta este cazul, de exemplu, al cipului TL494. Controlerele PWM cu comutatoare interne sunt disponibile pentru aplicații cu putere de consum relativ scăzută. Comutatorul intern al LM2596 este proiectat pentru curenți de până la 3 amperi.
Metoda digitală se realizează cu ajutorul unor cipuri specializate sau microprocesoare. Lungimea impulsului este controlată de un program intern. Multe microcontrolere, inclusiv cele mai cunoscute PIC și AVR, au un modul încorporat pentru implementarea hardware a PWM. Pentru a obține semnalul PWM este necesară activarea modulului și setarea parametrilor de funcționare a acestuia. În cazul în care nu există un astfel de modul, PWM poate fi aranjat pur prin metoda software, nu este dificil. Această metodă oferă mai multe posibilități și oferă mai multă libertate datorită utilizării flexibile a ieșirilor, dar implică mai multe resurse ale controlerului.
Caracteristicile semnalului PWM
Caracteristicile importante ale semnalului PWM sunt:
- amplitudine (U);
- frecvența (f);
- Ciclul de funcționare (S) sau factorul de umplere D.
Amplitudinea în volți este setată în funcție de sarcină. Acesta trebuie să asigure tensiunea nominală de alimentare a consumatorului.
Frecvența semnalului modulat în lățime de impulsuri se alege din următoarele considerente:
- Cu cât frecvența este mai mare, cu atât mai mare este precizia de reglare.
- Frecvența nu trebuie să fie mai mică decât timpul de răspuns al dispozitivului care este controlat cu PWM, în caz contrar va exista o ondulație notabilă în parametrul controlat.
- Cu cât frecvența este mai mare, cu atât pierderile de comutare sunt mai mari. Acest lucru se datorează faptului că timpul de comutare al cheii este finit. În starea de blocare, întreaga tensiune de alimentare cade pe elementul cheie, dar nu există aproape niciun curent. În stare deschisă, curentul de sarcină completă trece prin cheie, dar căderea de tensiune este mică, deoarece rezistența de trecere este de câțiva ohmi. În ambele cazuri, disiparea de putere este neglijabilă. Trecerea de la o stare la alta este rapidă, dar nu instantanee. În timpul procesului de deschidere-închidere, o tensiune ridicată cade pe elementul parțial deschis și, în același timp, un curent considerabil trece prin element. În acest timp, puterea disipată atinge valori ridicate. Această perioadă este scurtă și cheia nu are timp să se încălzească considerabil. Dar, pe măsură ce crește frecvența, există mai multe astfel de intervale de timp pe unitate de timp, iar pierderea de căldură crește. Prin urmare, este important să se utilizeze elemente cu acțiune rapidă în construcția cheilor.
- Atunci când se controlează un motoare frecvența trebuie să fie scoasă din gama de frecvențe lizibile pentru oameni - 25 kHz și peste. Acest lucru se datorează faptului că o frecvență de comutare mai mică are ca rezultat un zgomot de fluierat neplăcut.
Aceste cerințe sunt adesea în contradicție una cu cealaltă, astfel încât alegerea frecvenței este, în unele cazuri, un compromis.
Valoarea modulației este caracterizată de ciclul de funcționare. Deoarece rata de repetiție a impulsurilor este constantă, durata perioadei este, de asemenea, constantă (T=1/f). O perioadă este formată dintr-un impuls și o pauză, care au o durată de timp și tpauză, unde timp+tpauză=Т. Raportul este raportul dintre durata impulsului și perioadă - S=timp/T. Dar, în practică, s-a dovedit a fi mai convenabil să se utilizeze valoarea inversă - factor de umplere: D=1/S=T/t.imp.. Este și mai convenabil să se exprime factorul de umplere ca procent.
Care este diferența dintre PWM și PWM
În literatura tehnică străină nu se face nicio distincție între modularea lățimii pulsului și controlul lățimii pulsului (PWM). Experții ruși încearcă să distingă aceste concepte. De fapt, PWM este un tip de modulație, adică modificarea semnalului purtător sub influența unui alt semnal modulator. Semnalul purtător acționează ca un purtător de informații, iar semnalul de modulare stabilește aceste informații. Iar controlul lățimii impulsurilor este reglarea modului de încărcare prin intermediul PWM.
Motive și aplicații pentru PWM
Principiul de modulare a lățimii pulsului este utilizat în Controlul turației pentru motoare de inducție de mare putere. În acest caz, se generează un semnal modulator de frecvență variabilă (monofazat sau trifazat) cu ajutorul unui generator de undă sinusoidală de mică putere și se suprapune purtătoarei în mod analogic. Ieșirea este un semnal PWM care este transmis către cheile de cerere de putere. Secvența de impulsuri rezultată poate fi apoi trecută printr-un filtru trece-jos, de exemplu, un simplu lanț RC, iar unda sinusoidală originală poate fi extrasă. Sau puteți renunța la el - filtrarea se va produce în mod natural datorită inerției motorului. Evident, cu cât frecvența purtătoarei este mai mare, cu atât forma de undă de ieșire este mai apropiată de sinusoida originală.
Se pune o întrebare firească - de ce nu poate fi amplificat semnalul oscilatorului deodată, de exemplu, folosind tranzistoare de mare putere? Deoarece elementul de reglare, care funcționează în mod liniar, va redistribui puterea între sarcină și comutator. Acest lucru va face ca o mare cantitate de energie să fie irosită pe elementul cheie. Dacă, pe de altă parte, un element de reglare de mare putere funcționează în modul cheie (trinistor, triac, tranzistor RGBT), puterea este distribuită în timp. Pierderile vor fi mult mai mici, iar eficiența va fi mult mai mare.
În tehnologia digitală, nu există o alternativă deosebită la controlul lățimii impulsurilor. Amplitudinea semnalului este constantă, iar tensiunea și curentul pot fi modificate numai prin modularea lățimii impulsului purtător și, ulterior, prin calcularea mediei acestuia. Prin urmare, PWM este utilizat pentru controlul tensiunii și curentului în aplicații care pot calcula media semnalului de impuls. Calcularea mediei se realizează în diferite moduri:
- Prin inerția sarcinii. De exemplu, inerția termică a încălzitoarelor termoelectrice și a lămpilor cu incandescență permite obiectelor reglementate să nu se răcească în mod vizibil în pauzele dintre impulsuri.
- Din cauza inerției percepției. Un LED se aprinde de la un impuls la altul, dar ochiul uman nu observă acest lucru și percepe ca pe o strălucire constantă cu intensități variabile. Acest principiu este utilizat pentru a controla luminozitatea punctelor LED. Dar câteva sute de hertzi de clipiri imperceptibile sunt încă prezente și provoacă oboseala ochilor.
- Din cauza inerției mecanice. Această proprietate este utilizată în controlul motoarelor cu colector de curent continuu. Cu o frecvență de control corectă, motorul nu are timp să se blocheze în pauzele de timp mort.
Prin urmare, se utilizează PWM în cazul în care valoarea medie a tensiunii sau a curentului joacă un rol decisiv. În plus față de cazurile comune menționate mai sus, metoda PWM reglează curentul mediu în mașinile de sudură și în încărcătoarele de baterii etc.
În cazul în care nu este posibilă medierea naturală, în multe cazuri acest rol poate fi asumat de filtrul trece-jos deja menționat (LPF) sub forma unui lanț RC. În scopuri practice, acest lucru este suficient, dar trebuie să se înțeleagă că este imposibil să se separe semnalul original de PWM cu un LPF fără distorsiune. La urma urmei, spectrul PWM conține un număr infinit de armonici, care se vor încadra inevitabil în lățimea de bandă a filtrului. Așadar, nu vă faceți iluzii cu privire la forma sinusoidei reconstruite.
Controlul PWM al unui LED RGB este foarte eficient și eficace. Acest dispozitiv are trei joncțiuni p-n - roșu, albastru și verde. Prin variația luminozității fiecărui canal în parte, se poate obține aproape orice culoare de LED (cu excepția albului pur). Posibilitățile de a crea efecte de iluminare cu PWM sunt infinite.
Cea mai comună aplicație pentru un semnal digital modulat PWM este controlul curentului sau tensiunii medii care trece printr-o sarcină. Dar este posibilă și utilizarea acestui tip de modulare în moduri neconvenționale. Totul depinde de imaginația designerului.
Articole conexe:
