Модулация на широчината на импулса (PWM)

Използване на ШИМ като комутационна техника

Модулацията на широчината на импулса (PWM) е често използвана техника за общо управление на постояннотоковото захранване към електрическо устройство, практична от съвременните електронни превключватели на захранването. Той обаче намира своето място и в хеликоптерите с променлив ток. Средната стойност на тока, подаван към товара, се контролира от положението на превключвателя и продължителността на неговото състояние. Ако периодът на включване на превключвателя е по-дълъг в сравнение с неговия период на изключване, натоварването получава сравнително по-висока мощност. По този начин честотата на превключване на ШИМ трябва да бъде по-бърза.

Обикновено превключването трябва да се извършва няколко пъти в минута в електрическа печка, 120 Hz в димер на лампата, от няколко килохерца (kHz) на десетки kHz за моторно задвижване. Честотата на превключване за аудио усилватели и компютърни захранвания е около десет до стотици kHz. Съотношението на времето за включване към периода на импулса е известно като работен цикъл. Ако работният цикъл е нисък, това означава ниска мощност.

Загубата на мощност в комутационното устройство е много ниска, поради почти незначително количество ток, протичащ в изключено състояние на устройството, и незначително количество спад на напрежението в неговото изключено състояние. Цифровите контроли също използват техника ШИМ. ШИМ се използва и в определени комуникационни системи, където неговият работен цикъл е използван за предаване на информация по комуникационен канал.

ШИМ може да се използва за регулиране на общото количество мощност, доставена на товар, без загуби, които обикновено възникват, когато преносът на мощност е ограничен с резистивни средства. Недостатъците са пулсациите, определени от работния цикъл, честотата на превключване и свойствата на товара. С достатъчно висока честота на превключване и, когато е необходимо, с използване на допълнителни пасивни електронни филтри, импулсният механизъм може да се изглади и да се възстанови средната аналогова форма на вълната. Високочестотните ШИМ системи за управление могат лесно да бъдат внедрени с помощта на полупроводникови превключватели.

Както вече беше посочено по-горе, почти никаква мощност не се разсейва от превключвателя в състояние на включване или изключване. Въпреки това, по време на преходи между състояния на включване и изключване, както напрежението, така и токът са ненулеви и по този начин значителната мощност се разсейва в ключовете. За щастие, промяната на състоянието между напълно включено и напълно изключено е доста бърза (обикновено по-малко от 100 наносекунди) спрямо типичното време за включване или изключване, така че средното разсейване на мощността е доста ниско в сравнение с мощността, доставяна дори при високи честоти на превключване са използвани.

Използване на ШИМ за доставяне на постоянна мощност за зареждане

По-голямата част от индустриалния процес изисква да се изпълнява по определени параметри, когато става въпрос за скоростта на задвижването. Електрическите задвижващи системи, използвани в много индустриални приложения, изискват по-висока производителност, надеждност и променлива скорост поради лекотата на управление. The контрол на скоростта на DC мотор е важен в приложения, където прецизността и защитата са от съществено значение. Предназначението на регулатора на скоростта на двигателя е да приема сигнал, представляващ необходимата скорост, и да задвижва двигател с тази скорост.

Широко-импулсната модулация (PWM), както се отнася за управлението на двигателя, е начин за доставяне на енергия чрез последователност от импулси, а не непрекъснато променлив (аналогов) сигнал. Чрез увеличаване или намаляване на широчината на импулса, контролерът регулира енергийния поток към вала на двигателя. Собствената индуктивност на двигателя действа като филтър, съхраняващ енергия по време на цикъла “ON”, докато я освобождава със скорост, съответстваща на входния или референтния сигнал. С други думи, енергията се влива в товара не толкова с честотата на превключване, а с референтната честота.

Веригата се използва за контрол на скоростта на DC мотор чрез използване на ШИМ техника. Серийният контролер на DC с променлива скорост 12V използва 555 IC таймер като PWM генератор на импулси за регулиране на скоростта на двигателя DC12 Volt. IC 555 е популярният таймерен чип, използван за изработване на таймерни вериги. Представен е през 1972 г. от Signetics. Нарича се 555, защото вътре има три 5 K резистора. IC се състои от два компаратора, резисторна верига, тригер и изходен каскад. Той работи в 3 основни режима - Astable, Monostable (където действа генератор на един изстрел и импулсен режим. Тоест, когато се задейства, изходът се повишава за период, базиран на стойностите на синхронизиращия резистор и кондензатор. В В стабилен режим (AMV), IC работи като свободно работещ мултивибратор. Изходът непрекъснато се превръща в висок и нисък, за да даде пулсиращ изход като осцилатор. или ниска мощност на всеки спусък и нулиране.

В тази схема се използва IRF540 MOSFET. Това е подобрение на N-канала MOSFET. Това е усъвършенстван MOSFET с мощност, проектиран, тестван и гарантирано издържащ на определено ниво на енергия в режима на работа на лавината при разбивка. Този силов MOSFET е предназначен за приложения като превключващи регулатори, превключващи преобразуватели, двигателни драйвери, релейни драйвери и драйвери за биполярни превключващи транзистори с висока мощност, изискващи висока скорост и ниска мощност на задвижване. Тези типове могат да се управляват директно от интегрални схеми. Работното напрежение на тази верига може да се регулира според нуждите на задвижвания постояннотоков двигател. Тази схема може да работи от 5-18VDC.

Над веригата т.е. Контрол на скоростта на постояннотоковия двигател чрез ШИМ техниката променя работния цикъл, който от своя страна контролира скоростта на двигателя. IC 555 е свързан в нестабилен режим на свободно работещ мулти вибратор. Веригата се състои от разположение на потенциометър и два диода, което се използва за промяна на работния цикъл и поддържане на честотата постоянна. Тъй като съпротивлението на променливия резистор или потенциометър варира, работният цикъл на импулсите, приложени към MOSFET, варира и съответно постояннотоковата мощност към двигателя варира и по този начин неговата скорост се увеличава с увеличаване на работния цикъл.

Използване на ШИМ за доставяне на променливотоково захранване

Съвременните полупроводникови превключватели като MOSFET или биполярни транзистори с изолирана порта (IGBT) са съвсем идеални компоненти. По този начин могат да бъдат изградени високоефективни контролери. Обикновено честотните преобразуватели, използвани за управление на двигатели с променлив ток, имат ефективност, по-добра от 98%. Импулсните захранвания имат по-ниска ефективност поради ниските нива на изходно напрежение (често са необходими дори по-малко от 2 V за микропроцесори), но все пак може да се постигне повече от 70-80% ефективност.

Този вид контрол за променлив ток е метод, известен с отложен ъгъл на стрелба. Той е по-евтин и генерира много електрически шум и хармоници в сравнение с реалния ШИМ контрол, който създава незначителен шум.

В много приложения, като промишлено отопление, управление на осветлението, асинхронни двигатели с плавно стартиране и регулатори на скоростта за вентилатори и помпи се изисква променливо напрежение от постоянен променлив източник. За тези изисквания широко се използва управлението на фазовия ъгъл на регулаторите. Той предлага някои предимства като простота и способност за икономично управление на голямо количество енергия. Въпреки това, забавеният ъгъл на изстрелване причинява прекъсване и изобилие от хармоници в тока на натоварване и фактор на изоставаща мощност възниква от страната на променлив ток, когато ъгълът на стрелба се увеличи.

Тези проблеми могат да бъдат подобрени чрез използване на ШИМ променлив чопър. Този PWM AC хеликоптер предлага няколко предимства като синусоидален входен ток с фактор на мощността почти единица. За да намалите размера на филтъра и да подобрите качеството на изходния регулатор, честотата на превключване трябва да се увеличи. Това причинява голяма загуба на превключване. Друг проблем е комутацията между предавателния превключвател S1 с превключвателя за свободен ход S2. Той причинява скок на тока, ако и двата превключвателя са включени едновременно (късо съединение), и скок на напрежението, ако и двата превключвателя са изключени (без свободен път). За да се избегнат тези проблеми, бяха използвани RC снубер. Това обаче увеличава загубата на мощност във веригата и е трудно, скъпо, обемисто и неефективно за приложения с висока мощност. Предлага се променливотоков чопър с превключване на напрежение с нулев ток (ZCS-ZVS). Неговият регулатор на изходното напрежение трябва да варира времето за изключване, контролирано от ШИМ сигнал. По този начин е необходимо да се използва честотен контрол, за да се постигне меко превключване, а общите системи за управление използват PWM техниките, произвеждащи време за включване. Тази техника има предимства като просто управление със сигма-делта модулация и продължава входния ток. Характеристиките на предложената конфигурация на веригата и нарязаните шаблони с ШИМ са представени по-долу.