Какво е ШИМ, как да го измерим

PWM означава модулация с широчина на импулса, което означава променливия характер на широчината на импулса, която може да бъде генерирана от определен източник като дискретна интегрална схема, MCU или транзисторизирана верига.

Какво е ШИМ

С прости думи, PWM процесът не е нищо друго освен включване и изключване на захранващо напрежение с определена скорост с различни съотношения на времето за включване / изключване, тук дължината на включване на напрежението на превключвателя може да бъде по-голяма, по-малка или равна на дължината на изключване.

Например ШИМ може да се състои от напрежение, фиксирано за включване и изключване със скорост 2 секунди ON 1 секунда OFF, 1 секунда ON 2 секунди OFF или 1 секунда ON, 1 секунда OFF.

Когато тази честота на включване / изключване на захранващото напрежение е оптимизирана по различен начин, ние казваме, че напрежението е модулирано с ШИМ или широчина на импулса.

Всички вие трябва вече да сте запознати с това как постоянен постоянен потенциал на постоянен ток се появява на времевата графика на напрежението v / s, както е показано по-долу:

На горното изображение можем да видим права линия на ниво 9V, това се постига, защото нивото 9V не се променя по отношение на времето и следователно сме в състояние да станем свидетели на права линия.

Сега, ако това 9V е включено и изключено след всяка 1 секунда, тогава горната графика ще изглежда така:

Ясно виждаме, че сега 9V линията вече не е праволинейна под формата на блокове след всяка 1 секунда, тъй като 9V се включва и изключва след всяка секунда последователно.

Горните следи изглеждат като правоъгълни блокове, защото когато 9V е включен и изключен, операциите са незабавни, което внезапно кара 9V да премине към нулево ниво и след това внезапно до ниво 9V, като по този начин образува правоъгълните форми на графиката.

Горното условие поражда пулсиращо напрежение, което има два параметъра, които трябва да бъдат измерени, а именно: върховото напрежение и средното напрежение или средно ефективното напрежение.

Пиково и средно напрежение

На първото изображение пиковото напрежение очевидно е 9V, а средното напрежение също е 9V, просто защото напрежението е постоянно, без никакви прекъсвания.

Въпреки това във второто изображение, въпреки че напрежението е включено / изключено със скорост 1 Hz (1 секунда ON, 1 секунда OFF), пикът все още ще бъде равен на 9V, тъй като пикът винаги достига отметката 9V през периодите на включване. Но средното напрежение тук не е 9V, а по-скоро 4,5V, тъй като превключването и прекъсването на напрежението се извършва с 50% скорост.

В дискусиите за ШИМ тази степен на включване / изключване се нарича работен цикъл на ШИМ, следователно в горния случай това е 50% работен цикъл.

Когато измервате ШИМ с цифров мултицет на постоянен ток, винаги ще получавате средната стойност на показанията на измервателния уред.

Новите любители често се бъркат с това четене и го приемат като пикова стойност, което е напълно погрешно.

Както е обяснено по-горе, пиковата стойност на ШИМ ще бъде най-вече равна на захранващото напрежение, подавано към веригата, докато средната воланта на измервателния уред ще бъде средната за периодите на включване / изключване на ШИМ.

Превключване на Mosfet с ШИМ

Така че, ако превключвате MOSFET с ШИМ и откриете, че напрежението на порта е, да речем например 3V, не се паникьосвайте, тъй като това може да е само средното напрежение, посочено от измервателния уред, пиковото напрежение може да бъде толкова високо, колкото захранването на вашата верига волтаж.

Следователно би могло да се очаква, че MOSFET провежда добре и изцяло през тези пикови стойности и средното напрежение ще влияе само на периода на проводимост, а не на превключващите характеристики на устройството.

Както обсъждахме в предишните раздели, ШИМ основно включва променливите на широчината на импулса, с други думи периодите на включване и изключване на постояннотока.

Да кажем например, че искате PWM изход с време за включване, което е 50% по-малко от това за времето за включване.

Нека приемем, че избраното от вас време за включване е 1/2 секунда, тогава времето за изключване ще бъде равно на 1 секунда, което ще доведе до работен цикъл от 1/2 секунди включване и 1 секунда изключване, както може да се види на следващата диаграма .

Анализиране на работния цикъл на ШИМ

В този пример ШИМ са оптимизирани да произвеждат пиково напрежение от 9V, но средно напрежение от 3.15V, тъй като времето за включване е само 35% от един пълен пълен цикъл на включване / изключване.

Един пълен цикъл се отнася до периода от време, който позволява на дадения импулс да завърши едно пълно време за включване и едно време за изключване.

По същия начин някой може да възнамерява да оптимизира широчината на импулса на честота със следните данни:

Тук времето за включване може да се види увеличено от времето за изключване с 65% за един пълен цикъл, следователно тук средната стойност на напрежението става 5.85V.

Обсъденото по-горе средно напрежение се нарича също RMS или средно-квадратната стойност на напрежението.

Тъй като това са всички правоъгълни или квадратни импулси, RMS може да се изчисли просто като се умножи процентът на работния цикъл с пиковото напрежение.

Оптимизиране на ШИМ за симулиране на синусоида

Въпреки това, в случаите, когато ШИМ е оптимизиран да симулира променлив импулс, изчислението за RMS става малко сложно.

Нека вземем примера на следващия ШИМ, който е оптимизиран да варира своята ширина, съответстваща на променящата се амплитуда или нивото на синусоидален променлив сигнал.

Можете да научите повече за това чрез една от предишните ми статии, където обясних как може да се използва IC 555 генериране на синусоидален еквивалент на ШИМ изход .

Както виждаме на горното изображение, широчината на импулсите се променя по отношение на моментното ниво на синусоида. Тъй като синусоидалната вълна има тенденция да достигне пика, съответната ширина на импулса става по-широка и обратно.

Използване на SPWM

Това показва, че тъй като нивото на синусоидално напрежение постоянно се променя с времето, ШИМ също се променят с времето, като постоянно променят неговите ширини. Такава ШИМ се нарича също SPWM или Sinewave Pulse Width Modulation.

По този начин в горния случай импулсите никога не са постоянни, а променят ширината си по различен начин с времето.

Това прави неговата RMS или изчислението на средната стойност малко сложна и ние не можем просто да умножим работния цикъл с върховото напрежение тук за постигане на RMS.

Въпреки че действителната формула за извеждане на RMS израза е доста сложна, след подходящи деривации окончателното изпълнение всъщност става доста лесно.

Изчисляване на RMS напрежение на ШИМ

По този начин за изчисляване на RMS на променливо ШИМ напрежение в отговор на синусоида може да се получи чрез умножаване на 0.7 (константа) с пиковото напрежение.

Така че за 9V пик получаваме 9 x 0.7 = 6.3V, това е RMS напрежението или средната стойност на 9V пик до пик PWM, симулиращ синусоида.

Роля на ШИМ в електронни схеми?

Ще откриете, че концепцията за ШИМ е свързана по същество с
конструкции на вериги, които включват индуктори, особено топологии за увеличаване на долара, като инвертори, ДЗПО , MPPT, LED схеми на драйвер и т.н.

Без индуктор PWM функция може да няма реална стойност или роля в дадена верига, това е така, защото само индуктор има присъщата характеристика на трансформиране на променлива широчина на импулса в еквивалентно количество засилено (усилено) или отстъпено (повдигнато) напрежение или ток, което се превръща в цялостна и единствена идея на ШИМ технология.

Използване на ШИМ с индуктори

За да разберем как ШИМ влияе върху изхода на индуктор по отношение на напрежение и ток, първо ще е важно да научим как се държи индуктор в влиянието на пулсиращо напрежение.

В един от предишните си постове обясних относно как работи веригата за повишаване на долара , това е класически пример, за да се демонстрира как ШИМ или променлива ширина на импулса могат да се използват за оразмеряване на изход на индуктор.

Добре известно е, че по „природа“ индукторът винаги се противопоставя на внезапно прилагане на напрежение върху него и му позволява да премине само след определен период от време в зависимост от неговите характеристики на навиване и по време на този процес той съхранява еквивалентно количество енергия в то.

Сега, ако в хода на горния процес напрежението внезапно се изключи, индукторът отново не може да се справи с това внезапно изчезване на приложеното напрежение и се опитва да го балансира, като освободи запазения ток в него.

Реакция на индуктора към ШИМ

По този начин индуктор ще се опита да се противопостави на включването на напрежението чрез запаметяване на ток и ще се опита да изравни в отговор на внезапно изключване на напрежението, като 'изрита' съхранената енергия обратно в системата.

Този удар назад се нарича задна ЕМП на индуктор и съдържанието на тази енергия (напрежение, ток) ще зависи от характеристиките на намотката на индуктора.

По принцип броят на завъртанията решава дали ЕМП трябва да бъде с по-високо напрежение от захранващото напрежение или по-ниско от захранващото напрежение, а дебелината на проводника решава количеството ток, което индукторът може да направи.

Има още един аспект на горния индуктор, който е времето на периодите на включване / изключване на напрежението.

Ето къде използването на ШИМ става от решаващо значение.

Въпреки че броят на завъртанията фундаментално определя изходните стойности за конкретен, те също могат да варират по желание чрез подаване на оптимизиран ШИМ в индуктор.

Чрез променлива ШИМ можем да принудим индуктор да генерира / преобразува напрежения и токове с всяка желана скорост, или като засилено напрежение (намален ток), или засилен ток (намалено напрежение) или обратно.

В някои приложения PWM може да се използва дори без индуктор, например за затъмняване на LED светлина, или в схеми на таймера на MCU, където изходът може да бъде оптимизиран за генериране на напрежение при различно включване, изключване на периоди за контролиране на товара според предвидените работни спецификации.