Modulácia šírky impulzu

PWM alebo PWM (Pulse Width Modulation) je spôsob riadenia napájania záťaže. Riadenie spočíva v zmene trvania impulzu pri konštantnej frekvencii opakovania impulzov. Modulácia šírky impulzu je dostupná v analógovej, digitálnej, binárnej a ternárnej verzii.

Použitie pulzno-šírkovej modulácie umožňuje zvýšiť účinnosť elektrických meničov, najmä pre impulzné meniče, ktoré dnes tvoria základ sekundárnych napájacích zdrojov pre rôzne elektronické zariadenia. Flyback a forward single, push-pull a half-bridge, ako aj mostíkové spínacie meniče sú dnes riadené za účasti PWM, to platí aj pre rezonančné meniče.

Modulácia šírky impulzu umožňuje nastaviť jas podsvietenia displejov z tekutých kryštálov mobilných telefónov, smartfónov, notebookov. PWM je implementovaný v zváracie stroje, v meničoch áut, v nabíjačkách a pod.. Každá nabíjačka dnes pri svojej prevádzke využíva PWM.

Ako spínacie prvky v moderných vysokofrekvenčných meničoch sa používajú bipolárne tranzistory a tranzistory s efektom poľa. To znamená, že časť periódy je tranzistor úplne otvorený a časť periódy je úplne zatvorený.

A keďže v prechodných stavoch trvajúcich len desiatky nanosekúnd je výkon uvoľnený spínačom v porovnaní so spínaným výkonom malý, v dôsledku toho sa priemerný výkon uvoľnený vo forme tepla na spínači ukazuje ako zanedbateľný. V tomto prípade je v zatvorenom stave odpor tranzistora ako spínača veľmi malý a pokles napätia na ňom sa blíži k nule.

V otvorenom stave je vodivosť tranzistora blízka nule a prúd ním prakticky netečie. To umožňuje vytvárať kompaktné meniče s vysokou účinnosťou, to znamená s nízkymi tepelnými stratami. Rezonančné meniče ZCS (Zero Current Switching) minimalizujú tieto straty.

V generátoroch analógového typu PWM je riadiaci signál generovaný analógovým komparátorom, keď je na invertujúci vstup komparátora privedený napríklad trojuholníkový alebo triódový signál a na neinvertujúci vstup je privedený modulačný spojitý signál.

Prijímajú sa výstupné impulzy pravouhlýich opakovacia frekvencia sa rovná frekvencii píly (alebo trojuholníkového tvaru vlny) a trvanie kladnej časti impulzu súvisí s časom, počas ktorého úroveň modulačného jednosmerného signálu privádzaného na neinvertujúci vstup komparátor je vyšší ako úroveň signálu píly, ktorý sa privádza na invertujúci vstup.Keď je napätie píly vyššie ako modulačný signál, výstup bude zápornou časťou impulzu.

Ak je píla privedená na neinvertujúci vstup komparátora a modulačný signál je privedený na invertujúci, výstupné impulzy s pravouhlou vlnou budú mať kladnú hodnotu, keď je napätie píly vyššie ako hodnota modulačného signálu. aplikovaný na invertujúci vstup a záporný - keď je napätie píly nižšie ako modulačný signál. Príkladom analógovej generácie PWM je čip TL494, ktorý je dnes široko používaný pri konštrukcii spínaných zdrojov.

Digitálne PWM sa používa v binárnej digitálnej technológii. Výstupné impulzy tiež nadobúdajú iba jednu z dvoch hodnôt (zapnuté alebo vypnuté) a priemerná výstupná úroveň sa blíži k požadovanej hodnote. Tu sa pílový signál získava pomocou N-bitového počítadla.

Digitálne zariadenia PWM tiež pracujú na konštantnej frekvencii, ktorá nevyhnutne prekračuje čas odozvy riadeného zariadenia, tento prístup sa nazýva oversampling. Medzi hodinovými hranami zostáva digitálny PWM výstup stabilný, vysoký alebo nízky, v závislosti od aktuálneho stavu výstupu digitálneho komparátora, ktorý porovnáva úrovne signálu počítadla a približného digitálneho.

Výstup je taktovaný ako sekvencia impulzov so stavmi 1 a 0, pričom každý stav hodín môže alebo nemusí byť obrátený. Frekvencia impulzov je úmerná úrovni približujúceho sa signálu a následné jednotky môžu vytvárať širší, dlhší impulz.

Výsledné impulzy s premennou šírkou budú násobky periódy hodín a frekvencia sa bude rovnať 1/2NT, kde T je hodinová perióda, N je počet hodinových cyklov. Tu je možné dosiahnuť nižšiu frekvenciu z hľadiska frekvencie hodín. Opísaná schéma digitálneho generovania je jednobitová alebo dvojúrovňová PWM, pulzne kódovaná PCM modulácia.

Táto dvojstupňová pulzne kódovaná modulácia je v podstate sekvencia impulzov s frekvenciou 1/T a šírkou T alebo 0. Oversampling sa používa na priemerovanie za dlhšie časové obdobie. Vysokokvalitné PWM sa dosahuje jednobitovou pulznou hustotou moduláciou, nazývanou aj pulznofrekvenčná modulácia.

Pri digitálnej pulzovo-šírkovej modulácii sa pravouhlé subpulzy, ktoré vypĺňajú periódu, môžu objaviť kdekoľvek v perióde a potom už len ich počet ovplyvňuje priemernú hodnotu signálu za periódu. Ak teda periódu rozdelíme na 8 častí, tak kombinácie impulzov 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 atď. poskytne rovnaký priemer periódy, ale jednotlivé jednotky spôsobia, že pracovný cyklus kľúčového tranzistora bude ťažší.

Svetlá elektroniky, keď hovoríme o PWM, poskytujú podobnú analógiu s mechanikou. Ak otočíte ťažkým zotrvačníkom s motorom po tom, čo je možné motor zapnúť alebo vypnúť, zotrvačník sa buď roztočí a bude sa točiť ďalej, alebo sa zastaví v dôsledku trenia, keď je motor vypnutý.

Ak sa však motor zapne na niekoľko sekúnd za minútu, rotácia zotrvačníka sa udrží v dôsledku zotrvačnosti pri určitej rýchlosti. A čím dlhšie je motor zapnutý, tým vyššia je rýchlosť otáčania zotrvačníka.Takže pri PWM prichádza na výstup signál zapnutia a vypnutia (0 a 1) a výsledkom je priemerná hodnota. Integráciou napätia impulzov v čase získame plochu pod impulzmi a účinok na pracovné telo bude rovnaký ako pri práci s priemernou hodnotou napätia.

Takto fungujú prevodníky, kde dochádza k prepínaniu tisíckrát za sekundu a frekvencie dosahujú jednotky megahertzov. Špeciálne regulátory PWM sa široko používajú na ovládanie predradníkov energeticky úsporných žiaroviek, napájacích zdrojov, frekvenčné meniče pre motory atď.

Pomer celkového trvania periódy impulzu k dobe zapnutia (kladná časť impulzu) sa nazýva pracovný cyklus. Ak je teda čas zapnutia 10 μs a perióda trvá 100 μs, potom pri frekvencii 10 kHz bude pracovný cyklus 10 a píšu, že S = 10. Obrátený pracovný cyklus sa nazýva clona cyklus, po anglicky Duty cycle alebo skrátene DC.

Takže pre daný príklad je DC = 0,1, pretože 10/100 = 0,1. Pri modulácii šírky impulzu sa úpravou pracovného cyklu impulzu, teda zmenou jednosmerného prúdu, dosiahne požadovaná priemerná hodnota na výstupe elektronického alebo iného elektrického zariadenia, ako je motor.