Brug af PWM som en skifteteknik
Pulsbreddemodulation (PWM) er en almindeligt anvendt teknik til generelt at kontrollere jævnstrøm til en elektrisk enhed, hvilket er praktisk anvendt af moderne elektroniske strømafbrydere. Men det finder også sin plads i AC-choppere. Den gennemsnitlige værdi af strømmen, der tilføres belastningen, styres af omskifterpositionen og dens varighed. Hvis afbryderens tændingsperiode er længere sammenlignet med udkoblingsperioden, får belastningen forholdsvis højere effekt. Således skal PWM-skiftefrekvensen være hurtigere.
Typisk skal der skiftes flere gange i minuttet i en elektrisk komfur, 120 Hz i en lampedæmper, fra få kilohertz (kHz) til snesevis af kHz for et motordrev. Skiftfrekvens for lydforstærkere og computerforsyninger er cirka ti til hundreder af kHz. Forholdet mellem ON-tiden og impulsens tidsperiode kaldes driftscyklus. Hvis driftscyklussen er lav, indebærer det lav effekt.
Strømtabet i skifteindretningen er meget lavt på grund af næsten ubetydelig strøm, der strømmer i enhedens slukkede tilstand, og ubetydelig mængde spændingsfald i dens OFF-tilstand. Digitale kontroller bruger også PWM-teknik. PWM er også blevet brugt i visse kommunikationssystemer, hvor dens pligtcyklus er blevet brugt til at formidle information over en kommunikationskanal.
PWM kan bruges til at justere den samlede mængde strøm leveret til en belastning uden tab, der normalt opstår, når en kraftoverførsel er begrænset af resistive midler. Ulemperne er de pulsationer, der er defineret af driftscyklussen, skiftefrekvensen og belastningens egenskaber. Med en tilstrækkelig høj skiftefrekvens og, når det er nødvendigt, ved hjælp af yderligere passive elektroniske filtre, kan pulstoget udjævnes og den gennemsnitlige analoge bølgeform gendannes. Højfrekvente PWM-styresystemer kan let implementeres ved hjælp af halvlederafbrydere.
Som tidligere nævnt spredes næsten ingen strøm af kontakten i hverken til eller fra. Imidlertid er spænding og strøm ikke over nul under overgangene mellem til og fra-tilstande, og derfor spredes betydelig strøm i afbryderne. Heldigvis er tilstandsændringen mellem fuldt til og helt slukket ganske hurtig (typisk mindre end 100 nanosekunder) i forhold til typiske tænd / sluk-tider, og derfor er den gennemsnitlige strømforsyning ret lav sammenlignet med den strøm, der leveres, selv når høje skiftefrekvenser er brugt.
Brug af PWM til at levere jævnstrøm til belastning
Det meste af den industrielle proces kræver, at de køres på de bestemte parametre, når det gælder drevets hastighed. De elektriske drevsystemer, der anvendes i mange industrielle applikationer, kræver højere ydeevne, pålidelighed og variabel hastighed på grund af dets lette kontrol. Det hastighedskontrol af jævnstrømsmotor er vigtigt i applikationer, hvor præcision og beskyttelse er afgørende. Formålet med en motorhastighedsregulator er at tage et signal, der repræsenterer den krævede hastighed, og at køre en motor ved denne hastighed.
Pulsbreddemodulation (PWM), som det gælder for motorstyring, er en måde at levere energi gennem en række pulser i stedet for et kontinuerligt varierende (analogt) signal. Ved at øge eller formindske pulsbredden regulerer regulatoren energistrømmen til motorakslen. Motorens egen induktans fungerer som et filter, der lagrer energi under 'ON' -cyklussen, mens den frigøres med en hastighed svarende til input- eller referencesignalet. Med andre ord strømmer energi ind i belastningen ikke så meget omskiftningsfrekvensen, men ved referencefrekvensen.
Kredsløbet bruges til at kontrollere hastigheden på DC-motor ved hjælp af PWM-teknik. Serie variabel hastighed DC-motorstyring 12V bruger en 555 timer IC som en PWM-pulsgenerator til at regulere motorhastigheden DC12 Volt. IC 555 er den populære Timer Chip, der bruges til at lave timerkredsløb. Det blev introduceret i 1972 af Signetics. Det kaldes 555, fordi der er tre 5 K modstande indeni. IC består af to komparatorer, en modstandskæde, en Flip Flop og et output-trin. Det fungerer i 3 grundlæggende tilstande - Astabel, Monostabil (hvor den fungerer med en one-shot-pulsgenerator og Bistable-tilstand. Det vil sige, når den udløses, går udgangen højt i en periode baseret på værdierne for timingmodstanden og kondensatoren. I Astable mode (AMV) fungerer IC som en frit kørende multivibrator. Outputtet bliver kontinuerligt højt og lavt for at give pulserende output som en oscillator. I Bistable-tilstand, også kendt som Schmitt-trigger, fungerer IC som en Flip-Flop med høj eller lav output på hver trigger og nulstilling.
I dette kredsløb anvendes IRF540 MOSFET. Dette er N-Channel MOSFET-forbedring. Det er en avanceret MOSFET-effekt, designet, testet og garanteret at modstå et specificeret energiniveau i nedbrydningsskredens driftsform. Denne magt-MOSFET'er er designet til applikationer såsom skiftende regulatorer, omskifteromformere, motordrivere, relædrivere og drivere til bipolære omskiftningstransistorer med høj effekt, der kræver høj hastighed og lav portdreveffekt. Disse typer kan betjenes direkte fra integrerede kredsløb. Arbejdsspændingen i dette kredsløb kan justeres i henhold til behovene hos den drevne DC-motor. Dette kredsløb kan arbejde fra 5-18VDC.
Over kredsløb dvs. Jævnstrømsmotorhastighedskontrol med PWM teknikken varierer driftscyklussen, der igen styrer motorens hastighed. IC 555 er tilsluttet i astabel tilstand, frit kørende multivibrator. Kredsløbet består af et arrangement af et potentiometer og to dioder, som bruges til at ændre driftscyklus og holde frekvensen konstant. Da modstanden hos den variable modstand eller potentiometer varieres, varierer driftscyklussen for de impulser, der påføres MOSFET, og følgelig varierer jævnstrømmen til motoren, og dens hastighed stiger, når driftscyklussen stiger.
Brug af PWM til at levere vekselstrøm til belastning
Moderne halvlederafbrydere såsom MOSFET'er eller bipolære transistorer med isoleret port (IGBT'er) er ret ideelle komponenter. Således kan der bygges højeffektive regulatorer. Typisk har frekvensomformere, der bruges til at styre vekselstrømsmotorer, en effektivitet, der er bedre end 98%. Skiftende strømforsyninger har lavere effektivitet på grund af lave udgangsspændingsniveauer (ofte er der endda mindre end 2 V til mikroprocessorer), men der kan stadig opnås mere end 70-80% effektivitet.
Denne form for styring af AC er strømkendt forsinket affyringsvinkelmetode. Det er billigere og genererer meget elektrisk støj og harmoniske i forhold til den virkelige PWM-kontrol, der udvikler ubetydelig støj.
I mange applikationer, såsom industriel opvarmning, belysningskontrol, blødstart-induktionsmotorer og hastighedsregulatorer til ventilatorer og pumper, kræver variabel vekselspænding fra fast vekselstrømskilde. Fasevinkelkontrol af regulatorer er blevet brugt i vid udstrækning til disse krav. Det giver nogle fordele såsom enkelhed og evne til at styre store mængder strøm økonomisk. Imidlertid forårsager forsinket affyringsvinkel diskontinuitet og rigelige harmoniske belastningsstrømme, og der opstår en forsinket effektfaktor på AC-siden, når affyringsvinklen steg.
Disse problemer kan forbedres ved hjælp af PWM AC chopper. Denne PWM AC-chopper tilbyder flere fordele, såsom sinusformet indgangsstrøm med næsten enhedseffektfaktor. For at reducere filterstørrelsen og forbedre kvaliteten af outputregulatoren skal skiftefrekvensen dog øges. Dette medfører højt koblingstab. Et andet problem er kommuteringen mellem overførselsafbryderen S1 med frihjulafbryderen S2. Det forårsager den aktuelle spids, hvis begge kontakter er tændt på samme tid (kortslutning), og spændingsspidsen, hvis begge kontakter er slukket (ingen frihjulspad). For at undgå disse problemer blev RC-snubber brugt. Dette øger dog effekttabet i kredsløbet og er vanskeligt, dyrt, omfangsrigt og ineffektivt til applikationer med høj effekt. AC-chopper med nulstrømsspænding (ZCS-ZVS) foreslås. Dens udgangsspændingsregulator skal variere frakoblingstid kontrolleret af PWM-signal. Det er således nødvendigt at anvende frekvensstyring for at opnå blød kobling, og de generelle styresystemer bruger PWM-teknikker, der producerer tilslutningstid. Denne teknik har fordele såsom simpel kontrol med sigma-delta-modulering og fortsætter inputstrømmen. Funktionerne i den foreslåede kredsløbskonfiguration og PWM-hakkede mønstre er præsenteret nedenfor.
