Hvad er PWM, hvordan man måler det

PWM står for pulsbreddemodulation, som betegner den variable natur af pulsbredderne, der kan genereres fra en bestemt kilde, såsom et diskret IC, MCU eller et transistoriseret kredsløb.

Hvad er PWM

Enkelt sagt er en PWM-proces intet andet end at tænde og slukke for en forsyningsspænding med en bestemt hastighed med forskellige TÆND / SLUK-tidsforhold, her kan tændingslængden for tændingen af ​​spændingen være større, mindre eller lig med afbryderlængden.

For eksempel kan en PWM bestå af en spænding, der er fast til at tænde og slukke med en hastighed på 2 sekund ON 1 sekund OFF, 1 sekund ON 2 sekund OFF eller 1 sekund ON, 1 sekund OFF.

Når denne ON / OFF-hastighed for en forsyningsspænding er forskelligt optimeret, siger vi, at spændingen er en PWM- eller pulsbreddemoduleret.

Du skal alle allerede være fortrolige med hensyn til, hvordan et konstant jævnstrømspotentiale vises på en tidsgraf for spænding v / s som vist nedenfor:

I ovenstående billede kan vi se en lige linje på 9V-niveauet, dette opnås fordi 9V-niveauet ikke ændrer sig med hensyn til tid, og derfor er vi i stand til at være vidne til en lige linje.

Hvis denne 9V nu er tændt og slukket efter hvert 1 sekund, vil ovenstående graf se sådan her ud:

Vi kan tydeligt se, at nu er 9V-linjen ikke længere en lige linjevurderer i form af blokke efter hvert 1 sekund, da 9V skifter TIL og FRA efter hvert sekund skiftevis.

Ovenstående spor ligner rektangelblokke, fordi når 9V tændes og slukkes, er operationerne øjeblikkelige, hvilket pludselig får 9V til at gå til nul-niveau og derefter pludselig til 9V-niveau og derved danne de rektangulære figurer på grafen.

Ovennævnte tilstand giver anledning til en pulserende spænding, som har to parametre, der skal måles, nemlig: spidsen og den gennemsnitlige spænding eller RMS-spændingen.

Peak og gennemsnitlig spænding

På det første billede er spidsbelastningen åbenbart 9V, og gennemsnitsspændingen er også 9V simpelthen fordi spændingen er konstant uden brud.

Men i det andet billede, selvom spændingen er tændt / slukket ved 1 Hz hastighed (1 sekund TIL, 1 sekund FRA), vil spidsen stadig være lig med 9V, fordi spidsen altid når 9V-mærket i ON-perioderne. Men den gennemsnitlige spænding her er ikke 9V, men 4,5V, fordi spændingens mærke og brud sker med en hastighed på 50%.

I PWM-diskussioner kaldes denne ON / OFF-sats PWM's duty cycle, derfor er det i ovenstående tilfælde en 50% duty cycle.

Når du måler en PWM med et digitalt multimeter på et DC-område, får du altid den gennemsnitlige værdilæsning på måleren.

Nye hobbyister bliver ofte forvirrede med denne læsning og tager det som topværdien, hvilket er helt forkert.

Som forklaret ovenfor vil topværdien af ​​en PWM stort set være lig med forsyningsspændingen, der tilføres kredsløbet, mens den gennemsnitlige volumen på måleren vil være gennemsnittet af PWM'ernes ON / OFF-perioder.

Skift af Mosfet med PWM

Så hvis du skifter en mosfet med en PWM og finder portens spænding, f.eks. 3V, skal du ikke gå i panik, da dette kun kan være den gennemsnitlige spænding angivet af måleren, spidsen på spidsen kan være så høj som dit kredsløbs forsyning spænding.

Derfor kunne mosfet forventes at lede fint og fuldt ud gennem disse spidsværdier, og den gennemsnitlige spænding ville kun påvirke dens ledningsperiode, ikke enhedens skiftespecifikation.

Som vi diskuterede i de foregående afsnit, involverer en PWM fundamentalt variationen af ​​pulsbredderne, med andre ord ON og OFF-perioderne for DC.

Lad os sige, at du for eksempel vil have en PWM-output med en ON-tid, der er 50% mindre end den for ON-tiden.

Lad os antage, at den valgte ON-tid er 1/2 sekund, så vil OFF-tiden være lig med 1 sekund, hvilket vil give anledning til en arbejdscyklus på 1/2 sekund ON og 1 sekund OFF, som det kan ses i det følgende diagram .

Analyse af PWM's arbejdscyklus

I dette eksempel er PWM'erne optimeret til at producere en spids på peak på 9V, men en gennemsnitlig spænding på 3,15V, da ON-tiden kun er 35% af en fuldstændig ON / OFF-cyklus.

En komplet cyklus henviser til den tidsperiode, der tillader den givne puls at fuldføre sin fulde TIL-tid og en FRA-tid.

På samme måde kan man have til hensigt at optimere en frekvenss pulsbredde med følgende data:

Her kan ON-tiden ses øges end OFF-tiden med 65% over en hel cyklus, derfor bliver den gennemsnitlige værdi af spændingen 5,85V.

Ovenstående diskuterede gennemsnitsspænding kaldes også RMS eller spændingens grundværdi.

Da disse alle er rektangulære eller firkantede impulser, kan RMS beregnes ved simpelthen at multiplicere driftscyklusprocenten med spidsen.

Optimering af PWM for at simulere Sinewave

I tilfælde, hvor PWM er optimeret til at simulere en AC-puls, bliver beregningen for RMS imidlertid lidt kompleks.

Lad os tage eksemplet med følgende PWM, som er optimeret til at variere bredden svarende til den varierende amplitude eller niveauet for et sinusformet AC-signal.

Du kan lære mere om dette gennem en af ​​mine tidligere artikler, hvor jeg har forklaret, hvordan IC 555 kan bruges til genererer sinusbølgeækvivalent PWM-output .

Som vi kan se i ovenstående billede ændres impulsenes bredde med hensyn til det øjeblikkelige niveau af sinusbølgen. Da sinusbølgen har en tendens til at nå toppen, bliver den tilsvarende bredde af pulsen bredere og omvendt.

Brug af SPWM

Dette indikerer, at fordi sinusspændingsniveauet konstant ændrer sig med tiden, ændrer PWM'erne sig også med tiden ved konstant at variere dets bredder. Sådan PWM kaldes også SPWM eller Sinewave Pulse Width Modulation.

Således i ovenstående tilfælde er impulserne aldrig konstante, men ændrer deres bredder forskelligt med tiden.

Dette gør dets RMS eller gennemsnitsværdiberegningen lidt kompleks, og vi kan ikke bare multiplicere driftscyklussen med spidsen her for at opnå RMS.

Selvom den egentlige formel til at aflede RMS-udtrykket er ret kompleks, bliver den endelige implementering efter passende afledninger ganske let.

Beregning af RMS-spænding af en PWM

Således til beregning af RMS af en varierende PWM-spænding som reaktion på en sinusbølge kan opnås ved at multiplicere 0,7 (konstant) med spidsen.

Så for en 9V-spids får vi 9 x 0,7 = 6,3V, det er RMS-spændingen eller den gennemsnitlige værdi af en 9V-spids til PWM-spids, der simulerer en sinusbølge.

PWM's rolle i elektroniske kredsløb?

Du vil opdage, at PWM-konceptet i det væsentlige er forbundet med
kredsløbskonstruktioner, der har induktorer involveret, især buck boost-topologier såsom invertere, SMPS , MPPT, LED driver kredsløb osv.

Uden en induktor har en PWM-funktion muligvis ingen reel værdi eller rolle i et givet kredsløb, det er fordi kun en induktor har den iboende funktion at omdanne en varierende pulsbredde til en ækvivalent mængde forstærket (forstærket) eller trappet ned (bukket) spænding eller strøm, som bliver den eneste idé om en PWM-teknologi.

Brug af PWM med induktorer

For at forstå, hvordan PWM påvirker en induktorudgang med hensyn til spænding og strøm, ville det være først vigtigt at lære, hvordan en induktor opfører sig under påvirkning af en pulserende spænding.

I et af mine tidligere indlæg forklarede jeg angående hvordan et buck boost-kredsløb fungerer , dette er et klassisk eksempel for at demonstrere, hvordan PWM'er eller en varierende pulsbredde kan bruges til at dimensionere et induktorudgangssignal.

Det er velkendt, at en induktor af 'natur' altid modsætter sig en pludselig påføring af spænding over den og lader den kun passere efter en vis tid afhængigt af dens viklingsspecifikationer, og under denne proces lagrer den en ækvivalent mængde energi i det.

Hvis spændingen i løbet af ovenstående proces pludselig slukkes, er induktoren igen ude af stand til at klare denne pludselige forsvinden af ​​den anvendte spænding og forsøger at afbalancere den ved at frigive den lagrede strøm i den.

Induktorens reaktion på PWM

Således vil en induktor forsøge at modsætte sig at tænde for spænding ved at lagre strøm og forsøge at udligne som reaktion på en pludselig frakobling af spænding ved at 'sparke' den lagrede energi tilbage i systemet.

Dette tilbageslag kaldes den indvendige EMF for en induktor, og indholdet af denne energi (spænding, strøm) vil afhænge af induktorens viklingsspecifikationer.

Dybest set bestemmer antallet af omdrejninger, om EMF skal være højere i spænding end forsyningsspændingen eller lavere end forsyningsspændingen, og ledningens tykkelse bestemmer, hvor meget strøm induktoren muligvis kan gengive.

Der er et andet aspekt af ovenstående induktor, som er timingen af ​​spændings ON / OFF-perioder.

Det er her brugen af ​​en PWM bliver afgørende.

Selvom antallet af drejninger fundamentalt bestemmer outputværdierne for en bestemt, kan disse også varieres efter ønske ved at føre en optimeret PWM-introduktion til en induktor.

Via en variabel PWM kan vi tvinge en induktor til at generere / konvertere spændinger og strømme med en hvilken som helst ønsket hastighed, enten som en forstærket spænding (reduceret strøm) eller forstærket strøm (reduceret spænding) eller omvendt.

I nogle applikationer kan en PWM bruges selv uden en induktor, f.eks. Til dæmpning af et LED-lys eller i MCU-timer-kredsløb, hvor udgangen kan optimeres til at generere spændinger ved forskellige TÆNDING, sluk for perioder for styring af en belastning pr. dets tilsigtede arbejdsspecifikationer.