Impulzus szélesség moduláció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. december 1-jén felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 5 szerkesztést igényelnek .

Az impulzusszélesség -moduláció ( PWM ) egy teljesítményszabályozási folyamat az áramfogyasztó impulzusos be- és kikapcsolásával. Létezik analóg PWM és digitális PWM , bináris (kétszintű) PWM és hármas (háromszintű) PWM [1] .

A PWM használatának okai

A PWM használatának fő oka a hatékonyság növelése az elektronikus berendezések másodlagos tápegységeinek építésekor és más alkatrészekben, például a PWM-et a LED-monitorok és -kijelzők háttérvilágításának fényerejének beállítására használják telefonokban, PDA-kban stb.

Hőteljesítmény felszabadult a kulcson PWM-mel

A PWM-ben a tranzisztorokat kulcselemként használják (más félvezető eszközök is használhatók), amelyek nem lineáris, hanem kulcsos üzemmódban működnek, vagyis a tranzisztor vagy nyitott (kikapcsolt) vagy zárt (telített állapotban van) ) mindig. Az első esetben a tranzisztor nagyon nagy ellenállással rendelkezik, ezért az áramkörben nagyon kicsi az áram, és bár a teljes tápfeszültség leesik a tranzisztoron, a tranzisztorban disszipált teljesítmény nagyon kicsi. A második esetben a tranzisztor ellenállása rendkívül kicsi, és ennek következtében a feszültségesés rajta közel nulla, miközben a felszabaduló teljesítmény is kicsi. Átmeneti állapotokban (a kulcs átmenete vezető állapotból nem vezető állapotba és fordítva) a kulcsban felszabaduló teljesítmény jelentős, de mivel az átmeneti állapotok időtartama rendkívül rövid a modulációs periódushoz képest. , a kapcsolási veszteségek átlagos teljesítménye jelentéktelennek bizonyul:

R_{tr}\rightarrow \infty \leftrightarrow P={{\frac {{U}^{2}}{R}}\rightarrow 0},

R_{tr}\rightarrow 0\leftrightarrow P={I}^{2}R\rightarrow 0.

A PWM működése

A vezérlőkben megvalósított impulzusszélesség-modulátor két blokkból áll: egy lineáris integrátorból (I-link) és egy háromállású reléelemből. A termék gyártása során beállított áramköri paraméterek: az I-link T időállandója és a jelszint a reléelem kimenetén ±A.

Az impulzusszélesség-modulátor impulzussorozatot generál a bemenetén lévő jelszinttel arányos munkaciklussal . Beállítási paramétere, vagyis az impulzus minimális időtartama az impulzusszélesség-modulátor reléelemének holtzónájával [2] állítható be .

Analóg PWM

A PWM jelet egy analóg komparátor állítja elő, amelynek egyik bemenete (az ábra szerint - a komparátor invertáló bemenetére) a moduláló jel frekvenciájánál jóval nagyobb frekvenciájú segédreferencia fűrészfoggal vagy háromszögjellel van ellátva. , a másik pedig egy moduláló folyamatos analóg jel. A PWM kimeneti impulzusok ismétlési frekvenciája megegyezik a fűrészfog vagy háromszög feszültség frekvenciájával. A fűrészfog feszültség periódusának abban a részében, amikor a komparátor invertáló bemenetén a jel nagyobb, mint a nem invertáló bemeneten lévő jel, ahol a moduláló jelet alkalmazzuk, negatív feszültséget kapunk a kimeneten, a másikban A periódus egy része, amikor a komparátor invertáló bemenetén a jel alacsonyabb, mint a nem invertáló bemenetén, pozitív feszültség lesz [3] .

Az analóg PWM-et a „ D ” osztályú alacsony frekvenciájú erősítőkben használják .

Digitális PWM

A bináris digitális technológiában, ahol a kimenetek két érték közül csak egyet vehetnek fel, teljesen természetes a kívánt átlagos kimeneti szint PWM segítségével történő közelítése. Az áramkör ugyanolyan egyszerű: a fűrészfog jelet egy N bites számláló állítja elő. A digitális eszközök (DSHIP) rögzített frekvencián működnek, általában sokkal magasabban, mint a vezérelt telepítések válasza ( túlmintavétel ). Az óraélek közötti periódusok alatt a DSCH kimenet stabil marad, akár alacsony, akár magas, a digitális komparátor kimenetétől függően, amely összehasonlítja a számlálóértéket a közeledő V ( n ) digitális jel szintjével. A sok ciklus kilépése két lehetséges 0 és 1 értékű impulzussorozatként értelmezhető, amelyek minden T ciklusban helyettesítik egymást . Az egyes impulzusok előfordulási gyakoriságát a megközelített jel szintjével arányosan kapjuk ~ V ( n ). Az egymást követő egységek egy szélesebb impulzus körvonalát alkotják. A vett változó szélességű ~ V ( n ) impulzusok időtartama a T órajel többszöröse, a frekvencia pedig egyenlő 1/( T *2 N ). Az alacsony frekvencia a T -hoz képest hosszú, azonos szintű jel állandósági periódusait jelenti, ami alacsony egyenletességet ad az impulzusok eloszlásában.

A leírt digitális generálási séma az egybites (kétszintű) impulzuskód moduláció ( PCM ) definíciója alá esik. Az 1 bites PCM felfogható PWM-ként, mint 1/ T frekvenciájú és 0 vagy T szélességű impulzusok sorozata. Az átlagolás rövidebb időn belüli elérése lehetővé teszi a rendelkezésre álló újramintavételezést. A kiváló minőségben olyan sokféle egybites PCM található, mint az impulzussűrűség moduláció., amit impulzus-frekvencia modulációnak is neveznek .

A folyamatos analóg jelet az impulzusok számtani átlagolásával állítják vissza sok perióduson keresztül, egy egyszerű aluláteresztő szűrő segítségével. Bár általában még erre sincs szükség, mivel a hajtás elektromechanikus alkatrészeinek induktivitása, a vezérlőobjektum (OC) tehetetlensége miatt a PWM kimenet impulzusai kisimulnak, az op-amp pedig a PWM megfelelő frekvenciájával. jelet, úgy viselkedik, mint egy hagyományos analóg jel vezérlésekor.

A digitális PWM-ben az időszak részekre van osztva, amelyek téglalap alakú részimpulzusokkal vannak kitöltve. Az időszak átlagos értéke a téglalap alakú részimpulzusok számától függ. A digitális PWM egy bináris jel (két szinttel - be / ki ) közelítése egy többszintű vagy folyamatos jelhez úgy, hogy azok átlagos értéke egy adott időszakra vonatkoztatva megközelítőleg egyenlő legyen. $t_{2}-t_{1}$

Formálisan ez így írható le:

{\int _{t_{1}}^{t_{2}}{x(t)\,dt} \over {t_{2}-t_{1}}}={\sum _{i =1}^{n}{A*\Delta T_{i}} \over {t_{2}-t_{1}}},

ahol a bemeneti jel a t 1 és t 2 tartományban ;

x(t)

\Delta T_{i}={\frac {t_{2}-t_{1}}{n}}

az i - edik PWM részimpulzus időtartama, mindegyik A amplitúdóval .

n úgy van megválasztva, hogy az adott időszakban mindkét mennyiség összterülete (energiája) közötti különbség kisebb legyen, mint a megengedett:

\int _{t_{1}}^{t_{2}}{x(t)\,dt}-\sum _{i=1}^{n}{A*\Delta T_{i} <E.

A szabályozott "szintek" általában az erőművi teljesítményparaméterek, például az impulzusátalakítók / DC feszültségszabályozók feszültsége / vagy az elektromos motor fordulatszáma. Impulzusforrásoknál x ( t ) = U const stabilizálás.

A digitális PWM-ben az időszakot kitöltő téglalap alakú részimpulzusok bárhol lehetnek a periódusban, csak a számuk befolyásolja az időszak átlagértékét. Például egy periódus 8 részre osztásánál a 11110000, 11101000, 11100100, 11100010, 11100001stb. sorozatok ugyanazt a periódus átlagértékét adják, de a különálló „1”-ek rontják a billentyű (tranzisztor) működési módját.

Még egy COM port is használható PWM-ként. Mivel a 0-t mint 0 0000 0000 1(8 adatbit + start/stop), a 255 -öt pedig mintként továbbítják 0 1111 1111 1, a kimeneti feszültségtartomány 10-90% 10%-os lépésekben.

Többszintű szinuszos PWM (SWM) kezelése

Számos technikát fejlesztettek ki a többszintű inverterek torzításának csökkentésére, a klasszikus háromszög hordozó PWM alapján. Egyes módszerek forráshelymeghatározást használnak, mások fáziseltolást használnak több vivőjelről. A jobb oldali ábra egy tipikus feszültséget mutat, amelyet egy inverterszakasz generál szinuszos jel és háromszög alakú vivőjel összehasonlításával.

Egy fázisban több N c -kaszkád, amelyek forrásai θ c = 360°/N c -el vannak eltolva, és ugyanazt a vezérlőfeszültséget használják, a legkisebb torzítású terhelési feszültséget állítják elő. Ezt az eredményt egy többelemes inverter esetében kaptuk 7-szintű konfigurációban, amely minden fázisban három sorba kapcsolt szegmenst használ. A legkisebb torzítás akkor érhető el, ha a forrást θ szöggel elmozdítjuk = 360°/3 = 120°.

A többszintű inverterek ipari alkalmazásaiban meglehetősen általános gyakorlat, hogy minden szegmensbe egy harmadik harmonikust helyeznek be, amint azt a jobb oldali ábra mutatja (b), a kimeneti feszültség növelése érdekében. A többszintű SSWM másik pozitív oldala a terhelési feszültség Nc-szeres effektív kapcsolási frekvenciája, valamint az egyes szegmensek kapcsolási frekvenciája a vivőjeltől függően. Ez a funkció lehetővé teszi az egyes szegmensek kapcsolási frekvenciáinak csökkentését, ezáltal csökkentve a kapcsolási veszteségeket.

Támogató vektorgép (MOB)

A MOB technika minden többszintű inverterre könnyen alkalmazható. A jobb oldali ábra a hagyományos két-, három- és ötszintű inverterek térvektorait mutatja. Ezek a vektordiagramok univerzálisak a többszintű inverter típusától függetlenül. Más szóval, a jobb oldali ábra ötszintű diódával rögzített, kondenzátoros vagy kaszkádos inverterre érvényes. Három szomszédos vektor képes szintetizálni a kívánt feszültségvektort úgy, hogy minden vektorra kiszámítja a munkaciklust (T j , T j+1 és T j+2 ).

A térvektoros PWM módszerek általában a következő előnyökkel rendelkeznek: az egyenáramú tápfeszültség jó kihasználása, alacsony hullámosság és viszonylag egyszerű digitális jelfeldolgozó (DSP) hardveres megvalósítás. Ezek a tulajdonságok alkalmassá teszik nagyfeszültségű és nagy teljesítményű alkalmazásokhoz.

A szintek számának növekedésével a túlterhelések és a kapcsolási bonyolultság jelentősen megnő. Egyes szerzők egy ötszintű térvektor-diagramot két háromszintű, fáziseltolásos térvektor-diagrammá bontottak a hullámzás minimalizálása és a vezérlés egyszerűsítése érdekében. Ezenkívül egy egyszerű térvektor módszert vezettek be anélkül, hogy kiszámították volna a szomszédos három vektor munkaciklusát.

Lásd még

A vektormoduláció a teljesítményelektronikában használt vektorimpulzusszélesség -moduláció.
Az SACD egy audiolemez-formátum, amely az audiojel impulzusszélesség-modulációját használja.
Hangfrekvenciás erősítő . Osztályozás. "D" osztály.

Jegyzetek

↑ Frekvenciaváltók - Erőteljes elektronikai eszközök elemalapja és áramkörei. Rizs. 3.
↑ Sabani V. R. Automatic control systems based on neural network technologies / V. R. Sabanin, N. I. Smirnov, A. I. Repin // Proceedings of the International Scientific Conference Control-2003. M.: MPEI Kiadó, 2003. S. 45-51.
↑ Áramkörök. Műveleti erősítők. Erősítők. D osztályú erősítő