Modulasi lebar nadi (PWM) ialah kaedah penukaran isyarat di mana tempoh nadi (faktor kewajipan) berubah, tetapi frekuensi kekal malar. Dalam terminologi bahasa Inggeris ia dirujuk sebagai PWM (modulasi lebar nadi). Dalam artikel ini kita akan melihat secara terperinci apa itu PWM, di mana ia digunakan dan bagaimana ia berfungsi.

Skop permohonan

Dengan perkembangan teknologi mikropengawal, peluang baharu telah dibuka untuk PWM. Prinsip ini telah menjadi asas untuk peranti elektronik yang memerlukan kedua-dua melaraskan parameter output dan mengekalkannya pada tahap tertentu. Kaedah modulasi lebar denyut digunakan untuk menukar kecerahan cahaya, kelajuan putaran motor, serta dalam mengawal transistor kuasa bekalan kuasa jenis nadi (PSU).

Modulasi lebar nadi (PW) digunakan secara aktif dalam pembinaan sistem kawalan kecerahan LED. Oleh kerana inersia yang rendah, LED mempunyai masa untuk bertukar (berkelip dan keluar) pada frekuensi beberapa puluh kHz. Operasinya dalam mod nadi dilihat oleh mata manusia sebagai cahaya yang berterusan. Sebaliknya, kecerahan bergantung pada tempoh nadi (keadaan terbuka LED) dalam satu tempoh. Jika masa nadi adalah sama dengan masa jeda, iaitu, kitaran tugas ialah 50%, maka kecerahan LED akan menjadi separuh daripada nilai nominal. Dengan mempopularkan lampu LED 220V, persoalan timbul untuk meningkatkan kebolehpercayaan operasi mereka dengan voltan input yang tidak stabil. Penyelesaiannya ditemui dalam bentuk litar mikro universal - pemacu kuasa yang beroperasi pada prinsip lebar nadi atau modulasi frekuensi nadi. Litar berdasarkan salah satu pemacu ini diterangkan secara terperinci.

Voltan sesalur yang dibekalkan kepada input cip pemacu sentiasa dibandingkan dengan voltan rujukan dalam litar, menghasilkan isyarat PWM (PWM) pada output, parameter yang ditetapkan oleh perintang luaran. Sesetengah litar mikro mempunyai pin untuk membekalkan isyarat kawalan analog atau digital. Oleh itu, operasi pemacu nadi boleh dikawal menggunakan penukar PHI yang lain. Adalah menarik bahawa LED tidak menerima denyutan frekuensi tinggi, tetapi arus yang dilicinkan oleh induktor, yang merupakan elemen wajib bagi litar tersebut.

Penggunaan skala besar PWM dicerminkan dalam semua panel LCD dengan lampu latar LED. Malangnya, dalam monitor LED, kebanyakan penukar PWB beroperasi pada frekuensi ratusan Hertz, yang menjejaskan penglihatan pengguna PC secara negatif.

Mikropengawal Arduino juga boleh beroperasi dalam mod pengawal PWM. Untuk melakukan ini, panggil fungsi AnalogWrite(), menunjukkan dalam kurungan nilai dari 0 hingga 255. Sifar sepadan dengan 0V, dan 255 hingga 5V. Nilai perantaraan dikira secara berkadar.

Percambahan meluas peranti yang beroperasi pada prinsip PWM telah membolehkan manusia beralih daripada bekalan kuasa pengubah jenis linear. Hasilnya ialah peningkatan dalam kecekapan dan pengurangan beberapa kali ganda dalam berat dan saiz bekalan kuasa.

Pengawal PWM adalah sebahagian daripada bekalan kuasa pensuisan moden. Ia mengawal operasi transistor kuasa yang terletak di litar utama pengubah nadi. Oleh kerana kehadiran litar maklum balas, voltan pada output bekalan kuasa sentiasa kekal stabil. Sisihan terkecil voltan keluaran dikesan melalui maklum balas oleh litar mikro, yang dengan serta-merta membetulkan kitaran tugas denyutan kawalan. Di samping itu, pengawal PWM moden menyelesaikan beberapa tugas tambahan yang membantu meningkatkan kebolehpercayaan bekalan kuasa:

• menyediakan mod mula lembut untuk penukar;
• mengehadkan amplitud dan kitaran tugas denyutan kawalan;
• mengawal tahap voltan masukan;
• melindungi daripada litar pintas dan suhu lampau suis kuasa;
• jika perlu, tukar peranti kepada mod siap sedia.

Prinsip operasi pengawal PWM

Tugas pengawal PWM adalah untuk mengawal suis kuasa dengan menukar denyutan kawalan. Apabila beroperasi dalam mod pensuisan, transistor berada dalam satu daripada dua keadaan (terbuka sepenuhnya, tertutup sepenuhnya). Dalam keadaan tertutup, arus melalui persimpangan p-n tidak melebihi beberapa μA, yang bermaksud bahawa pelesapan kuasa cenderung kepada sifar. Dalam keadaan terbuka, walaupun arus tinggi, rintangan persimpangan pn sangat rendah, yang juga membawa kepada kehilangan haba yang tidak ketara. Jumlah haba terbesar dibebaskan pada saat peralihan dari satu keadaan ke keadaan yang lain. Tetapi disebabkan oleh masa peralihan yang singkat berbanding dengan kekerapan modulasi, kehilangan kuasa semasa pensuisan adalah tidak penting.

Modulasi lebar nadi dibahagikan kepada dua jenis: analog dan digital. Setiap jenis mempunyai kelebihan tersendiri dan boleh dilaksanakan dengan cara yang berbeza dalam reka bentuk litar.

PWM analog

Prinsip pengendalian modulator PWM analog adalah berdasarkan membandingkan dua isyarat yang frekuensinya berbeza dengan beberapa susunan magnitud. Elemen perbandingan ialah penguat operasi (comparator). Voltan gigi gergaji dengan frekuensi malar tinggi dibekalkan kepada salah satu inputnya, dan voltan modulasi frekuensi rendah dengan amplitud berubah-ubah dibekalkan kepada yang lain. Pembanding membandingkan kedua-dua nilai dan menjana denyutan segi empat tepat pada output, tempoh yang ditentukan oleh nilai semasa isyarat modulasi. Dalam kes ini, kekerapan PWM adalah sama dengan kekerapan isyarat gigi gergaji.

PWM digital

Modulasi lebar nadi dalam tafsiran digital adalah salah satu daripada banyak fungsi mikropengawal (MCU). Beroperasi secara eksklusif dengan data digital, MK boleh menjana sama ada paras voltan tinggi (100%) atau rendah (0%) pada outputnya. Walau bagaimanapun, dalam kebanyakan kes, untuk mengawal beban dengan berkesan, voltan pada output MC mesti ditukar. Contohnya, melaraskan kelajuan enjin, menukar kecerahan LED. Apakah yang perlu saya lakukan untuk mendapatkan sebarang nilai voltan dalam julat dari 0 hingga 100% pada output mikropengawal?

Isu ini diselesaikan dengan menggunakan kaedah modulasi lebar denyut dan menggunakan fenomena pensampelan berlebihan, apabila frekuensi pensuisan yang ditentukan adalah beberapa kali lebih tinggi daripada tindak balas peranti terkawal. Dengan menukar kitaran tugas denyutan, nilai purata voltan keluaran berubah. Sebagai peraturan, keseluruhan proses berlaku pada frekuensi puluhan hingga ratusan kHz, yang membolehkan pelarasan lancar. Secara teknikal, ini dilaksanakan menggunakan pengawal PWM - litar mikro khusus yang merupakan "jantung" mana-mana sistem kawalan digital. Penggunaan aktif pengawal berasaskan PWM adalah disebabkan kelebihannya yang tidak dapat dinafikan:

• kecekapan penukaran isyarat yang tinggi;
• kestabilan kerja;
• menjimatkan tenaga yang digunakan oleh beban;
• kos rendah;
• kebolehpercayaan yang tinggi bagi keseluruhan peranti.

Anda boleh menerima isyarat PWM pada pin mikropengawal dalam dua cara: perkakasan dan perisian. Setiap MK mempunyai pemasa terbina dalam yang mampu menjana denyutan PWM pada pin tertentu. Inilah cara pelaksanaan perkakasan dicapai. Menerima isyarat PWM menggunakan arahan perisian mempunyai lebih banyak kemungkinan dari segi resolusi dan membolehkan anda menggunakan bilangan pin yang lebih besar. Walau bagaimanapun, kaedah perisian membawa kepada beban yang tinggi pada MK dan mengambil banyak memori.

Perlu diperhatikan bahawa dalam PWM digital bilangan denyutan setiap tempoh boleh berbeza, dan denyutan itu sendiri boleh terletak di mana-mana bahagian tempoh. Tahap isyarat keluaran ditentukan oleh jumlah tempoh semua denyutan setiap tempoh. Perlu difahami bahawa setiap nadi tambahan adalah peralihan transistor kuasa dari keadaan terbuka ke keadaan tertutup, yang membawa kepada peningkatan kerugian semasa pensuisan.

Contoh penggunaan pengawal selia PWM

Salah satu pilihan untuk melaksanakan pengawal selia mudah PWM telah diterangkan sebelum ini. Ia dibina berdasarkan litar mikro dan mempunyai abah-abah kecil. Tetapi, walaupun litar prostat, pengawal selia mempunyai pelbagai aplikasi yang agak luas: litar untuk mengawal kecerahan LED, jalur LED, melaraskan kelajuan putaran motor DC.

Baca juga

Mark Thoren dan Chad Steward, Teknologi Linear

Nota Reka Bentuk 538

pengenalan

Modulasi lebar nadi (PWM) ialah kaedah biasa untuk menjana voltan analog menggunakan peranti digital seperti mikropengawal atau FPGA. Kebanyakan mikropengawal mempunyai blok persisian khusus yang direka untuk menjana PWM, dan untuk menjana isyarat PWM menggunakan FPGA, ia cukup untuk menulis beberapa baris kod RTL sahaja. Teknologi ini sangat mudah dan praktikal dalam kes di mana keperluan untuk parameter isyarat analog tidak terlalu ketat, kerana pelaksanaannya hanya memerlukan satu output litar mikro, dan bilangan baris kod program yang diperlukan adalah kurang seimbang daripada apa yang akan berlaku. diperlukan jika penukar digital-ke-analog digunakan (DAC) dengan antara muka SPI atau I 2 C Rajah 1 menunjukkan contoh tipikal aplikasi pin digital yang outputnya ditukar kepada voltan analog menggunakan penapis.

Anda tidak perlu menggali dengan mendalam untuk menemui banyak kelemahan dalam skim ini. Isyarat analog 12-bit sepatutnya mempunyai riak kurang daripada bit paling ketara, yang, jika frekuensi PWM ialah 5 kHz, akan memerlukan penapis laluan rendah dengan frekuensi cutoff 1.2 Hz. Impedans keluaran voltan analog, ditentukan oleh rintangan perintang penapis, mungkin terlalu tinggi kerana keperluan untuk mengekalkan dimensi kapasitor yang boleh diterima. Oleh itu, output hanya boleh beroperasi pada beban rintangan tinggi. Kecerunan ciri penukaran PWM kepada analog bergantung pada voltan bekalan mikropengawal, mungkin secara tidak tepat. Kesan yang lebih halus adalah disebabkan oleh ketidakpadanan rintangan keluaran berkesan bagi keluaran digital dalam keadaan logik yang bertentangan, yang mestilah jauh lebih kecil daripada rintangan perintang penapis untuk mengekalkan kelinearan yang diperlukan. Akhir sekali, agar voltan keluaran kekal malar, isyarat PWM mestilah berterusan, yang boleh menjadi masalah jika anda ingin meletakkan pemproses ke dalam mod penutupan kuasa rendah.

Adakah penukar analog PWM ini lebih baik?

Rajah 2 menggambarkan percubaan untuk membetulkan kelemahan ini. Terima kasih kepada penimbal output, ia menjadi mungkin untuk menggunakan perintang rintangan tinggi dalam penapis sambil mengekalkan impedans rendah output analog. Dengan menggunakan penimbal CMOS luaran yang dikuasakan oleh sumber rujukan ketepatan, ketepatan keuntungan meningkat, kerana sempadan isyarat PWM kini dibumikan dan voltan positif yang tepat. Litar ini sememangnya berfungsi, tetapi ia memerlukan sebilangan besar komponen, tidak membenarkan masa penyelesaian lebih baik daripada 1.1 s, dan tidak mengandungi sebarang mekanisme yang memungkinkan untuk "memegang" voltan analog apabila isyarat PWM dimatikan .

Penukar PWM-ke-analog lanjutan

Penukar digital-ke-analog (DAC) Dwi PWM 10-bit ke DAC VOUT dengan Rujukan 10ppm/ C

• Terima kasih, artikel yang sangat menarik dan terjemahan yang sangat baik. Bukankah anda sepatutnya memperkenalkan mekanisme carian di tapak web anda untuk semua karya seorang pengarang?
• Bagaimana itu? :) Malah perpustakaan tidak memikirkan perkara ini... Cari mengikut penterjemah... Satu lagi perkara - insentif untuknya secara peribadi, biarkan dia bekerja lebih banyak :) Artikel itu menarik, terutamanya kerana Teknologi Linear digunakan, yang tidak ditolak dalam prototaip + majalah kertas percuma berkala dengan penghantaran ke rumah!!! :)
• Tidak ada yang rumit. Berikut ialah pertanyaan dalam Google yang akan mengembalikan semua bahan daripada satu penterjemah: google.com.ua/search?.com.ua/search?.com.ua/search?.Ren Tyuk Tetapi enjin carian RL agak menyusahkan, jika tidak boleh digunakan semasa mencari melalui terjemahan pengarang http://www..html?adv=1 Dengan cara yang sama, anda boleh mencari bahan daripada pengarang tertentu di RL dalam Google. Tetapi hasilnya akan menjadi lebih "kotor", kerana apabila mencari dengan nama sahaja, hasilnya akan merangkumi semua rujukan yang terdapat di tapak - artikel, pautan dari forum, halaman sementara yang pernah masuk ke bidang paparan enjin carian, dll. Contohnya, Einar Abell. Banyak benda yang tak perlu. https://www.google.com.ua/search?q=s...ru+Einar+Abell Dalam kes ini, enjin carian RL memberikan hasil yang lebih baik http://www..html?q=Einar+ Abell Kepada soalan tentang perpustakaan. Katalog elektronik, yang kini tersedia di hampir semua perpustakaan "yang masih hidup" (universiti, bandar, daerah, wilayah, dll.), serta dalam arkib, membolehkan anda mencari melalui katalog dan indeks kad dengan sebarang gabungan perkataan dalam pertanyaan . Tidak mengira carian standard dalam katalog abjad dan sistematik. Sungguh mengagumkan betapa banyak data yang terkandung dalam kad katalog penerbitan! Sudah tentu, jika huraian bibliografi dan anotasi disusun dengan betul dan teliti. Tetapi terdapat juga kelemahan kepada katalog elektronik. Sebagai contoh, dalam tiga perpustakaan besar yang paling hampir dengan saya dengan sejuta+ buku dalam katalog elektronik, sehingga baru-baru ini, hanya 10-20% daripada koleksi perpustakaan terkandung. Ia mengambil banyak masa untuk memasukkan berjuta-juta kad ke dalam pangkalan data. Dalam kes ini, sebagai peraturan, perdamaian dengan dana dijalankan, yang hanya menangguhkan proses mendigitalkan katalog. Tetapi semua literatur yang diterima oleh perpustakaan selepas, katakan, 2000, berakhir dalam katalog elektronik terlebih dahulu.
• Ya, semua ini boleh difahami, anda boleh mencari apa sahaja melalui enjin carian :) Tetapi mengapa mencari menggunakan penterjemah? Kerana cinta pada kerjanya? Pertama sekali, anda memerlukan maklumat

AMn · PSK · QAM · FSK · GMSK
OFDM COFDM TCM Modulasi nadi AIM · DM · ICM · ΣΔ · PWM· CHIM · FIM Sambungan spektrum FHSS DSSS Lihat juga: Demodulasi

Modulasi lebar nadi(PWM, Inggeris) Modulasi lebar nadi (PWM)) - penghampiran isyarat yang dikehendaki (berbilang peringkat atau berterusan) kepada isyarat binari sebenar (dengan dua tahap - pada/dimatikan), supaya, secara purata, dalam tempoh masa tertentu, nilai mereka adalah sama. Secara formal, ia boleh ditulis seperti ini:

,

di mana x(t) - isyarat input yang dikehendaki dalam had dari t1 kepada t2, dan ∆ T i- tempoh i nadi PWM ke, setiap satu dengan amplitud A. ∆T i dipilih sedemikian rupa sehingga jumlah kawasan (tenaga) kedua-dua kuantiti adalah lebih kurang sama dalam tempoh masa yang cukup lama, dan nilai purata kuantiti sepanjang tempoh itu juga sama:

.

"Tahap" terkawal, sebagai peraturan, adalah parameter kuasa loji kuasa, contohnya, voltan penukar nadi / pengawal selia voltan malar / atau kelajuan motor elektrik. Untuk sumber berdenyut x(t) = U const penstabilan.

Sebab utama untuk memperkenalkan PWM ialah kesukaran menyediakan Voltan_(elektrik) sewenang-wenangnya. Terdapat voltan bekalan malar asas tertentu (dalam rangkaian, dari bateri, dll.) dan berdasarkannya anda perlu mendapatkan yang lebih rendah sewenang-wenangnya dan menggunakannya untuk menggerakkan motor elektrik atau peralatan lain. Pilihan paling mudah ialah pembahagi voltan, tetapi ia telah mengurangkan kecekapan, meningkatkan penjanaan haba dan penggunaan tenaga. Pilihan lain ialah litar transistor. Ia membolehkan anda melaraskan voltan tanpa menggunakan mekanik. Masalahnya ialah transistor paling panas apabila ia separuh terbuka (50%). Dan jika anda masih boleh "hidup" dengan kecekapan sedemikian, maka pelepasan haba, terutamanya pada skala perindustrian, membatalkan keseluruhan idea. Itulah sebabnya diputuskan untuk menggunakan litar transistor, tetapi hanya dalam keadaan sempadan (hidup/mati), dan lancarkan output yang terhasil dengan litar LC (penapis) jika perlu. Pendekatan ini sangat cekap tenaga. PWM digunakan secara meluas di mana-mana. Jika anda membaca artikel ini pada monitor LCD (telefon/PDA/... dengan lampu latar LCD), maka kecerahan lampu latar dikawal oleh PWM. Pada monitor yang lebih lama, anda boleh mengecilkan kecerahan dan mendengar PWM mula berdecit (decit yang sangat senyap dengan frekuensi beberapa kilohertz). Lampu LED yang berkelip lancar juga "berdecit", contohnya, dalam komputer riba. Bunyi bip PWM boleh didengari dengan baik pada waktu malam dalam keadaan senyap.

Anda juga boleh menggunakan port COM sebagai PWM. Kerana 0 dihantar sebagai 0 0000 0000 1 (8 bit data + mula/berhenti), dan 255 sebagai 0 1111 1111 1, maka julat voltan keluaran ialah 10-90% dalam kenaikan 10%.

DURI- penukar lebar denyut yang menjana isyarat PWM berdasarkan nilai voltan kawalan yang diberikan. Kelebihan utama SHIP ialah kecekapan tinggi penguat kuasanya, yang dicapai dengan menggunakannya secara eksklusif dalam mod pensuisan. Ini dengan ketara mengurangkan output kuasa pada penukar kuasa (PC).

Permohonan

PWM menggunakan transistor (mungkin terdapat unsur lain) bukan dalam mod linear, tetapi dalam mod pensuisan, iaitu, transistor sentiasa sama ada terbuka (dimatikan) atau tertutup (dalam keadaan tepu). Dalam kes pertama, transistor mempunyai rintangan hampir tidak terhingga, jadi hampir tiada arus yang mengalir dalam litar, dan walaupun keseluruhan voltan bekalan menurun merentasi transistor, iaitu kecekapan = 0%, secara mutlak kuasa yang dikeluarkan oleh transistor adalah sifar. Dalam kes kedua, rintangan transistor sangat rendah, dan, oleh itu, penurunan voltan merentasinya hampir kepada sifar - kuasa yang dikeluarkan juga kecil.

Prinsip operasi PWM

PWM ialah isyarat nadi frekuensi malar dan kitaran tugas berubah-ubah, iaitu nisbah tempoh pengulangan nadi kepada tempohnya. Dengan menetapkan kitaran tugas (tempoh nadi) anda boleh menukar voltan purata pada output PWM.

Dijana oleh pembanding analog, input negatif yang dibekalkan dengan isyarat rujukan dalam bentuk "gergaji" atau "segi tiga", dan input positif dibekalkan dengan isyarat analog berterusan termodulat sebenar. Kekerapan denyutan sepadan dengan kekerapan "gigi" gergaji. Bahagian tempoh apabila isyarat input lebih tinggi daripada isyarat rujukan, output adalah satu, di bawahnya adalah sifar.

Dalam teknologi digital, output yang boleh mengambil hanya satu daripada dua nilai, menghampiri tahap output purata yang dikehendaki menggunakan PWM adalah semula jadi. Litar ini sama mudah: isyarat gigi gergaji dijana N-kaunter bit. Peranti digital (DSHIP) beroperasi pada frekuensi tetap, biasanya lebih tinggi daripada tindak balas pemasangan terkawal ( pensampelan semula). Semasa tempoh antara tepi jam, output DSCH kekal stabil, sama ada rendah atau tinggi, bergantung pada output pembanding digital, yang membandingkan nilai pembilang dengan tahap isyarat digital yang menghampiri V(n). Output ke atas banyak kitaran jam boleh ditafsirkan sebagai satu siri denyutan dengan dua kemungkinan nilai 0 dan 1, menggantikan satu sama lain setiap kitaran jam T. Kekerapan kejadian denyutan tunggal adalah berkadar dengan tahap isyarat yang menghampiri ~ V(n). Unit yang mengikuti satu demi satu membentuk kontur satu impuls yang lebih luas. Tempoh denyutan yang diterima dengan lebar berubah ~ V(n), gandaan tempoh jam T, dan kekerapan ialah 1/( T*2 N). Kekerapan rendah bermaksud panjang, relatif T, tempoh ketekalan isyarat pada tahap yang sama, yang memberikan keseragaman taburan nadi yang rendah.

Litar penjanaan digital yang diterangkan terletak di bawah takrif modulasi kod nadi satu-bit (dua peringkat) ( PCM). PCM 1-bit boleh dianggap dalam istilah PWM sebagai satu siri denyutan dengan frekuensi 1/ T dan lebar 0 atau T. Pensampelan berlebihan yang tersedia membolehkan anda mencapai purata dalam tempoh masa yang lebih singkat. Sejenis PCM satu bit seperti modulasi ketumpatan nadi ( modulasi ketumpatan nadi), yang juga dipanggil modulasi frekuensi nadi.

Isyarat analog berterusan dipulihkan melalui aritmetik purata denyutan dalam beberapa tempoh menggunakan penapis laluan rendah yang mudah. Walaupun biasanya ini tidak diperlukan, kerana komponen elektromekanikal pemacu mempunyai kearuhan, dan objek kawalan (OA) mempunyai inersia, denyutan daripada output PWM dilicinkan dan op-amp, dengan frekuensi PWM yang mencukupi isyarat, berkelakuan seolah-olah mengawal isyarat analog biasa.

Lihat juga

• Modulasi vektor ialah modulasi lebar nadi vektor yang digunakan dalam elektronik kuasa.
• SACD ialah format cakera audio yang menggunakan modulasi lebar denyut bagi isyarat audio.

Contohnya);

perintang dengan nilai nominal 190...240 Ohm (di sini adalah set perintang yang sangat baik dengan nilai yang paling biasa);

komputer peribadi dengan persekitaran pembangunan IDE Arduino.

Arahan untuk menggunakan PWM dalam Arduino

1 Maklumat am mengenai modulasi lebar nadi

Pin digital Arduino hanya boleh mengeluarkan dua nilai: logik 0 (RENDAH) dan logik 1 (TINGGI). Itulah sebabnya mereka digital. Tetapi Arduino mempunyai pin "istimewa", yang ditetapkan PWM. Ia kadangkala ditunjukkan oleh garis beralun "~" atau dibulatkan atau dibezakan daripada yang lain. PWM bermaksud Modulasi lebar nadi atau modulasi lebar nadi, PWM.

Isyarat termodulat lebar nadi ialah isyarat nadi frekuensi malar, tetapi berubah-ubah kitaran tugas(nisbah tempoh nadi dan tempoh pengulangannya). Disebabkan fakta bahawa kebanyakan proses fizikal dalam alam semula jadi mempunyai inersia, penurunan voltan secara tiba-tiba dari 1 ke 0 akan terlicin, mengambil beberapa nilai purata. Dengan menetapkan kitaran tugas, anda boleh menukar voltan purata pada output PWM.

Jika kitaran tugas adalah 100%, maka output digital Arduino akan sentiasa mempunyai voltan logik "1" atau 5 volt. Jika anda menetapkan kitaran tugas kepada 50%, maka separuh masa output akan menjadi logik "1" dan separuh masa - logik "0", dan voltan purata akan menjadi 2.5 volt. Dan seterusnya.

Dalam program, kitaran tugas ditentukan bukan sebagai peratusan, tetapi sebagai nombor dari 0 hingga 255. Sebagai contoh, arahan analogWrite(10, 64) akan memberitahu mikropengawal untuk menghantar isyarat dengan kitaran tugas 25% kepada output PWM digital No. 10.

Pin Arduino dengan fungsi modulasi lebar denyut beroperasi pada frekuensi kira-kira 500 Hz. Ini bermakna tempoh ulangan nadi adalah kira-kira 2 milisaat, yang diukur dengan pukulan menegak hijau dalam rajah.

Ternyata kita boleh mensimulasikan isyarat analog pada output digital! Menarik, bukan?!

Bagaimanakah kita boleh menggunakan PWM? Banyak aplikasi! Contohnya, kawal kecerahan LED, kelajuan putaran motor, arus transistor, bunyi daripada pemancar piezo, dsb...

2 Gambar rajah untuk tunjuk cara Modulasi Lebar Nadi dalam Arduino

Mari lihat contoh paling asas - mengawal kecerahan LED menggunakan PWM. Mari kita susun skema klasik.

3 Contoh lakaran dengan PWM

Mari buka lakaran "Pudar" daripada contoh: Sampel Fail 01.Asas Pudar.

Mari kita ubah sedikit dan muatkannya ke dalam memori Arduino.

Int ledPin = 3; // mengisytiharkan pin yang mengawal kecerahan int LED = 0; // pembolehubah untuk menetapkan kecerahan int fadeAmount = 5; // langkah perubahan kecerahan persediaan batal() ( pinMode(ledPin, OUTPUT); } gelung kosong() ( analogWrite(ledPin, kecerahan); // tetapkan kecerahan pada kecerahan pin ledPin += fadeAmount; // tukar nilai kecerahan /* apabila mencapai had 0 atau 255, tukar arah perubahan kecerahan */ jika (kecerahan == 0 || kecerahan == 255) ( fadeAmount = -fadeAmount; // tukar tanda langkah ) kelewatan(30); // kelewatan untuk keterlihatan kesan yang lebih besar }

4 Kawalan kecerahan LED menggunakan PWM dan Arduino

Hidupkan kuasa. LED secara beransur-ansur meningkatkan kecerahan dan kemudian menurun dengan lancar. Kami mensimulasikan isyarat analog pada output digital menggunakan modulasi lebar nadi.

Tonton video yang dilampirkan, yang jelas menunjukkan perubahan dalam kecerahan LED pada osiloskop yang disambungkan, anda boleh melihat bagaimana isyarat daripada Arduino berubah.

Sebelum ini, untuk menggerakkan peranti, mereka menggunakan litar dengan pengubah injak turun (atau injak naik atau berbilang belitan), jambatan diod dan penapis untuk melicinkan riak. Untuk penstabilan, litar linear menggunakan penstabil parametrik atau bersepadu telah digunakan. Kelemahan utama adalah kecekapan rendah dan berat dan dimensi bekalan kuasa yang berkuasa.

Semua peralatan elektrik rumah moden menggunakan bekalan kuasa pensuisan (UPS, IPS - perkara yang sama). Kebanyakan bekalan kuasa ini menggunakan pengawal PWM sebagai elemen kawalan utama. Dalam artikel ini kita akan melihat struktur dan tujuannya.

Definisi dan Faedah Utama

Pengawal PWM ialah peranti yang mengandungi beberapa penyelesaian litar untuk mengawal suis kuasa. Dalam kes ini, kawalan berlaku berdasarkan maklumat yang diterima melalui litar maklum balas untuk arus atau voltan - ini diperlukan untuk menstabilkan parameter output.

Kadangkala penjana nadi PWM dipanggil pengawal PWM, tetapi mereka tidak mempunyai keupayaan untuk menyambungkan litar maklum balas, dan ia lebih sesuai untuk pengawal selia voltan daripada menyediakan kuasa yang stabil kepada peranti. Walau bagaimanapun, dalam kesusasteraan dan portal Internet anda sering boleh mencari nama seperti "pengawal PWM, pada NE555" atau "... pada Arduino" - ini tidak sepenuhnya benar atas sebab di atas, ia hanya boleh digunakan untuk mengawal selia parameter output, tetapi bukan untuk menstabilkan mereka.

Singkatan "PWM" bermaksud modulasi lebar nadi - ini adalah salah satu kaedah memodulasi isyarat bukan disebabkan oleh voltan keluaran, tetapi tepat dengan menukar lebar nadi.

Akibatnya, isyarat simulasi dibentuk dengan menyepadukan denyutan menggunakan litar C- atau LC, dengan kata lain, dengan melicinkan.

Kesimpulan: Pengawal PWM ialah peranti yang mengawal isyarat PWM.

Ciri-ciri Utama

Untuk isyarat PWM, dua ciri utama boleh dibezakan:

1. Frekuensi nadi - kekerapan operasi penukar bergantung pada ini. Frekuensi biasa adalah melebihi 20 kHz, sebenarnya 40-100 kHz.

2. Faktor tugas dan kitaran tugas. Ini adalah dua kuantiti bersebelahan yang mencirikan perkara yang sama. Kitaran tugas boleh dilambangkan dengan huruf S, dan kitaran tugas dengan D.

di mana T ialah tempoh isyarat,

Bahagian masa daripada tempoh apabila isyarat kawalan dijana pada output pengawal sentiasa kurang daripada 1. Kitaran tugas sentiasa lebih besar daripada 1. Pada frekuensi 100 kHz, tempoh isyarat ialah 10 μs, dan suis adalah dibuka selama 2.5 μs, maka kitaran tugas ialah 0.25, sebagai peratusan - 25 %, dan kitaran tugas ialah 4.

Ia juga penting untuk mempertimbangkan reka bentuk dalaman dan tujuan bilangan kunci yang diuruskan.

Perbezaan daripada skim kehilangan linear

Katakan voltan terlicin selepas jambatan diod ialah 15V, arus beban ialah 1A. Anda perlu mendapatkan bekalan kuasa 12V yang stabil. Sebenarnya, penstabil linear ialah rintangan yang mengubah nilainya bergantung kepada nilai voltan masukan untuk mendapatkan keluaran nominal - dengan sisihan kecil (pecahan volt) apabila input berubah (unit dan puluhan volt).

Seperti yang diketahui, perintang membebaskan tenaga haba apabila arus elektrik mengalir melaluinya. Proses yang sama berlaku pada penstabil linear. Kuasa yang diperuntukkan akan sama dengan:

Ploss=(Uin-Uout)*I

Oleh kerana dalam contoh yang dipertimbangkan, arus beban ialah 1A, voltan masukan ialah 15V, dan voltan keluaran ialah 12V, kami akan mengira kerugian dan kecekapan penstabil linear (KRENK atau jenis L7812):

Ploss=(15V-12V)*1A = 3V*1A = 3W

Maka kecekapannya ialah:

n=Puseful/Pconsumed

n=((12V*1A)/(15V*1A))*100%=(12W/15W)*100%=80%

Ciri utama PWM ialah elemen kuasa, biarkan ia menjadi MOSFET, sama ada terbuka atau tertutup sepenuhnya dan tiada arus mengalir melaluinya. Oleh itu, kehilangan kecekapan hanya disebabkan oleh kehilangan kekonduksian

Dan menukar kerugian. Ini adalah topik untuk artikel berasingan, jadi kami tidak akan membincangkan isu ini. Juga, kehilangan bekalan kuasa berlaku (input dan output, jika bekalan kuasa dikuasakan rangkaian), serta pada konduktor, elemen penapis pasif, dsb.

Struktur am

Mari kita pertimbangkan struktur umum pengawal PWM abstrak. Saya menggunakan perkataan "abstrak" kerana, secara umum, semuanya serupa, tetapi fungsinya mungkin masih berbeza dalam had tertentu, dan struktur serta kesimpulan akan berbeza dengan sewajarnya.

Di dalam pengawal PWM, seperti mana-mana IC lain, terdapat kristal semikonduktor di mana litar kompleks terletak. Pengawal termasuk unit berfungsi berikut:

1. Penjana nadi.

2. Sumber voltan rujukan. (ION)

3. Litar untuk memproses isyarat maklum balas (OS): penguat ralat, pembanding.

4. Kawalan penjana nadi transistor terbina dalam, yang direka untuk mengawal kekunci kuasa atau kekunci.

Bilangan suis kuasa yang boleh dikawal oleh pengawal PWM bergantung pada tujuannya. Penukar flyback paling mudah dalam litarnya mengandungi 1 suis kuasa, litar separuh jambatan (tolak-tarik) - 2 suis, litar jambatan - 4.

Pilihan pengawal PWM juga bergantung pada jenis kunci. Untuk mengawal transistor bipolar, keperluan utama ialah arus kawalan keluaran pengawal PWM tidak lebih rendah daripada arus transistor dibahagikan dengan H21e, supaya ia boleh dihidupkan dan dimatikan hanya dengan menghantar denyutan ke pangkalan. Dalam kes ini, kebanyakan pengawal akan melakukannya.

Dalam kes pengurusan, terdapat nuansa tertentu. Untuk mematikan dengan cepat, anda perlu menyahcas kapasitans pintu. Untuk melakukan ini, litar output get dibuat daripada dua kekunci - salah satunya disambungkan ke bekalan kuasa dengan pin IC dan mengawal pintu (menghidupkan transistor), dan yang kedua dipasang di antara output dan tanah, apabila anda perlu mematikan transistor kuasa - kunci pertama ditutup, yang kedua terbuka, menutup pengatup ke tanah dan melepaskannya.

menarik:

Sesetengah pengawal PWM untuk bekalan kuasa kuasa rendah (sehingga 50 W) tidak menggunakan suis kuasa terbina dalam atau luaran. Contoh - 5l0830R

Secara umumnya, pengawal PWM boleh diwakili sebagai pembanding, satu input dibekalkan dengan isyarat daripada litar maklum balas (FC), dan isyarat menukar gigi gergaji dibekalkan kepada input kedua. Apabila isyarat gigi gergaji mencapai dan melebihi isyarat OS dalam magnitud, nadi muncul pada output pembanding.

Apabila isyarat pada input berubah, lebar nadi berubah. Katakan anda menyambungkan pengguna yang berkuasa kepada bekalan kuasa, dan voltan pada outputnya menurun, maka voltan OS juga akan turun. Kemudian, dalam kebanyakan tempoh, isyarat gigi gergaji akan melebihi isyarat maklum balas, dan lebar nadi akan meningkat. Semua perkara di atas ditunjukkan pada tahap tertentu dalam graf.

Gambar rajah fungsi pengawal PWM menggunakan TL494 sebagai contoh kita akan melihatnya dengan lebih terperinci kemudian. Tujuan pin dan nod individu diterangkan dalam subtajuk berikut.

Pin tugasan

Pengawal PWM boleh didapati dalam pelbagai pakej. Mereka boleh mempunyai dari tiga hingga 16 atau lebih kesimpulan. Sehubungan itu, fleksibiliti menggunakan pengawal bergantung pada bilangan pin, atau lebih tepatnya tujuannya. Sebagai contoh, litar mikro yang popular paling kerap mempunyai 8 pin, dan yang lebih ikonik mempunyai TL494- 16 atau 24.

Oleh itu, mari kita lihat nama pin biasa dan tujuannya:

GND- terminal biasa disambungkan ke tolak litar atau ke tanah.

Uc(Vc)- bekalan kuasa litar mikro.

Ucc (vss, Vcc)- Output untuk kawalan kuasa. Sekiranya kuasa merosot, maka ada kemungkinan suis kuasa tidak akan terbuka sepenuhnya, dan kerana ini mereka akan mula panas dan terbakar. Output diperlukan untuk melumpuhkan pengawal dalam keadaan sedemikian.

KELUAR- seperti namanya, ini adalah output pengawal. Isyarat PWM kawalan untuk suis kuasa dikeluarkan di sini. Kami menyebut di atas bahawa penukar topologi yang berbeza mempunyai bilangan kunci yang berbeza. Nama pin mungkin berbeza bergantung pada ini. Sebagai contoh, dalam pengawal separuh jambatan ia boleh dipanggil HO dan LO untuk suis tinggi dan rendah, masing-masing. Dalam kes ini, output boleh menjadi satu hujung atau tolak-tarik (dengan satu suis dan dua) - untuk mengawal transistor kesan medan (lihat penjelasan di atas). Tetapi pengawal itu sendiri boleh untuk litar kitaran tunggal dan tolak - dengan satu dan dua pin output, masing-masing. Ini penting.

Vref- voltan rujukan, biasanya disambungkan ke tanah melalui kapasitor kecil (unit mikrofarad).

ILIM- isyarat daripada sensor semasa. Diperlukan untuk mengehadkan arus keluaran. Menyambung kepada litar maklum balas.

ILIMREF- voltan pencetus kaki ILIM ditetapkan padanya

SS- isyarat dijana untuk permulaan lembut pengawal. Direka untuk peralihan lancar ke mod nominal. Kapasitor dipasang di antaranya dan wayar biasa untuk memastikan permulaan yang lancar.

RtCt- terminal untuk menyambungkan litar RC pemasaan, yang menentukan kekerapan isyarat PWM.

JAM- denyutan jam untuk menyegerakkan beberapa pengawal PWM antara satu sama lain, maka litar RC disambungkan hanya kepada pengawal induk, dan hamba RT dengan Vref, hamba CT disambungkan kepada yang biasa.

RAMP ialah input perbandingan. Voltan gigi gergaji digunakan padanya, contohnya dari pin Ct Apabila ia melebihi nilai voltan pada output penguatan ralat, nadi penutupan muncul pada OUT - asas untuk peraturan PWM.

INV dan NONINV- ini ialah input penyongsangan dan bukan penyongsangan bagi pembanding di mana penguat ralat dibina. Dalam perkataan mudah: semakin tinggi voltan pada INV, semakin lama denyutan output dan sebaliknya. Isyarat daripada pembahagi voltan dalam litar maklum balas daripada output disambungkan kepadanya. Kemudian input bukan terbalik NONINV disambungkan ke wayar biasa - GND.

EAOUT atau Output Penguat Ralat rus. Output penguat ralat. Walaupun fakta bahawa terdapat input penguat ralat dan dengan bantuan mereka, pada dasarnya, anda boleh melaraskan parameter output, tetapi pengawal bertindak balas terhadap ini agak perlahan. Akibat tindak balas yang perlahan, litar mungkin menjadi teruja dan gagal. Oleh itu, isyarat dibekalkan daripada pin ini melalui litar bergantung kepada frekuensi kepada INV. Ini juga dipanggil pembetulan frekuensi penguat ralat.

Contoh peranti sebenar

Untuk menyatukan maklumat, mari lihat beberapa contoh pengawal PWM biasa dan litar sambungannya. Kami akan melakukan ini menggunakan contoh dua litar mikro:

TL494 (analognya: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

Mereka digunakan secara aktif. By the way, bekalan kuasa ini mempunyai kuasa yang besar (100 W atau lebih pada bas 12V). Selalunya digunakan sebagai penderma untuk penukaran kepada bekalan kuasa makmal atau pengecas berkuasa universal, contohnya untuk bateri kereta.

TL494 - ulasan

Mari kita mulakan dengan cip ke-494. Ciri teknikalnya:

Dalam contoh khusus ini, anda boleh melihat kebanyakan penemuan yang diterangkan di atas:

1. Input bukan penyongsangan pembanding ralat pertama

2. Menyongsangkan input pembanding ralat pertama

3. Input maklum balas

4. Input pelarasan masa mati

5. Terminal untuk menyambungkan kapasitor pemasaan luaran

6. Output untuk menyambung perintang pemasaan

7. Pin biasa litar mikro, tolak bekalan kuasa

8. Terminal pengumpul transistor keluaran pertama

9. Terminal pemancar transistor keluaran pertama

10. Terminal pemancar transistor keluaran kedua

11. Terminal pengumpul transistor keluaran kedua

12. Input voltan bekalan

13. Input untuk memilih mod operasi kitaran tunggal atau tolak litar mikro

14. Output rujukan 5 volt terbina dalam

15. Menyongsangkan input pembanding ralat kedua

16. Input bukan penyongsangan pembanding ralat kedua

Rajah di bawah menunjukkan contoh bekalan kuasa komputer berdasarkan cip ini.

UC3843 - semakan

Satu lagi PWM yang popular ialah cip 3843 - komputer dan bekalan kuasa lain turut dibina di atasnya. Pinoutnya terletak lebih rendah, seperti yang anda lihat, ia hanya mempunyai 8 pin, tetapi ia menjalankan fungsi yang sama seperti IC sebelumnya.

menarik:

Terdapat UC3843 dalam sarung 14 kaki, tetapi ia adalah kurang biasa. Beri perhatian kepada tanda - pin tambahan sama ada diduakan atau tidak digunakan (NC).

Mari kita tafsirkan tujuan kesimpulan:

1. Input pembanding (penguat ralat).

2. Masukan voltan maklum balas. Voltan ini dibandingkan dengan voltan rujukan di dalam IC.

3. Sensor semasa. Ia disambungkan kepada perintang yang terletak di antara transistor kuasa dan wayar biasa. Diperlukan untuk perlindungan lebihan beban.

4. Masa litar RC. Dengan bantuannya, kekerapan operasi IC ditetapkan.

6. Keluar. Kawalan voltan. Disambungkan ke gerbang transistor, berikut ialah peringkat keluaran tolak-tarik untuk mengawal penukar satu hujung (satu transistor), yang boleh dilihat dalam rajah di bawah.

Jenis Buck, Boost dan Buck-Boost.

Mungkin salah satu contoh yang paling berjaya ialah litar mikro LM2596 yang meluas, yang berdasarkannya anda boleh menemui banyak penukar di pasaran, seperti yang ditunjukkan di bawah.

Litar mikro sedemikian mengandungi semua penyelesaian teknikal yang diterangkan di atas, dan juga, bukannya peringkat keluaran pada suis kuasa rendah, ia mempunyai suis kuasa terbina dalam yang mampu menahan arus sehingga 3A. Struktur dalaman penukar sedemikian ditunjukkan di bawah.

Anda boleh yakin bahawa pada dasarnya tidak ada perbezaan istimewa daripada yang dibincangkan di dalamnya.

Tetapi berikut adalah contoh pada pengawal sedemikian, seperti yang anda lihat, tiada suis kuasa, tetapi hanya litar mikro 5L0380R dengan empat pin. Ini berikutan bahawa dalam tugas tertentu litar kompleks dan fleksibiliti TL494 tidak diperlukan. Ini benar untuk bekalan kuasa kuasa rendah, di mana tiada keperluan khas untuk hingar dan gangguan, dan riak keluaran boleh ditindas dengan penapis LC. Ini ialah bekalan kuasa untuk jalur LED, komputer riba, pemain DVD, dsb.

Kesimpulan

Pada permulaan artikel, dikatakan bahawa pengawal PWM ialah peranti yang memodelkan nilai voltan purata dengan menukar lebar nadi berdasarkan isyarat daripada litar maklum balas. Saya perhatikan bahawa nama dan klasifikasi setiap pengarang selalunya berbeza; kadangkala pengawal PWM dipanggil pengawal voltan PWM yang mudah, dan keluarga litar mikro elektronik yang diterangkan dalam artikel ini dipanggil "Subsistem bersepadu untuk penukar penstabilan nadi." Nama tidak mengubah intipati, tetapi timbul perselisihan dan salah faham.