Použití PWM jako přepínací techniky
Pulse Width Modulation (PWM) je běžně používaná technika pro obecné ovládání stejnosměrného napájení elektrického zařízení, praktická díky moderním elektronickým výkonovým spínačům. Také si však najde své místo v střídačech střídavého proudu. Průměrná hodnota proudu dodávaného do zátěže je řízena polohou spínače a dobou trvání jeho stavu. Pokud je doba zapnutí spínače delší ve srovnání s dobou vypnutí, zátěž přijímá poměrně vyšší výkon. Frekvence spínání PWM tedy musí být rychlejší.
Spínání se obvykle musí provádět několikrát za minutu v elektrickém sporáku, 120 Hz ve stmívači lampy, od několika kilohertzů (kHz) do desítek kHz u motorového pohonu. Spínací frekvence pro zvukové zesilovače a napájecí zdroje počítače je asi deset až stovky kHz. Poměr doby ZAPNUTÍ k době periody pulzu je známý jako pracovní cyklus. Pokud je pracovní cyklus nízký, znamená to nízký výkon.
Ztráta výkonu ve spínacím zařízení je velmi nízká v důsledku téměř zanedbatelného množství proudu protékajícího ve vypnutém stavu zařízení a zanedbatelného množství poklesu napětí v jeho vypnutém stavu. Digitální ovládací prvky také používají techniku PWM. PWM se také používá v určitých komunikačních systémech, kde se jeho pracovní cyklus používá k přenosu informací přes komunikační kanál.
PWM lze použít k úpravě celkového množství energie dodávané do zátěže bez ztrát, ke kterým obvykle dochází, když je přenos energie omezen odporovými prostředky. Nevýhodou jsou pulzace definované pracovním cyklem, spínací frekvencí a vlastnostmi zátěže. S dostatečně vysokou spínací frekvencí a, je-li to nutné, použitím dalších pasivních elektronických filtrů lze pulzní sled vyhladit a obnovit průměrný analogový průběh. Vysokofrekvenční řídicí systémy PWM lze snadno implementovat pomocí polovodičových spínačů.
Jak již bylo uvedeno výše, téměř žádný výkon se nerozptyluje vypínačem v zapnutém ani vypnutém stavu. Během přechodů mezi stavy zapnutí a vypnutí jsou však napětí i proud nenulové, a proto se značný výkon rozptýlí ve spínačích. Naštěstí je změna stavu mezi plně zapnutým a zcela vypnutým poměrně rychlá (obvykle méně než 100 nanosekund) ve srovnání s typickými dobami zapnutí nebo vypnutí, a proto je průměrný ztrátový výkon poměrně nízký ve srovnání s dodávaným výkonem, i když jsou vysoké spínací frekvence Jsou používány.
Použití PWM k dodávání stejnosměrného proudu do zátěže
Většina průmyslových procesů vyžaduje provoz na určitých parametrech, pokud jde o rychlost pohonu. Systémy elektrického pohonu používané v mnoha průmyslových aplikacích vyžadují díky své snadné ovladatelnosti vyšší výkon, spolehlivost a proměnnou rychlost. The regulace otáček stejnosměrného motoru je důležité v aplikacích, kde je zásadní přesnost a ochrana. Účelem regulátoru otáček motoru je přijmout signál představující požadovanou rychlost a řídit motor touto rychlostí.
Pulzní šířková modulace (PWM), jak se týká řízení motoru, je způsob dodávání energie spíše posloupností pulzů než kontinuálně se měnícím (analogovým) signálem. Zvyšováním nebo snižováním šířky impulzu reguluje regulátor tok energie na hřídel motoru. Vlastní indukčnost motoru funguje jako filtr a ukládá energii během cyklu „ZAPNUTO“, zatímco ji uvolňuje rychlostí odpovídající vstupnímu nebo referenčnímu signálu. Jinými slovy, energie do zátěže neteče ani tak spínací frekvencí, ale spíše referenční frekvencí.
Obvod slouží k řízení rychlosti Stejnosměrný motor pomocí techniky PWM. Řadič stejnosměrného motoru s proměnnými otáčkami 12V používá 555 časovač IC jako generátor pulzů PWM k regulaci otáček motoru DC12 Volt. IC 555 je populární časovačový čip používaný k výrobě časovacích obvodů. To bylo představeno v roce 1972 Signetics. Nazývá se 555, protože uvnitř jsou tři 5K rezistory. IC se skládá ze dvou komparátorů, řetězce rezistorů, Flip Flop a koncového stupně. Funguje ve 3 základních režimech - Astabilní, Monostabilní (kde pracuje s jednorázovým generátorem pulzů a v Bistabilním režimu. To znamená, že když je spuštěn, výstup bude po určitou dobu vysoký na základě hodnot časovacího odporu a kondenzátoru. Astable mode (AMV), IC pracuje jako volně běžící multivibrátor. Výstup se trvale otáčí vysoko a nízko, aby poskytoval pulzující výstup jako oscilátor. V režimu Bistable, známém také jako Schmittova spoušť, pracuje IC jako Flip-Flop s vysokou nebo nízký výstup na každém spouštěči a reset.
V tomto obvodu se používá IRF540 MOSFET. Toto je MOSFET s vylepšením N-kanálu. Jedná se o pokročilý výkonový MOSFET navržený, testovaný a zaručeně vydrží specifikovanou hladinu energie v provozním režimu rozbití laviny. Tyto výkonové MOSFETy jsou určeny pro aplikace, jako jsou spínací regulátory, spínací převodníky, budiče motorů, budiče relé a budiče pro vysoce výkonné bipolární spínací tranzistory vyžadující vysokou rychlost a nízký výkon pohonu brány. Tyto typy lze ovládat přímo z integrovaných obvodů. Pracovní napětí tohoto obvodu lze upravit podle potřeb poháněného stejnosměrného motoru. Tento obvod může pracovat od 5-18VDC.
Nad obvodem, tj. Řízení otáček stejnosměrného motoru pomocí PWM Tato technika mění pracovní cyklus, který zase řídí rychlost motoru. IC 555 je připojen v nestabilním režimu s volně běžícím více vibrátorem. Obvod se skládá z uspořádání potenciometru a dvou diod, které slouží ke změně pracovního cyklu a udržení konstantní frekvence. Vzhledem k tomu, že se mění odpor proměnného rezistoru nebo potenciometru, mění se pracovní cyklus pulzů přiváděných na MOSFET a odpovídajícím způsobem se mění stejnosměrný výkon motoru, a tím se zvyšuje jeho rychlost, jak se zvyšuje pracovní cyklus.
Použití PWM k dodávání střídavého proudu do zátěže
Moderní polovodičové spínače, jako jsou MOSFET nebo bipolární tranzistory s izolovanou bránou (IGBT), jsou docela ideální součásti. Lze tedy postavit vysoce účinné regulátory. Frekvenční měniče používané k řízení střídavých motorů mají obvykle účinnost lepší než 98%. Spínané napájecí zdroje mají nižší účinnost kvůli nízkým úrovním výstupního napětí (pro mikroprocesory je často zapotřebí méně než 2 V), ale stále lze dosáhnout účinnosti vyšší než 70-80%.
Tento druh řízení pro střídavý proud je výkonově známá metoda zpožděného úhlu střelby. Je levnější a generuje spoustu elektrického šumu a harmonických ve srovnání se skutečným řízením PWM, které vytváří zanedbatelný šum.
V mnoha aplikacích, jako je průmyslové vytápění, ovládání osvětlení, indukční motory s pozvolným rozběhem a regulátory otáček pro ventilátory a čerpadla, je vyžadováno proměnné střídavé napětí z pevného zdroje střídavého proudu. Řízení fázového úhlu regulátorů bylo široce používáno pro tyto požadavky. Nabízí některé výhody, jako je jednoduchost a schopnost ekonomicky řídit velké množství energie. Zpožděný úhel zážehu však způsobí diskontinuitu a hojné harmonické v zatěžovacím proudu a na straně střídavého proudu dojde ke zvýšení zaostávajícího účiníku, když se úhel zážehu zvýší.
Tyto problémy lze zlepšit použitím střídače PWM AC. Tento střídavý střídač PWM nabízí několik výhod, jako je sinusový vstupní proud s téměř jednotkovým výkonovým faktorem. Aby se však zmenšila velikost filtru a zlepšila kvalita výstupního regulátoru, měla by se zvýšit spínací frekvence. To způsobí vysokou ztrátu spínání. Dalším problémem je komutace mezi předávacím spínačem SI s volnoběžným spínačem S2. Způsobí proudový hrot, pokud jsou oba spínače zapnuty současně (zkrat), a napěťový hrot, pokud jsou oba spínače vypnuty (žádná volnoběžná dráha). Aby se těmto problémům předešlo, byly použity RC tlumiče. To však zvyšuje ztrátu energie v obvodu a je obtížné, drahé, objemné a neúčinné pro aplikace s vysokým výkonem. Je navržen střídavý střídač se spínáním nulového proudu (ZCS-ZVS). Jeho regulátor výstupního napětí musí měnit dobu vypnutí řízenou signálem PWM. Proto je nutné použít řízení frekvence k dosažení měkkého přepínání a obecné řídicí systémy používají techniky PWM produkující čas zapnutí. Tato technika má výhody, jako je jednoduché ovládání s modulací sigma-delta a pokračující vstupní proud. Vlastnosti navrhované konfigurace obvodu a sekané vzory PWM jsou uvedeny níže.
