PWM'nin bir anahtarlama tekniği olarak kullanılması
Darbe Genişliği Modülasyonu (PWM), modern elektronik güç anahtarları tarafından pratik hale getirilen, genellikle bir elektrikli cihaza DC gücü kontrol etmek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Ancak AC helikopterlerinde de yerini bulur. Yüke verilen ortalama akım değeri, anahtar konumu ve durumunun süresi ile kontrol edilir. Anahtarın Açık süresi, kapalı süresine kıyasla daha uzunsa, yük nispeten daha yüksek güç alır. Bu nedenle PWM anahtarlama frekansının daha hızlı olması gerekir.
Tipik olarak anahtarlama, bir elektrikli ocakta dakikada birkaç kez, lamba dimmerinde 120 Hz, bir motor sürücüsü için birkaç kilohertz'den (kHz) onlarca kHz'e kadar yapılmalıdır. Ses amplifikatörleri ve bilgisayar güç kaynakları için anahtarlama frekansı yaklaşık on ila yüzlerce kHz'dir. AÇIK süresinin darbenin zaman periyoduna oranı, görev döngüsü olarak bilinir. Görev döngüsü düşükse, düşük güç anlamına gelir.
Anahtarlama cihazındaki güç kaybı, cihazın kapalı durumunda akan neredeyse ihmal edilebilir miktarda akım ve KAPALI durumunda ihmal edilebilir miktarda voltaj düşüşü nedeniyle çok düşüktür. Dijital kontroller ayrıca PWM tekniğini kullanır. PWM, görev döngüsünün bir iletişim kanalı üzerinden bilgi iletmek için kullanıldığı belirli iletişim sistemlerinde de kullanılmıştır.
PWM, bir güç aktarımı dirençli araçlarla sınırlandırıldığında normalde meydana gelen kayıplar olmaksızın bir yüke iletilen toplam güç miktarını ayarlamak için kullanılabilir. Dezavantajlar, görev döngüsü, anahtarlama frekansı ve yük özellikleri ile tanımlanan titreşimlerdir. Yeterince yüksek bir anahtarlama frekansı ile ve gerektiğinde ek pasif elektronik filtreler kullanılarak darbe dizisi düzleştirilebilir ve ortalama analog dalga biçimi geri kazanılabilir. Yüksek frekanslı PWM kontrol sistemleri, yarı iletken anahtarlar kullanılarak kolayca uygulanabilir.
Yukarıda belirtildiği gibi, açık veya kapalı durumdayken anahtar tarafından neredeyse hiç güç dağıtılmaz. Bununla birlikte, açma ve kapama durumları arasındaki geçişler sırasında hem voltaj hem de akım sıfır değildir ve bu nedenle anahtarlarda önemli miktarda güç harcanır. Neyse ki, tamamen açık ve tamamen kapalı arasındaki durum değişikliği, tipik açma veya kapama sürelerine göre oldukça hızlıdır (tipik olarak 100 nanosaniyeden az) ve bu nedenle ortalama güç kaybı, yüksek anahtarlama frekanslarında bile sağlanan güce kıyasla oldukça düşüktür. kullanılmış.
Yüke DC gücü sağlamak için PWM kullanımı
Endüstriyel işlemin çoğu, sürücünün hızı söz konusu olduğunda belirli parametrelerde çalıştırılmasını gerektirir. Birçok endüstriyel uygulamada kullanılan elektrikli tahrik sistemleri, kontrol edilebilirlik kolaylığı nedeniyle daha yüksek performans, güvenilirlik ve değişken hız gerektirir. DC motorun hız kontrolü hassasiyet ve korumanın önemli olduğu uygulamalarda önemlidir. Bir motor hız kontrol cihazının amacı, gerekli hızı temsil eden bir sinyal almak ve bu hızda bir motoru sürmektir.
Darbe genişliği modülasyonu (PWM), motor kontrolüne uygulandığı şekliyle, enerjiyi sürekli değişen (analog) bir sinyalden ziyade bir dizi darbeyle iletmenin bir yoludur. Darbe genişliğini artırarak veya azaltarak, kontrolör motor şaftına giden enerji akışını düzenler. Motorun kendi endüktansı bir filtre gibi davranır, 'AÇIK' döngüsü sırasında enerji depolarken, onu giriş veya referans sinyaline karşılık gelen bir oranda serbest bırakır. Başka bir deyişle, enerji, yüke anahtarlama frekansından çok değil, referans frekansında akar.
Devre, hızını kontrol etmek için kullanılır. DC motoru PWM tekniğini kullanarak. Seri Değişken Hızlı DC Motor Kontrolörü 12V, DC12 Volt motor hızını düzenlemek için PWM darbe üreteci olarak bir 555 zamanlayıcı IC kullanır. IC 555, zamanlayıcı devreleri yapmak için kullanılan popüler Zamanlayıcı Çipidir. 1972'de Signetics tarafından tanıtıldı. İçerisinde 3 adet 5 K direnç bulunduğu için 555 olarak adlandırılır. IC, iki karşılaştırıcıdan oluşur, bir direnç zinciri, bir Flip Flop ve bir çıkış aşaması. 3 temel modda çalışır - Kararlı, Tek Durumlu (burada tek atımlık bir darbe üreteci ve Bistable modu hareket eder. Yani tetiklendiğinde çıkış, zamanlama direnci ve kapasitör değerlerine bağlı olarak bir süre yüksek olur. Kararlı mod (AMV), IC, serbest çalışan bir multivibratör olarak çalışır.Çıkış, bir osilatör olarak titreşimli çıkış vermek için sürekli olarak yüksek ve düşük döner.Schmitt tetik olarak da bilinen Bistable modda, IC, yüksek veya her tetikleyicide düşük çıkış ve sıfırlama.
Bu devrede IRF540 MOSFET kullanılmaktadır. Bu, N-Kanal geliştirme MOSFET'tir. Arıza çığ çalışma modunda belirli bir enerji düzeyine dayanacak şekilde tasarlanmış, test edilmiş ve garantili gelişmiş bir güç MOSFET'tir. Bu güçlü MOSFET'ler, anahtarlama düzenleyicileri, anahtarlama dönüştürücüleri, motor sürücüleri, röle sürücüleri ve yüksek hız ve düşük geçit sürücü gücü gerektiren yüksek güçlü çift kutuplu anahtarlama transistörleri için sürücüler gibi uygulamalar için tasarlanmıştır. Bu tipler doğrudan entegre devrelerden çalıştırılabilir. Bu devrenin çalışma voltajı, sürülen DC motorun ihtiyacına göre ayarlanabilir. Bu devre 5-18VDC'den çalışabilir.
Devrenin üstünde yani PWM ile DC motor hız kontrolü teknik, sırayla motorun hızını kontrol eden görev döngüsünü değiştirir. IC 555, kararsız modda serbest çalışan çoklu vibratörde bağlanmıştır. Devre, görev döngüsünü değiştirmek ve frekansı sabit tutmak için kullanılan bir potansiyometre ve iki diyottan oluşan bir düzenlemeden oluşur. Değişken direnç veya potansiyometrenin direnci değiştikçe, MOSFET'e uygulanan darbelerin görev döngüsü değişir ve buna göre motora giden DC gücü değişir ve dolayısıyla görev döngüsü arttıkça hızı artar.
Yüklemek için AC gücü sağlamak için PWM kullanımı
MOSFET'ler veya Insulated-gate bipolar transistörler (IGBT'ler) gibi modern yarı iletken anahtarlar oldukça ideal bileşenlerdir. Böylece yüksek verimli kontrolörler inşa edilebilir. Tipik olarak AC motorları kontrol etmek için kullanılan frekans dönüştürücüler% 98'den daha iyi bir verime sahiptir. Anahtarlama güç kaynakları, düşük çıkış voltaj seviyeleri nedeniyle daha düşük verimliliğe sahiptir (mikroişlemciler için genellikle 2 V'tan daha azına ihtiyaç vardır), ancak yine de% 70-80'den fazla verimlilik elde edilebilir.
AC için bu tür bir kontrol, güçle bilinen gecikmeli ateşleme açısı yöntemidir. İhmal edilebilir gürültü oluşturan gerçek PWM kontrolüne kıyasla daha ucuzdur ve çok fazla elektriksel gürültü ve harmonik üretir.
Endüstriyel ısıtma, aydınlatma kontrolü, yumuşak başlatma endüksiyon motorları ve fanlar ve pompalar için hız kontrol cihazları gibi birçok uygulamada, sabit AC kaynağından değişken AC voltajı gerektirir. Regülatörlerin faz açısı kontrolü, bu gereksinimler için yaygın olarak kullanılmaktadır. Basitlik ve büyük miktarda gücü ekonomik olarak kontrol etme yeteneği gibi bazı avantajlar sunar. Bununla birlikte, gecikmeli ateşleme açısı, yük akımında süreksizliğe ve bol miktarda harmoniğe neden olur ve ateşleme açısı arttığında AC tarafında gecikmeli bir güç faktörü oluşur.
Bu sorunlar PWM AC kıyıcı kullanılarak iyileştirilebilir. Bu PWM AC kıyıcı, bire yakın güç faktörüne sahip sinüzoidal giriş akımı gibi çeşitli avantajlar sunar. Bununla birlikte, filtre boyutunu azaltmak ve çıkış regülatörünün kalitesini iyileştirmek için anahtarlama frekansı artırılmalıdır. Bu, yüksek anahtarlama kaybına neden olur. Diğer bir sorun, serbest devinimli anahtar S2 ile transfer anahtarı S1 arasındaki komütasyondur. Her iki anahtar da aynı anda açılırsa (kısa devre) akım yükselmesine ve her iki anahtar da kapatılırsa voltaj yükselmesine neden olur (serbest dönüş yolu yok). Bu sorunlardan kaçınmak için RC durdurucu kullanıldı. Ancak bu, devredeki güç kaybını arttırır ve yüksek güç uygulamaları için zor, pahalı, hantal ve verimsizdir. Sıfır akım gerilim anahtarlamalı (ZCS-ZVS) AC kıyıcı önerilmektedir. Çıkış voltaj regülatörü, PWM sinyali tarafından kontrol edilen kapatma süresini değiştirmelidir. Bu nedenle, yumuşak anahtarlamayı elde etmek için frekans kontrolünün kullanılması gerekir ve genel kontrol sistemleri, açma zamanı üreten PWM tekniklerini kullanır. Bu tekniğin sigma-delta modülasyonu ile basit kontrol ve sürekli giriş akımı gibi avantajları vardır. Önerilen devre konfigürasyonunun ve PWM kesilmiş modellerin özellikleri aşağıda sunulmuştur.
