PWM Nedir, Nasıl Ölçülür?

PWM, ayrı bir IC, MCU veya transistörlü bir devre gibi belirli bir kaynaktan üretilebilen darbe genişliklerinin değişken doğasını belirten darbe genişlik modülasyonunu ifade eder.

PWM nedir

Basit bir ifadeyle, bir PWM işlemi, farklı AÇMA / KAPAMA zamanlama oranlarına sahip belirli bir hızda bir besleme gerilimini AÇIK ve KAPALI duruma getirmekten başka bir şey değildir; burada gerilimin AÇIK anahtar uzunluğu, KAPALI anahtar uzunluğundan daha büyük, daha küçük veya eşit olabilir.

Örneğin, bir PWM, 2 saniye AÇIK, 1 saniye KAPALI, 1 saniye AÇIK 2 saniye KAPALI veya 1 saniye AÇIK, 1 saniye KAPALI oranında AÇIK ve KAPALI konuma getirmek için sabitlenmiş bir voltajdan oluşabilir.

Bir besleme voltajının bu AÇIK / KAPALI oranı farklı şekilde optimize edildiğinde, voltajın bir PWM veya Darbe Genişliği modülasyonlu olduğunu söyleriz.

Aşağıda gösterildiği gibi bir voltaj v / s zaman grafiğinde sabit bir DC potansiyelinin nasıl göründüğüne hepiniz aşina olmalısınız:

Yukarıdaki görüntüde 9V seviyesinde düz bir çizgi görebiliyoruz, bu 9V seviyesinin zamana göre değişmemesi ve dolayısıyla düz bir çizgiye şahit olabilmemiz nedeniyle elde ediliyor.

Şimdi bu 9V her 1 saniyede bir AÇIK ve KAPALI konuma getirilirse, yukarıdaki grafik şuna bakacaktır:

Artık 9V hattının artık her 1 saniyeden sonra bloklar şeklinde düz bir çizgi rater olmadığını açıkça görebiliyoruz, çünkü 9V her saniyeden sonra dönüşümlü olarak AÇIK ve KAPALI konuma getiriliyor.

Yukarıdaki izler dikdörtgen bloklar gibi görünür, çünkü 9V AÇIK ve KAPALI konuma getirildiğinde işlemler anında gerçekleşir ve bu da 9V'nin aniden sıfır seviyesine ve ardından aniden 9V seviyesine gitmesine neden olarak grafik üzerinde dikdörtgen şekiller oluşturur.

Yukarıdaki durum, ölçülecek iki parametreye sahip titreşimli bir gerilime yol açar: tepe gerilimi ve ortalama gerilim veya RMS gerilimi.

Tepe ve Ortalama Gerilim

İlk görüntüde tepe voltajı açıkça 9V'dur ve ortalama voltaj da 9V'dur, çünkü voltaj herhangi bir kesinti olmadan sabittir.

Bununla birlikte, ikinci görüntüde, voltaj 1 Hz hızında (1 saniye AÇIK, 1 saniye KAPALI) AÇIK / KAPALI konuma getirilse de tepe noktası yine 9V'a eşit olacaktır, çünkü tepe AÇIK dönemlerde her zaman 9V işaretine ulaşmaktadır. Ancak buradaki ortalama voltaj 9V değil 4.5V çünkü voltajın oluşumu ve kesilmesi% 50 oranında yapılır.

PWM tartışmalarında bu AÇIK / KAPALI oranına PWM'nin görev döngüsü denir, bu nedenle yukarıdaki durumda% 50'lik bir görev döngüsüdür.

Bir DC aralığında dijital multimetre ile bir PWM'yi ölçtüğünüzde, her zaman sayaçtaki ortalama değer okumasını alırsınız.

Yeni hobiler genellikle bu okumayla karıştırılır ve bunu en yüksek değer olarak alır, ki bu tamamen yanlıştır.

Yukarıda açıklandığı gibi, bir PWM'nin tepe değeri çoğunlukla devreye beslenen besleme voltajına eşit olurken, sayaçtaki ortalama voltaj, PWM'lerin AÇIK / KAPALI periyotlarının ortalaması olacaktır.

Mosfet'i PWM ile değiştirme

Dolayısıyla, bir PWM ile bir mosfet'i değiştiriyorsanız ve örneğin 3V gibi bir geçit voltajını bulursanız, panik yapmayın, çünkü bu yalnızca sayaç tarafından gösterilen ortalama voltaj olabilir, tepe voltajı devrenizin kaynağı kadar yüksek olabilir. Voltaj.

Bu nedenle, mosfet'in bu tepe değerlerinde iyi ve tam olarak iletken olması beklenebilir ve ortalama gerilim, cihazın anahtarlama özelliğini değil, yalnızca iletim süresini etkiler.

Önceki bölümlerde tartıştığımız gibi, bir PWM temelde darbe genişliklerinin değiştirilmesini, başka bir deyişle DC'nin AÇIK ve KAPALI dönemlerini içerir.

Diyelim ki AÇIK süresine sahip bir PWM çıkışı, AÇIK süresinden% 50 daha az olsun.

Aşağıdaki diyagramda görülebileceği gibi, seçilen AÇMA süresinin 1/2 saniye olduğunu ve ardından KAPATMA süresinin 1 saniyeye eşit olacağını varsayalım, bu da 1/2 saniye AÇIK ve 1 saniye KAPALI görev döngüsüne yol açar. .

PWM'nin Görev Döngüsünün Analizi

Bu örnekte PWM'ler, 9V'luk bir tepe voltajı üretecek şekilde optimize edilmiştir ancak ortalama voltaj 3.15V'dur, çünkü AÇMA süresi, bir tam AÇIK / KAPALI döngüsünün yalnızca% 35'i kadardır.

Bir tam döngü, verilen darbenin bir tam AÇIK ve bir KAPALI zamanını tamamlamasına izin veren süreyi ifade eder.

Benzer şekilde, aşağıdaki verilerle bir frekansın darbe genişliğini optimize etmek amaçlanabilir:

Burada, bir tam döngü boyunca AÇMA süresinin KAPALI süresinden% 65 arttığı görülebilir, bu nedenle burada voltajın ortalama değeri 5.85V olur.

Yukarıda tartışılan ortalama voltaj ayrıca RMS veya voltajın ortalama kare değeri olarak da adlandırılır.

Bunların tümü dikdörtgen veya kare darbeler olduğundan, RMS, görev döngüsü yüzdesi ile tepe voltajı çarpılarak basitçe hesaplanabilir.

Sinewave'i Simüle Etmek için PWM'yi Optimize Etme

Bununla birlikte, PWM'nin bir AC darbesini simüle etmek için optimize edildiği durumlarda, RMS için hesaplama biraz karmaşık hale gelir.

Değişen genliğe veya Sinüzoidal AC sinyal seviyesine karşılık gelen genişliğini değiştirmek için optimize edilmiş aşağıdaki PWM örneğini ele alalım.

IC 555'in nasıl kullanılabileceğini açıkladığım önceki makalelerimden bu konuda daha fazla bilgi edinebilirsiniz. sinüs dalgası eşdeğeri PWM çıkışı üretmek .

Yukarıdaki görüntüde görebileceğimiz gibi, sinyallerin genişliği sinüs dalgasının anlık seviyesine göre değişiyor. Sinüs dalgası zirveye ulaşma eğilimi gösterdikçe, darbenin karşılık gelen genişliği genişler ve bunun tersi de geçerlidir.

SPWM'yi kullanma

Bu, sinüs dalgası voltaj seviyesinin zamanla sürekli değiştiğinden, PWM'lerin de genişliklerini sürekli değiştirerek zamanla değiştiğini gösterir. Bu tür PWM, SPWM veya Sinüs Dalga Darbe Genişliği Modülasyonu olarak da adlandırılır.

Dolayısıyla, yukarıdaki durumda darbeler hiçbir zaman sabit değildir ve zamanla genişliklerini farklı şekilde değiştirirler.

Bu, RMS'yi veya ortalama değer hesaplamasını biraz karmaşık hale getirir ve RMS'yi elde etmek için görev döngüsünü buradaki tepe voltajıyla basitçe çarpamayız.

RMS ifadesini türetmek için gerçek formül oldukça karmaşık olsa da, uygun türetmelerden sonra son uygulama aslında oldukça kolaylaşır.

Bir PWM'nin RMS voltajını hesaplama

Bu nedenle, bir sinüs dalgasına yanıt olarak değişen bir PWM voltajının RMS'sini hesaplamak için, 0,7 (sabit) tepe voltajı ile çarpılarak elde edilebilir.

Yani 9V tepe için 9 x 0.7 = 6.3V elde ederiz, bu RMS voltajı veya sinüs dalgasını simüle eden 9V tepeden tepeye PWM'nin ortalama değeridir.

Elektronik Devrelerdeki PWM'nin Rolü?

PWM konseptinin esasen aşağıdakilerle ilişkili olduğunu göreceksiniz:
İndüktörlere sahip devre tasarımları, özellikle invertörler gibi buck boost topolojilerini içerir, SMPS , MPPT, LED sürücü devreleri vb.

Bir indüktör olmadan, bir PWM özelliğinin belirli bir devrede gerçek bir değeri veya rolü olmayabilir, bunun nedeni, yalnızca bir indüktörün, değişken bir darbe genişliğini eşdeğer miktarda yükseltilmiş (artırılmış) veya azaltılmış (bükülmüş) bir miktara dönüştürme özelliğine sahip olmasıdır. bir PWM teknolojisinin tamamı ve tek fikri haline gelen voltaj veya akım.

PWM'yi İndüktörlerle Kullanma

PWM'nin bir indüktör çıkışını voltaj ve akım açısından nasıl etkilediğini anlamak için, öncelikle bir indüktörün titreşimli bir voltajın etkisinde nasıl davrandığını öğrenmek önemlidir.

Önceki gönderilerimden birinde şu konuyu açıkladım: Buck boost devresi nasıl çalışır Bu, bir indüktör çıkışını boyutlandırmak için PWM'lerin veya değişken bir darbe genişliğinin nasıl kullanılabileceğini gösteren klasik bir örnektir.

Bir indüktörün 'doğası gereği' her zaman üzerine ani bir voltaj uygulamasına karşı çıktığı ve sargı özelliklerine bağlı olarak yalnızca belirli bir süre sonra geçmesine izin verdiği ve bu işlem sırasında eşdeğer miktarda enerjiyi depoladığı iyi bilinmektedir. o.

Şimdi, yukarıdaki işlem sırasında voltaj aniden KAPALI hale gelirse, indüktör yine uygulanan voltajın bu ani kaybolmasıyla başa çıkamaz ve içinde depolanan akımı serbest bırakarak onu dengelemeye çalışır.

İndüktörün PWM'ye Tepkisi

Böylelikle bir indüktör, akımı depolayarak gerilimin AÇIK konuma getirilmesine karşı çıkmaya çalışacak ve depolanan enerjiyi sisteme geri 'atarak' gerilimin aniden KAPATILMASI durumunda eşitlemeye çalışacaktır.

Bu geri tepme, bir indüktörün geri EMF'si olarak adlandırılır ve bu enerjinin içeriği (voltaj, akım) indüktör sargı özelliklerine bağlı olacaktır.

Temel olarak dönüş sayısı, EMF'nin voltajda besleme voltajından daha yüksek mi yoksa besleme voltajından daha mı düşük olacağına karar verir ve telin kalınlığı, indüktörün sağlayabileceği akım miktarına karar verir.

Yukarıdaki indüktörün başka bir yönü daha var, bu da voltaj AÇIK / KAPALI dönemlerinin zamanlamasıdır.

PWM kullanımının kritik olduğu yer burasıdır.

Dönüş sayısı temelde belirli bir için çıktı değerlerini belirlese de, bunlar aynı zamanda optimize edilmiş bir PWM girişini bir indüktör besleyerek istenildiği gibi değiştirilebilir.

Değişken bir PWM aracılığıyla, bir indüktörü, yükseltilmiş voltaj (azaltılmış akım) veya yükseltilmiş akım (azaltılmış voltaj) veya tam tersi olarak istenen herhangi bir oranda voltaj ve akım üretmeye / dönüştürmeye zorlayabiliriz.

Bazı uygulamalarda, bir LED ışığını kısmak için veya MCU zamanlayıcı devrelerinde olduğu gibi, bir indüktör olmadan bile bir PWM kullanılabilir; burada, çıkış, farklı açma, açma, kapatma süreleri gibi bir yükü kontrol etmek için voltajlar üretecek şekilde optimize edilebilir. amaçlanan çalışma özellikleri.