Pulzní šířková modulace

PWM nebo PWM (Pulse Width Modulation) je způsob řízení napájení zátěže. Řízení spočívá ve změně doby trvání pulzu při konstantní frekvenci opakování pulzu. Pulse Width Modulation je k dispozici v analogové, digitální, binární a ternární verzi.

Použití pulsně šířkové modulace umožňuje zvýšit účinnost elektrických měničů, zejména u pulsních měničů, které dnes tvoří základ sekundárních zdrojů pro různá elektronická zařízení. Flyback a forward single, push-pull a half-bridge, stejně jako můstkové spínací měniče jsou dnes řízeny za účasti PWM, to platí i pro rezonanční měniče.

Pulzní šířková modulace umožňuje upravit jas podsvícení displejů z tekutých krystalů mobilních telefonů, smartphonů, notebooků. PWM je implementováno v svařovací stroje, ve střídačích aut, v nabíječkách atd. Každá nabíječka dnes při svém provozu využívá PWM.

Jako spínací prvky v moderních vysokofrekvenčních měničích se používají bipolární tranzistory a tranzistory s efektem pole. To znamená, že část periody je tranzistor plně otevřen a část periody je zcela uzavřen.

A protože v přechodných stavech trvajících jen desítky nanosekund je výkon uvolněný spínačem ve srovnání se spínaným výkonem malý, ve výsledku se průměrný výkon uvolněný ve formě tepla na spínači ukazuje jako zanedbatelný. V tomto případě je v sepnutém stavu odpor tranzistoru jako spínače velmi malý a úbytek napětí na něm se blíží nule.

V otevřeném stavu se vodivost tranzistoru blíží nule a proud jím prakticky neteče. To umožňuje vytvářet kompaktní měniče s vysokou účinností, tedy s nízkými tepelnými ztrátami. Rezonanční měniče ZCS (Zero Current Switching) tyto ztráty minimalizují.

U generátorů PWM analogového typu je řídicí signál generován analogovým komparátorem, když je například na invertující vstup komparátoru přiveden signál trojúhelníku nebo triody a na neinvertující vstup je přiveden modulační spojitý signál.

Jsou přijímány výstupní impulsy obdélníkovýjejich opakovací frekvence je rovna frekvenci pily (nebo trojúhelníkového tvaru vlny) a doba trvání kladné části pulzu souvisí s dobou, po kterou je úroveň modulačního stejnosměrného signálu přiváděného na neinvertující vstup komparátor je vyšší než úroveň signálu pily, který je přiváděn na invertující vstup.Když je napětí pily vyšší než modulační signál, výstup bude záporná část pulsu.

Pokud je pila přivedena na neinvertující vstup komparátoru a modulační signál je přiveden na invertující, pak budou mít výstupní impulsy obdélníkového tvaru kladnou hodnotu, když je napětí pily vyšší než hodnota modulačního signálu. přiveden na invertující vstup a záporný — když je napětí pily nižší než modulační signál. Příkladem analogové generace PWM je čip TL494, který je dnes široce používán při konstrukci spínaných zdrojů.

Digitální PWM se používá v binární digitální technologii. Výstupní impulsy také nabývají pouze jedné ze dvou hodnot (zapnuto nebo vypnuto) a průměrná výstupní úroveň se blíží požadované hodnotě. Zde je pilový signál získáván pomocí N-bitového čítače.

Digitální zařízení PWM také pracují na konstantní frekvenci, která nutně překračuje dobu odezvy řízeného zařízení, tento přístup se nazývá oversampling. Mezi hodinovými hranami zůstává digitální PWM výstup stabilní, vysoký nebo nízký, v závislosti na aktuálním stavu výstupu digitálního komparátoru, který porovnává úrovně signálu čítače a přibližného digitálního.

Výstup je taktován jako sekvence impulsů se stavy 1 a 0, každý stav hodin může, ale nemusí být obrácený. Frekvence pulsů je úměrná úrovni blížícího se signálu a následné jednotky mohou tvořit širší, delší puls.

Výsledné pulzy s proměnnou šířkou budou násobky periody hodin a frekvence bude rovna 1/2NT, kde T je hodinová perioda, N je počet hodinových cyklů. Zde je možné dosáhnout nižší frekvence, pokud jde o taktovací frekvenci. Popsané schéma digitálního generování je jednobitová nebo dvouúrovňová PWM, pulzně kódovaná PCM modulace.

Tato dvoustupňová pulzně kódovaná modulace je v podstatě sledem pulzů s frekvencí 1/T a šířkou T nebo 0. Oversampling se používá k průměrování za delší časové období. Vysoce kvalitní PWM je dosaženo jednobitovou pulzně hustou modulací, nazývanou také pulzně-frekvenční modulace.

Při digitální pulzně šířkové modulaci se pravoúhlé subpulzy, které vyplňují periodu, mohou objevit kdekoli v periodě a pak pouze jejich počet ovlivňuje průměrnou hodnotu signálu za periodu. Pokud tedy periodu rozdělíme na 8 částí, pak pulzní kombinace 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 atd. bude dávat stejný průměr periody, ale jednotlivé jednotky dělají pracovní cyklus klíčového tranzistoru těžší.

Svítidla elektroniky, když mluvíme o PWM, dávají podobnou analogii k mechanice. Pokud otočíte těžkým setrvačníkem s motorem poté, co lze motor zapnout nebo vypnout, setrvačník se buď roztočí a bude se dále točit, nebo se zastaví kvůli tření, když je motor vypnutý.

Pokud se však motor zapne na několik sekund za minutu, rotace setrvačníku bude udržována v důsledku setrvačnosti při určité rychlosti. A čím déle je motor zapnutý, tím vyšší je rychlost otáčení setrvačníku.Takže u PWM přichází na výstup signál zapnutí a vypnutí (0 a 1) a výsledkem je průměrná hodnota. Integrací napětí impulsů v čase získáme plochu pod impulsy a účinek na pracovní těleso bude shodný s prací s průměrnou hodnotou napětí.

Takto fungují převodníky, kde dochází k přepínání tisíckrát za sekundu a frekvence dosahují jednotek megahertzů. Speciální PWM regulátory se široce používají k ovládání předřadníků energeticky úsporných žárovek, napájecích zdrojů, frekvenční měniče pro motory atd.

Poměr celkové doby trvání pulsní periody k době zapnutí (kladná část pulsu) se nazývá pracovní cyklus. Pokud je tedy doba zapnutí 10 μs a perioda trvá 100 μs, pak při frekvenci 10 kHz bude pracovní cyklus 10 a píšou, že S = 10. Obrácený pracovní cyklus se nazývá clona cyklus, anglicky Duty cycle nebo zkráceně DC.

Takže pro daný příklad je DC = 0,1, protože 10/100 = 0,1. U pulzně šířkové modulace se úpravou pracovního cyklu pulzu, tedy změnou stejnosměrného proudu, dosáhne požadované průměrné hodnoty na výstupu elektronického nebo jiného elektrického zařízení, jako je motor.