Gebruik van PWM als schakeltechniek
Pulsbreedtemodulatie (PWM) is een veelgebruikte techniek voor het regelen van gelijkstroom naar een elektrisch apparaat, praktisch gemaakt door moderne elektronische stroomschakelaars. Het vindt echter ook zijn plaats in AC-choppers. De gemiddelde waarde van de stroom die aan de belasting wordt geleverd, wordt bepaald door de schakelaarstand en de duur van de toestand. Als de aan-periode van de schakelaar langer is in vergelijking met de uit-periode, krijgt de belasting een relatief hoger vermogen. De PWM-schakelfrequentie moet dus sneller zijn.
Normaal gesproken moet er meerdere keren per minuut worden geschakeld in een elektrische kachel, 120 Hz in een lampdimmer, van enkele kilohertz (kHz) tot tientallen kHz voor een motoraandrijving. De schakelfrequentie voor audioversterkers en computervoedingen is ongeveer tien tot honderden kHz. De verhouding van de AAN-tijd tot de tijdsperiode van de puls staat bekend als duty-cycle. Als de inschakelduur laag is, betekent dit een laag vermogen.
Het vermogensverlies in het schakelapparaat is erg laag, vanwege een bijna verwaarloosbare hoeveelheid stroom die vloeit in de uit-toestand van het apparaat en een verwaarloosbare hoeveelheid spanningsval in de UIT-toestand. Digitale besturingen maken ook gebruik van de PWM-techniek.PWM is ook gebruikt in bepaalde communicatiesystemen waar de duty-cycle is gebruikt om informatie over een communicatiekanaal over te brengen.
PWM kan worden gebruikt om de totale hoeveelheid aan een belasting geleverd vermogen aan te passen zonder verliezen die normaal optreden wanneer een vermogensoverdracht wordt beperkt door resistieve middelen. De nadelen zijn de pulsaties die worden bepaald door de duty-cycle, schakelfrequentie en eigenschappen van de belasting. Met een voldoende hoge schakelfrequentie en, indien nodig, met behulp van extra passieve elektronische filters, kan de pulstrein worden afgevlakt en de gemiddelde analoge golfvorm worden hersteld. Hoogfrequente PWM-regelsystemen kunnen eenvoudig worden geïmplementeerd met behulp van halfgeleiderschakelaars.
Zoals hierboven al is vermeld, wordt er bijna geen stroom gedissipeerd door de schakelaar in aan of uit staat. Tijdens de overgangen tussen aan en uit toestanden zijn zowel spanning als stroom niet-nul en dus wordt er aanzienlijk vermogen gedissipeerd in de schakelaars. Gelukkig is de toestandsverandering tussen volledig aan en volledig uit vrij snel (meestal minder dan 100 nanoseconden) ten opzichte van typische aan of uit tijden, en dus is de gemiddelde vermogensdissipatie vrij laag vergeleken met het geleverde vermogen, zelfs bij hoge schakelfrequenties worden gebruikt.
Gebruik van PWM om gelijkstroom te leveren om te laden
Het grootste deel van het industriële proces moet worden uitgevoerd op de bepaalde parameters waar het de snelheid van de aandrijving betreft. De elektrische aandrijfsystemen die in veel industriële toepassingen worden gebruikt, vereisen hogere prestaties, betrouwbaarheid en variabele snelheid vanwege de gemakkelijke beheersbaarheid. De snelheidsregeling van DC-motor is belangrijk in toepassingen waar precisie en bescherming van essentieel belang zijn. Het doel van een motorsnelheidsregelaar is om een signaal op te nemen dat de vereiste snelheid vertegenwoordigt en om een motor met die snelheid aan te drijven.
Pulsbreedtemodulatie (PWM), zoals dit van toepassing is op motorbesturing, is een manier om energie te leveren door een opeenvolging van pulsen in plaats van een continu variërend (analoog) signaal. Door de pulsbreedte te vergroten of te verkleinen, regelt de controller de energiestroom naar de motoras. De eigen inductantie van de motor werkt als een filter en slaat energie op tijdens de 'AAN' -cyclus, terwijl deze wordt vrijgegeven met een snelheid die overeenkomt met het ingangs- of referentiesignaal. Met andere woorden, energie stroomt niet zozeer de schakelfrequentie in de belasting, maar op de referentiefrequentie.
Het circuit wordt gebruikt om de snelheid van te regelen DC-motor door PWM-techniek te gebruiken. Serie DC-motorcontroller met variabele snelheid 12V gebruikt een 555-timer-IC als een PWM-pulsgenerator om de motorsnelheid DC12 Volt te regelen. IC 555 is de populaire Timer Chip die wordt gebruikt om timercircuits te maken. Het werd in 1972 geïntroduceerd door de Signetics. Het wordt 555 genoemd omdat er drie 5 K-weerstanden binnenin zitten. Het IC bestaat uit twee comparatoren, een weerstandsketting, een Flip Flop en een eindtrap. Het werkt in 3 basismodi: Astable, Monostable (waar het werkt als een eenmalige pulsgenerator en Bistable-modus. Dat wil zeggen, wanneer het wordt geactiveerd, gaat de uitgang hoog voor een periode op basis van de waarden van de timingweerstand en condensator. Astable-modus (AMV), de IC werkt als een vrijlopende multivibrator. De output wordt continu hoog en laag om een pulserende output te geven als een oscillator. In de bistabiele modus, ook wel Schmitt-trigger genoemd, werkt de IC als een flip-flop met een hoge of lage output op elke trigger en reset.
In dit circuit wordt IRF540 MOSFET gebruikt. Dit is een MOSFET voor N-kanaalverbetering. Het is een geavanceerde vermogens-MOSFET die is ontworpen, getest en gegarandeerd bestand is tegen een bepaald energieniveau in de lawine-uitvalmodus. Deze vermogens-MOSFET's zijn ontworpen voor toepassingen zoals schakelregelaars, schakelomvormers, motordrivers, relaisstuurprogramma's en stuurprogramma's voor bipolaire schakeltransistors met hoog vermogen die een hoge snelheid en een laag stuurvermogen van de poort vereisen. Deze typen kunnen rechtstreeks vanuit geïntegreerde schakelingen worden bediend. De werkspanning van dit circuit kan worden aangepast aan de behoeften van de aangedreven DC-motor. Dit circuit kan werken van 5-18VDC.
Boven circuit, d.w.z. DC-motor snelheidsregeling door PWM techniek varieert de inschakelduur die op zijn beurt de snelheid van de motor regelt. IC 555 is aangesloten in een vrijlopende multivibrator in astabiele modus. Het circuit bestaat uit een opstelling van een potentiometer en twee diodes, die wordt gebruikt om de duty-cycle te veranderen en de frequentie constant te houden. Aangezien de weerstand van de variabele weerstand of potentiometer wordt gevarieerd, varieert de duty-cycle van de pulsen die op de MOSFET worden toegepast en dienovereenkomstig varieert het gelijkstroomvermogen naar de motor en dus neemt de snelheid toe naarmate de duty-cycle toeneemt.
Gebruik van PWM om wisselstroom te leveren om te laden
Moderne halfgeleiderschakelaars zoals MOSFET's of bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's) zijn redelijk ideale componenten. Zo kunnen hoogrendementsregelaars worden gebouwd. Frequentieomvormers die worden gebruikt om AC-motoren aan te sturen, hebben een efficiëntie die beter is dan 98%. Schakelvoedingen hebben een lager rendement vanwege lage uitgangsspanningsniveaus (vaak zelfs minder dan 2 V voor microprocessors zijn nodig), maar toch kan een efficiëntie van meer dan 70-80% worden bereikt.
Dit soort controle voor AC is een bekende vertraagde ontstekingshoekmethode. Het is goedkoper en genereert veel elektrische ruis en harmonischen in vergelijking met de echte PWM-besturing die verwaarloosbare ruis ontwikkelt.
In veel toepassingen, zoals industriële verwarming, lichtregeling, soft-start inductiemotoren en snelheidsregelaars voor ventilatoren en pompen, is een variabele wisselspanning van een vaste wisselstroombron vereist. De fasehoekregeling van regelaars wordt op grote schaal gebruikt voor deze vereisten. Het biedt enkele voordelen, zoals eenvoud en het vermogen om een grote hoeveelheid stroom economisch te regelen. Een vertraagde afvuurhoek veroorzaakt echter discontinuïteit en overvloedige harmonischen in de belastingsstroom en een achterblijvende arbeidsfactor treedt op aan de AC-zijde wanneer de afvuurhoek groter wordt.
Deze problemen kunnen worden verbeterd door de PWM AC-hakmolen te gebruiken. Deze PWM AC-chopper biedt verschillende voordelen, zoals een sinusvormige ingangsstroom met een arbeidsfactor van bijna één. Om de filtergrootte te verkleinen en de kwaliteit van de uitgangsregelaar te verbeteren, moet de schakelfrequentie echter worden verhoogd. Dit veroorzaakt een hoog schakelverlies. Een ander probleem is de commutatie tussen de overdragende schakelaar S1 met vrijloopschakelaar S2. Het veroorzaakt de stroompiek als de beide schakelaars tegelijkertijd worden ingeschakeld (kortsluiting), en de spanningspiek als de beide schakelaars zijn uitgeschakeld (geen vrijlooppad). Om deze problemen te voorkomen, werd RC-snubber gebruikt. Dit verhoogt echter het vermogensverlies in het circuit en is moeilijk, duur, omvangrijk en inefficiënt voor toepassingen met een hoog vermogen. De AC-chopper met nulstroomspanningsomschakeling (ZCS-ZVS) wordt voorgesteld. De uitgangsspanningsregelaar moet de uitschakeltijd variëren, gestuurd door het PWM-signaal. Het is dus vereist om frequentieregeling te gebruiken om de zachte schakeling te bereiken en de algemene controlesystemen gebruiken de PWM-technieken die inschakeltijd produceren. Deze techniek heeft voordelen zoals een eenvoudige regeling met sigma-delta-modulatie en continue ingangsstroom. De kenmerken van de voorgestelde circuitconfiguratie en PWM-gehakte patronen worden hieronder weergegeven.
