Wat is PWM, hoe te meten

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





PWM staat voor pulsbreedtemodulatie die de variabele aard aangeeft van de pulsbreedtes die kunnen worden gegenereerd door een bepaalde bron, zoals een discrete IC, MCU of een getransistoriseerde schakeling.

Wat is PWM

In eenvoudige bewoordingen is een PWM-proces niets anders dan het AAN en UIT schakelen van een voedingsspanning met een bepaalde snelheid met verschillende AAN / UIT-timingverhoudingen, hier kan de AAN / UIT-lengte van de spanning groter, kleiner of gelijk zijn aan de UIT-lengte.



Een PWM kan bijvoorbeeld een spanning bevatten die is vastgezet om AAN en UIT te schakelen met een snelheid van 2 seconden AAN 1 seconde UIT, 1 seconde AAN 2 seconden UIT of 1 seconde AAN, 1 seconde UIT.

Wanneer deze AAN / UIT-snelheid van een voedingsspanning anders wordt geoptimaliseerd, zeggen we dat de spanning een PWM of pulsbreedte-gemoduleerd is.



U moet allemaal al bekend zijn met hoe een constant DC-potentiaal verschijnt in een spanning versus tijdgrafiek, zoals hieronder wordt weergegeven:

In de bovenstaande afbeelding kunnen we een rechte lijn zien op het 9V-niveau, dit wordt bereikt omdat het 9V-niveau niet verandert met betrekking tot de tijd en daarom kunnen we getuige zijn van een rechte lijn.

Als deze 9V nu elke 1 seconde AAN en UIT wordt geschakeld, ziet de bovenstaande grafiek er als volgt uit:

We kunnen duidelijk zien dat de 9V-lijn nu niet langer een rechte lijnbeoordelaar is in de vorm van blokken na elke 1 seconde, aangezien de 9V afwisselend na elke seconde AAN en UIT wordt geschakeld.

De bovenstaande sporen zien eruit als rechthoekige blokken omdat wanneer de 9V AAN en UIT wordt geschakeld, de operaties onmiddellijk plaatsvinden, waardoor de 9V plotseling naar nulniveau gaat en dan plotseling naar het 9V-niveau waardoor de rechthoekige vormen op de grafiek worden gevormd.

Bovenstaande voorwaarde geeft aanleiding tot een pulserende spanning die twee te meten parameters heeft namelijk: de piekspanning en de gemiddelde spanning of de RMS-spanning.

Piek- en gemiddelde spanning

In de eerste afbeelding is de piekspanning uiteraard 9V, en de gemiddelde spanning is ook 9V simpelweg omdat de spanning constant is zonder onderbrekingen.

In de tweede afbeelding, hoewel de spanning is AAN / UIT geschakeld met een snelheid van 1 Hz (1 seconde AAN, 1 seconde UIT), zal de piek nog steeds gelijk zijn aan 9V, omdat de piek altijd de 9V-markering bereikt tijdens de AAN-perioden. Maar de gemiddelde spanning is hier niet 9V eerder 4,5V omdat het maken en verbreken van de spanning gebeurt tegen een tarief van 50%.

In PWM-discussies wordt dit AAN / UIT-tarief de duty-cycle van de PWM genoemd, daarom is het in het bovenstaande geval een duty-cycle van 50%.

Wanneer u een PWM meet met een digitale multimeter op een DC-bereik, krijgt u altijd de gemiddelde waarde op de meter te lezen.

Nieuwe hobbyisten raken vaak in de war met deze lezing en beschouwen het als de piekwaarde, wat helemaal verkeerd is.

Zoals hierboven uitgelegd, zal de piekwaarde van een PWM grotendeels gelijk zijn aan de voedingsspanning die aan het circuit wordt geleverd, terwijl de gemiddelde vluchtigheid op de meter het gemiddelde is van de AAN / UIT-perioden van de PWM's.

Schakelen tussen Mosfet en PWM

Dus als je een mosfet met een PWM schakelt en je vindt dat de poortspanning bijvoorbeeld 3V is, raak dan niet in paniek, want dit kan gewoon de gemiddelde spanning zijn die door de meter wordt aangegeven, de piekspanning kan zo hoog zijn als de voeding van je circuit Spanning.

Daarom kan worden verwacht dat de mosfet prima en volledig geleidt door deze piekwaarden en dat de gemiddelde spanning alleen de geleidingsperiode beïnvloedt, niet de schakelspecificaties van het apparaat.

Zoals we in de vorige secties hebben besproken, omvat een PWM fundamenteel het variëren van de pulsbreedtes, met andere woorden de AAN- en UIT-perioden van de DC.

Stel dat u bijvoorbeeld een PWM-uitgang wilt met een AAN-tijd die 50% minder is dan die van de AAN-tijd.

Laten we aannemen dat de geselecteerde AAN-tijd 1/2 seconde is, dan zou de UIT-tijd gelijk zijn aan 1 seconde, dat zou leiden tot een inschakelduur van 1/2 seconde AAN en 1 seconde UIT, zoals te zien is in het volgende diagram .

Analyse van de Duty Cycle van PWM

In dit voorbeeld zijn de PWM's geoptimaliseerd om een ​​piekspanning van 9 V te produceren, maar een gemiddelde spanning van 3,15 V, aangezien de AAN-tijd slechts 35% is van een volledige volledige AAN / UIT-cyclus.

Een volledige cyclus verwijst naar de tijdsperiode waarin de gegeven puls zijn ene volledige AAN-tijd en één UIT-tijd kan voltooien.

Evenzo kan men van plan zijn de pulsbreedte van een frequentie te optimaliseren met de volgende gegevens:

Hier is te zien dat de AAN-tijd over een volledige cyclus met 65% is toegenomen dan de UIT-tijd, daarom wordt hier de gemiddelde waarde van de spanning 5,85V.

De hierboven besproken gemiddelde spanning wordt ook wel de RMS of de wortel gemiddelde kwadraatwaarde van de spanning genoemd.

Aangezien dit allemaal rechthoekige of vierkante pulsen zijn, kan de RMS eenvoudig worden berekend door het duty-cycle-percentage te vermenigvuldigen met de piekspanning.

PWM optimaliseren om sinusgolf te simuleren

In gevallen waar de PWM echter is geoptimaliseerd om een ​​AC-puls te simuleren, wordt de berekening voor de RMS een beetje ingewikkeld.

Laten we het voorbeeld nemen van de volgende PWM die is geoptimaliseerd om de breedte te variëren die overeenkomt met de variërende amplitude of het niveau van een sinusvormig AC-signaal.

Je kunt hier meer over te weten komen in een van mijn vorige artikelen waar ik heb uitgelegd hoe de IC 555 kan worden gebruikt het genereren van sinusgolf-equivalente PWM-uitvoer ​

Zoals we in de bovenstaande afbeelding kunnen zien, verandert de breedte van de pulsen met betrekking tot het momentane niveau van de sinusgolf. Aangezien de sinusgolf de neiging heeft om de piek te bereiken, wordt de corresponderende breedte van de puls breder en vice versa.

SPWM gebruiken

Dit geeft aan dat omdat het sinusgolfspanningsniveau constant verandert met de tijd, de PWM's ook met de tijd veranderen door constant de breedte te variëren. Een dergelijke PWM wordt ook wel SPWM of Sinewave Pulse Width Modulation genoemd.

Dus in het bovenstaande geval zijn de pulsen nooit constant, maar veranderen ze hun breedte anders met de tijd.

Dit maakt de RMS of de berekening van de gemiddelde waarde een beetje ingewikkeld en we kunnen de duty-cycle hier niet eenvoudig vermenigvuldigen met de piekspanning om de RMS te bereiken.

Hoewel de eigenlijke formule voor het afleiden van de RMS-uitdrukking vrij complex is, wordt de uiteindelijke implementatie na de juiste afleidingen eigenlijk vrij eenvoudig.

RMS-spanning van een PWM berekenen

Dus voor het berekenen van de RMS van een variërende PWM-spanning in reactie op een sinusgolf kan worden verkregen door 0,7 (constant) te vermenigvuldigen met de piekspanning.

Dus voor een 9V-piek krijgen we 9 x 0,7 = 6,3 V, dat is de RMS-spanning of de gemiddelde waarde van een 9V-piek-tot-piek PWM die een sinusgolf simuleert.

Rol van PWM in elektronische schakelingen?

U zult zien dat het PWM-concept in wezen wordt geassocieerd met
circuitontwerpen met inductoren die betrokken zijn, met name de buck-boost-topologieën zoals omvormers, SMPS , MPPT, LED-stuurcircuits etc.

Zonder een inductor heeft een PWM-functie mogelijk geen echte waarde of rol in een bepaald circuit, dit komt omdat alleen een inductor de inherente eigenschap heeft om een ​​variërende pulsbreedte om te zetten in een equivalente hoeveelheid opgevoerd (versterkt) of getrapt (bucked) spanning of stroom, wat het hele en enige idee wordt van een PWM-technologie.

PWM gebruiken met inductoren

Om te begrijpen hoe PWM een inductoruitgang beïnvloedt in termen van spanning en stroom, zou het eerst belangrijk zijn om te leren hoe een inductor zich gedraagt ​​onder invloed van een pulserende spanning.

In een van mijn vorige berichten legde ik uit over hoe een buck boost-circuit werkt , dit is een klassiek voorbeeld om te demonstreren hoe PWM's of een variërende pulsbreedte kunnen worden gebruikt om een ​​inductoruitgang te dimensioneren.

Het is bekend dat een inductor van nature altijd een plotselinge toepassing van spanning erover verzet en deze pas na een bepaalde tijd laat passeren, afhankelijk van de specificaties van de wikkeling, en tijdens dit proces slaat hij een equivalente hoeveelheid energie op in het.

Als in de loop van het bovenstaande proces de spanning plotseling wordt uitgeschakeld, is de inductor opnieuw niet in staat om dit plotselinge verdwijnen van de aangelegde spanning op te vangen en probeert hij dit in evenwicht te brengen door de opgeslagen stroom erin vrij te geven.

Reactie van inductor op PWM

Een inductor zal dus proberen het inschakelen van de spanning tegen te gaan door stroom op te slaan en proberen te egaliseren in reactie op een plotselinge uitschakeling van de spanning door de opgeslagen energie terug in het systeem te 'trappen'.

Deze terugslag wordt de achter-EMF van een inductor genoemd en de inhoud van deze energie (spanning, stroom) is afhankelijk van de specificaties van de inductorwikkeling.

In feite bepaalt het aantal windingen of de EMF een hogere spanning moet hebben dan de voedingsspanning of lager dan de voedingsspanning, en de dikte van de draad bepaalt de hoeveelheid stroom die de inductor kan leveren.

Er is nog een ander aspect aan de bovenstaande inductor, namelijk de timing van de spanning AAN / UIT-perioden.

Dat is waar het gebruik van een PWM cruciaal wordt.

Hoewel het aantal windingen fundamenteel de uitgangswaarden voor een bepaald type bepaalt, kunnen deze ook naar wens worden gevarieerd door een geoptimaliseerde PWM-intro een inductor te geven.

Door middel van een variabele PWM kunnen we een inductor dwingen om spanningen en stromen op elke gewenste snelheid te genereren / om te zetten, hetzij als een verhoogde spanning (verminderde stroom) of verhoogde stroom (verminderde spanning) of omgekeerd.

In sommige toepassingen kan een PWM worden gebruikt, zelfs zonder een inductor, zoals voor het dimmen van een LED-lamp, of in MCU-timercircuits, waar de output kan worden geoptimaliseerd om spanningen te genereren bij verschillende AAN / UIT-schakelaars, uitschakeltijden voor het regelen van de beoogde werkspecificaties.




Vorige: Eenvoudig ultrasoon geluidssensor-alarmcircuit met behulp van Opamp Volgende: Eenvoudig RGB LED-kleurenmengcircuit met LM317 IC