Verwendung von PWM als Schalttechnik
Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine häufig verwendete Technik zur allgemeinen Steuerung der Gleichstromversorgung eines elektrischen Geräts, die durch moderne elektronische Leistungsschalter praktikabel gemacht wird. Es findet jedoch auch seinen Platz in AC-Choppern. Der Durchschnittswert des der Last zugeführten Stroms wird durch die Schalterstellung und die Dauer ihres Zustands gesteuert. Wenn die Einschaltdauer des Schalters länger ist als die Ausschaltdauer, erhält die Last eine vergleichsweise höhere Leistung. Daher muss die PWM-Schaltfrequenz schneller sein.
Normalerweise muss das Umschalten in einem Elektroherd mehrmals pro Minute erfolgen, 120 Hz in einem Lampendimmer, von wenigen Kilohertz (kHz) auf einige zehn kHz für einen Motorantrieb. Die Schaltfrequenz für Audioverstärker und Computer-Netzteile beträgt etwa zehn bis Hunderte von kHz. Das Verhältnis der Einschaltzeit zur Zeitdauer des Impulses wird als Tastverhältnis bezeichnet. Wenn das Tastverhältnis niedrig ist, bedeutet dies eine geringe Leistung.
Der Leistungsverlust in der Schaltvorrichtung ist aufgrund der nahezu vernachlässigbaren Strommenge, die im ausgeschalteten Zustand der Vorrichtung fließt, und des vernachlässigbaren Spannungsabfalls in ihrem ausgeschalteten Zustand sehr gering. Digitale Steuerungen verwenden auch die PWM-Technik. PWM wurde auch in bestimmten Kommunikationssystemen verwendet, in denen sein Arbeitszyklus verwendet wurde, um Informationen über einen Kommunikationskanal zu übertragen.
PWM kann verwendet werden, um die Gesamtmenge der an eine Last gelieferten Leistung ohne Verluste einzustellen, die normalerweise auftreten, wenn eine Leistungsübertragung durch Widerstandsmittel begrenzt wird. Die Nachteile sind die Pulsationen, die durch das Tastverhältnis, die Schaltfrequenz und die Eigenschaften der Last definiert sind. Mit einer ausreichend hohen Schaltfrequenz und bei Bedarf unter Verwendung zusätzlicher passiver elektronischer Filter kann die Impulsfolge geglättet und die durchschnittliche analoge Wellenform wiederhergestellt werden. Hochfrequenz-PWM-Steuerungssysteme können einfach unter Verwendung von Halbleiterschaltern implementiert werden.
Wie bereits oben erwähnt, wird durch den Schalter im Ein- oder Ausschaltzustand fast keine Energie verbraucht. Während der Übergänge zwischen Ein- und Ausschaltzustand sind jedoch sowohl Spannung als auch Strom ungleich Null, und daher wird eine beträchtliche Leistung in den Schaltern verbraucht. Glücklicherweise ist die Zustandsänderung zwischen vollständig ein und vollständig aus relativ schnell (typischerweise weniger als 100 Nanosekunden) im Vergleich zu typischen Ein- oder Ausschaltzeiten, und daher ist die durchschnittliche Verlustleistung im Vergleich zu der Leistung, die selbst bei hohen Schaltfrequenzen geliefert wird, ziemlich gering werden verwendet.
Verwendung von PWM zur Lieferung von Gleichstrom an die Last
Der größte Teil des industriellen Prozesses muss mit bestimmten Parametern ausgeführt werden, wenn es um die Geschwindigkeit des Antriebs geht. Die in vielen industriellen Anwendungen verwendeten elektrischen Antriebssysteme erfordern aufgrund ihrer einfachen Steuerbarkeit eine höhere Leistung, Zuverlässigkeit und variable Geschwindigkeit. Das Drehzahlregelung des Gleichstrommotors ist wichtig bei Anwendungen, bei denen Präzision und Schutz von entscheidender Bedeutung sind. Der Zweck eines Motordrehzahlreglers besteht darin, ein Signal aufzunehmen, das die erforderliche Drehzahl darstellt, und einen Motor mit dieser Drehzahl anzutreiben.
Die Pulsweitenmodulation (PWM), wie sie für die Motorsteuerung gilt, ist eine Möglichkeit, Energie eher durch eine Folge von Impulsen als durch ein sich kontinuierlich änderndes (analoges) Signal zu liefern. Durch Erhöhen oder Verringern der Impulsbreite reguliert die Steuerung den Energiefluss zur Motorwelle. Die Motoreigene Induktivität wirkt wie ein Filter, der während des EIN-Zyklus Energie speichert und diese mit einer Rate freigibt, die dem Eingangs- oder Referenzsignal entspricht. Mit anderen Worten fließt Energie nicht so sehr in die Schaltfrequenz, sondern in die Referenzfrequenz in die Last.
Die Schaltung wird verwendet, um die Geschwindigkeit von zu steuern Gleichspannungs Motor unter Verwendung der PWM-Technik. DC-Motorregler 12V mit variabler Drehzahl verwendet einen 555-Timer-IC als PWM-Impulsgenerator zur Regelung der Motordrehzahl DC12 Volt. IC 555 ist der beliebte Timer-Chip zur Herstellung von Timer-Schaltungen. Es wurde 1972 von den Signetics eingeführt. Es wird als 555 bezeichnet, da sich drei 5 K-Widerstände im Inneren befinden. Der IC besteht aus zwei Komparatoren, einer Widerstandskette, einem Flip-Flop und einer Ausgangsstufe. Es arbeitet in 3 Grundmodi - Astable, Monostable (wo es als One-Shot-Impulsgenerator und Bistable-Modus fungiert. Das heißt, wenn es ausgelöst wird, geht der Ausgang für eine Periode hoch, basierend auf den Werten des Timing-Widerstands und des Kondensators Im Astable Mode (AMV) arbeitet der IC als freilaufender Multivibrator. Der Ausgang wird kontinuierlich hoch und niedrig, um als Oszillator einen pulsierenden Ausgang zu erhalten. Im Bistable-Modus, auch als Schmitt-Trigger bekannt, arbeitet der IC als Flip-Flop mit High oder niedriger Ausgang bei jedem Trigger und Reset.
In dieser Schaltung wird ein IRF540-MOSFET verwendet. Dies ist ein N-Kanal-Verbesserungs-MOSFET. Es handelt sich um einen fortschrittlichen Leistungs-MOSFET, der entwickelt, getestet und garantiert einem bestimmten Energieniveau im Betriebsmodus der Durchbruchlawine standhält. Diese Leistungs-MOSFETs sind für Anwendungen wie Schaltregler, Schaltwandler, Motortreiber, Relaistreiber und Treiber für bipolare Hochleistungs-Schalttransistoren konzipiert, die eine hohe Geschwindigkeit und eine niedrige Gate-Treiberleistung erfordern. Diese Typen können direkt von integrierten Schaltkreisen aus betrieben werden. Die Arbeitsspannung dieser Schaltung kann entsprechend den Anforderungen des angetriebenen Gleichstrommotors eingestellt werden. Diese Schaltung kann von 5-18 VDC arbeiten.
Über der Schaltung, d.h. Drehzahlregelung des Gleichstrommotors durch PWM Die Technik variiert den Arbeitszyklus, der wiederum die Drehzahl des Motors steuert. Der IC 555 ist in einem freilaufenden Multivibrator im Astable-Modus angeschlossen. Die Schaltung besteht aus einer Anordnung eines Potentiometers und zweier Dioden, mit denen das Tastverhältnis geändert und die Frequenz konstant gehalten wird. Wenn der Widerstand des variablen Widerstands oder Potentiometers variiert wird, ändert sich das Tastverhältnis der an den MOSFET angelegten Impulse und dementsprechend ändert sich die Gleichstromleistung des Motors und somit nimmt seine Drehzahl mit zunehmendem Tastverhältnis zu.
Verwendung von PWM zur Bereitstellung von Wechselstrom zum Laden
Moderne Halbleiterschalter wie MOSFETs oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sind ideale Komponenten. Somit können hocheffiziente Steuerungen gebaut werden. Typischerweise haben Frequenzumrichter zur Steuerung von Wechselstrommotoren einen Wirkungsgrad von mehr als 98%. Schaltnetzteile haben aufgrund niedriger Ausgangsspannungspegel einen geringeren Wirkungsgrad (oft werden sogar weniger als 2 V für Mikroprozessoren benötigt), aber es kann immer noch ein Wirkungsgrad von mehr als 70-80% erreicht werden.
Diese Art der Steuerung für Wechselstrom ist ein bekanntes Verfahren mit verzögertem Zündwinkel. Es ist billiger und erzeugt viel elektrisches Rauschen und Oberschwingungen im Vergleich zur realen PWM-Steuerung, die vernachlässigbares Rauschen entwickelt.
In vielen Anwendungen, wie z. B. Industrieheizung, Lichtsteuerung, Softstart-Induktionsmotoren und Drehzahlreglern für Lüfter und Pumpen, ist eine variable Wechselspannung von einer festen Wechselstromquelle erforderlich. Die Phasenwinkelsteuerung von Reglern ist für diese Anforderungen weit verbreitet. Es bietet einige Vorteile wie Einfachheit und die Möglichkeit, große Energiemengen wirtschaftlich zu steuern. Ein verzögerter Zündwinkel verursacht jedoch eine Diskontinuität und reichlich Harmonische im Laststrom, und auf der Wechselstromseite tritt ein nacheilender Leistungsfaktor auf, wenn der Zündwinkel erhöht wird.
Diese Probleme können durch Verwendung eines PWM-Wechselstrom-Zerhackers verbessert werden. Dieser PWM-Wechselstrom-Chopper bietet mehrere Vorteile, wie z. B. einen sinusförmigen Eingangsstrom mit einem Leistungsfaktor von nahezu Eins. Um jedoch die Filtergröße zu verringern und die Qualität des Ausgangsreglers zu verbessern, sollte die Schaltfrequenz erhöht werden. Dies verursacht einen hohen Schaltverlust. Ein weiteres Problem ist die Kommutierung zwischen dem Übertragungsschalter S1 und dem Freilaufschalter S2. Es verursacht die Stromspitze, wenn beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind (Kurzschluss), und die Spannungsspitze, wenn beide Schalter ausgeschaltet sind (kein Freilaufpfad). Um diese Probleme zu vermeiden, wurden RC-Snubber verwendet. Dies erhöht jedoch den Leistungsverlust in der Schaltung und ist für Hochleistungsanwendungen schwierig, teuer, sperrig und ineffizient. Der Wechselstrom-Chopper mit Nullstrom-Spannungsumschaltung (ZCS-ZVS) wird vorgeschlagen. Sein Ausgangsspannungsregler muss die durch das PWM-Signal gesteuerte Ausschaltzeit variieren. Daher ist es erforderlich, eine Frequenzsteuerung zu verwenden, um das weiche Schalten zu erreichen, und die allgemeinen Steuersysteme verwenden die PWM-Techniken, die eine Einschaltzeit erzeugen. Diese Technik hat Vorteile wie eine einfache Steuerung mit Sigma-Delta-Modulation und setzt den Eingangsstrom fort. Die Merkmale der vorgeschlagenen Schaltungskonfiguration und der PWM-Schnittmuster werden nachstehend dargestellt.
