Was ist PWM, wie wird es gemessen?

PWM steht für Pulsweitenmodulation, die die variable Natur der Pulsbreiten bezeichnet, die von einer bestimmten Quelle wie einem diskreten IC, einer MCU oder einer Transistorschaltung erzeugt werden können.

Was ist PWM?

In einfachen Worten ist ein PWM-Prozess nichts anderes als das Ein- und Ausschalten einer Versorgungsspannung mit einer bestimmten Rate mit unterschiedlichen EIN / AUS-Zeitverhältnissen. Hier kann die Einschaltlänge der Spannung größer, kleiner oder gleich der Ausschaltlänge des Schalters sein.

Zum Beispiel kann eine PWM aus einer Spannung bestehen, die zum Ein- und Ausschalten mit einer Rate von 2 Sekunden EIN 1 Sekunde AUS, 1 Sekunde EIN 2 Sekunden AUS oder 1 Sekunde EIN, 1 Sekunde AUS fest ist.

Wenn diese EIN / AUS-Rate einer Versorgungsspannung unterschiedlich optimiert ist, sagen wir, dass die Spannung eine PWM oder eine pulsbreitenmodulierte ist.

Sie alle müssen bereits wissen, wie ein konstantes Gleichstrompotential in einem Spannungs-V / S-Zeitdiagramm angezeigt wird (siehe unten):

Im obigen Bild sehen wir eine gerade Linie auf dem 9-V-Niveau. Dies wird erreicht, weil sich das 9-V-Niveau in Bezug auf die Zeit nicht ändert und wir daher in der Lage sind, eine gerade Linie zu sehen.

Wenn nun diese 9 V alle 1 Sekunde ein- und ausgeschaltet werden, sieht das obige Diagramm folgendermaßen aus:

Wir können deutlich sehen, dass die 9-V-Leitung jetzt nicht mehr alle 1 Sekunde ein geradliniger Rater in Form von Blöcken ist, da die 9-V-Leitung nach jeder Sekunde abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird.

Die obigen Spuren sehen aus wie Rechteckblöcke, da beim Ein- und Ausschalten der 9 V die Vorgänge sofort ausgeführt werden, wodurch die 9 V plötzlich auf Null und dann plötzlich auf 9 V steigen und dadurch die rechteckigen Formen im Diagramm gebildet werden.

Die obige Bedingung führt zu einer pulsierenden Spannung, die zwei zu messende Parameter aufweist, nämlich die Spitzenspannung und die Durchschnittsspannung oder die Effektivspannung.

Spitzen- und Durchschnittsspannung

Im ersten Bild beträgt die Spitzenspannung offensichtlich 9 V, und die durchschnittliche Spannung beträgt ebenfalls 9 V, einfach weil die Spannung ohne Unterbrechungen konstant ist.

Im zweiten Bild ist die Spitze jedoch immer noch gleich 9 V, obwohl die Spannung mit einer Frequenz von 1 Hz ein- und ausgeschaltet wird (1 Sekunde EIN, 1 Sekunde AUS), da die Spitze während der EIN-Perioden immer die 9-V-Marke erreicht. Die durchschnittliche Spannung beträgt hier jedoch nicht 9 V, sondern 4,5 V, da das Einschalten und Unterbrechen der Spannung mit einer Rate von 50% erfolgt.

In PWM-Diskussionen wird diese EIN / AUS-Rate als Arbeitszyklus der PWM bezeichnet, daher ist sie im obigen Fall ein Arbeitszyklus von 50%.

Wenn Sie eine PWM mit einem Digitalmultimeter in einem Gleichstrombereich messen, erhalten Sie immer den Durchschnittswert auf dem Messgerät.

Neue Hobbyisten werden oft mit dieser Lesart verwechselt und nehmen sie als Spitzenwert, was völlig falsch ist.

Wie oben erläutert, entspricht der Spitzenwert einer PWM größtenteils der der Schaltung zugeführten Versorgungsspannung, während die durchschnittliche Spannung am Messgerät der Durchschnitt der EIN / AUS-Perioden der PWMs ist.

Mosfet mit PWM schalten

Wenn Sie also einen Mosfet mit einer PWM schalten und feststellen, dass die Gate-Spannung beispielsweise 3 V beträgt, geraten Sie nicht in Panik, da dies nur die vom Messgerät angezeigte Durchschnittsspannung sein kann. Die Spitzenspannung kann so hoch sein wie die Versorgung Ihres Stromkreises Stromspannung.

Daher könnte erwartet werden, dass der Mosfet durch diese Spitzenwerte fein und vollständig leitet, und die durchschnittliche Spannung würde nur seine Leitungsperiode beeinflussen, nicht die Schaltspezifikation des Geräts.

Wie wir in den vorhergehenden Abschnitten besprochen haben, beinhaltet eine PWM grundsätzlich das Variieren der Impulsbreiten, mit anderen Worten der EIN- und AUS-Perioden des Gleichstroms.

Angenommen, Sie möchten einen PWM-Ausgang mit einer Einschaltzeit, die 50% unter der Einschaltzeit liegt.

Nehmen wir an, dass die ausgewählte EIN-Zeit 1/2 Sekunde beträgt, dann wäre die AUS-Zeit gleich 1 Sekunde, was zu einem Arbeitszyklus von 1/2 Sekunde EIN und 1 Sekunde AUS führen würde, wie im folgenden Diagramm zu sehen ist .

Analyse des Arbeitszyklus von PWM

In diesem Beispiel sind die PWMs optimiert, um eine Spitzenspannung von 9 V, aber eine durchschnittliche Spannung von 3,15 V zu erzeugen, da die EIN-Zeit nur 35% eines vollständigen vollständigen EIN / AUS-Zyklus beträgt.

Ein vollständiger Zyklus bezieht sich auf den Zeitraum, in dem der gegebene Impuls seine eine volle EIN-Zeit und eine AUS-Zeit abschließen kann.

In ähnlicher Weise kann man beabsichtigen, die Impulsbreite einer Frequenz mit den folgenden Daten zu optimieren:

Hier ist die EIN-Zeit über einen vollen Zyklus um 65% länger als die AUS-Zeit zu sehen, daher beträgt hier der Durchschnittswert der Spannung 5,85 V.

Die oben diskutierte Durchschnittsspannung wird auch als Effektivwert oder quadratischer Mittelwert der Spannung bezeichnet.

Da dies alles Rechteck- oder Rechteckimpulse sind, kann der Effektivwert einfach durch Multiplizieren des Tastverhältnisprozentsatzes mit der Spitzenspannung berechnet werden.

Optimierung von PWM zur Simulation von Sinuswellen

In Fällen, in denen die PWM für die Simulation eines Wechselstromimpulses optimiert ist, wird die Berechnung des Effektivwerts jedoch etwas komplex.

Nehmen wir das Beispiel der folgenden PWM, die so optimiert ist, dass ihre Breite entsprechend der variierenden Amplitude oder dem Pegel eines sinusförmigen Wechselstromsignals variiert.

Sie können mehr darüber in einem meiner vorherigen Artikel erfahren, in denen ich erklärt habe, wie der IC 555 verwendet werden kann Erzeugen eines Sinuswellen-äquivalenten PWM-Ausgangs .

Wie wir im obigen Bild sehen können, ändert sich die Breite der Impulse in Bezug auf den momentanen Pegel der Sinuswelle. Wenn die Sinuswelle dazu neigt, den Peak zu erreichen, wird die entsprechende Breite des Impulses breiter und umgekehrt.

SPWM verwenden

Dies zeigt an, dass sich die PWMs auch mit der Zeit ändern, indem sich ihre Breiten ständig ändern, da sich der Sinuswellenspannungspegel mit der Zeit ständig ändert. Eine solche PWM wird auch als SPWM oder Sinuswellen-Pulsweitenmodulation bezeichnet.

Im obigen Fall sind die Impulse also niemals konstant, sondern ändern ihre Breite mit der Zeit unterschiedlich.

Dies macht den Effektivwert oder die Durchschnittswertberechnung etwas komplex und wir können das Tastverhältnis hier nicht einfach mit der Spitzenspannung multiplizieren, um den Effektivwert zu erreichen.

Obwohl die eigentliche Formel zum Ableiten des RMS-Ausdrucks recht komplex ist, wird die endgültige Implementierung nach entsprechenden Ableitungen tatsächlich recht einfach.

Berechnung der Effektivspannung einer PWM

Somit kann zum Berechnen des Effektivwerts einer variierenden PWM-Spannung als Reaktion auf eine Sinuswelle durch Multiplizieren von 0,7 (konstant) mit der Spitzenspannung erfasst werden.

Für eine 9-V-Spitze erhalten wir also 9 x 0,7 = 6,3 V, das ist die Effektivspannung oder der Durchschnittswert einer 9-V-Spitze-Spitze-PWM, die eine Sinuswelle simuliert.

Rolle von PWM in elektronischen Schaltkreisen?

Sie werden feststellen, dass das PWM-Konzept im Wesentlichen mit verbunden ist
Schaltungsentwürfe, an denen Induktoren beteiligt sind, betreffen insbesondere die Buck-Boost-Topologien wie Wechselrichter, SMPS , MPPT, LED-Treiberschaltungen usw.

Ohne einen Induktor könnte ein PWM-Merkmal in einer gegebenen Schaltung keinen wirklichen Wert oder keine wirkliche Rolle haben. Dies liegt daran, dass nur ein Induktor das inhärente Merkmal hat, eine variierende Impulsbreite in einen äquivalenten Betrag von erhöhtem (verstärktem) oder verringertem (bucked) zu transformieren. Spannung oder Strom, was die ganze und einzige Idee einer PWM-Technologie wird.

Verwendung von PWM mit Induktivitäten

Um zu verstehen, wie PWM einen Induktorausgang in Bezug auf Spannung und Strom beeinflusst, wäre es zunächst wichtig zu lernen, wie sich ein Induktor unter dem Einfluss einer pulsierenden Spannung verhält.

In einem meiner vorherigen Beiträge habe ich in Bezug auf erklärt wie eine Buck-Boost-Schaltung funktioniert Dies ist ein klassisches Beispiel, um zu demonstrieren, wie PWMs oder eine variierende Impulsbreite verwendet werden können, um einen Induktorausgang zu dimensionieren.

Es ist bekannt, dass ein Induktor von Natur aus einem plötzlichen Anlegen von Spannung an ihn immer entgegenwirkt und ihn abhängig von seinen Wicklungsspezifikationen erst nach einer bestimmten Zeitspanne passieren lässt. Während dieses Prozesses speichert er eine äquivalente Energiemenge in es.

Wenn nun im Verlauf des obigen Vorgangs die Spannung plötzlich ausgeschaltet wird, kann der Induktor dieses plötzliche Verschwinden der angelegten Spannung wieder nicht bewältigen und versucht, sie durch Ablassen des darin gespeicherten Stroms auszugleichen.

Reaktion des Induktors auf PWM

Somit wird ein Induktor versuchen, einem Einschalten der Spannung durch Speichern von Strom entgegenzuwirken und als Reaktion auf ein plötzliches Ausschalten der Spannung auszugleichen, indem die gespeicherte Energie zurück in das System 'getreten' wird.

Dieser Rückschlag wird als Gegen-EMK eines Induktors bezeichnet, und der Inhalt dieser Energie (Spannung, Strom) hängt von den Spezifikationen der Induktorwicklung ab.

Grundsätzlich entscheidet die Anzahl der Windungen, ob die Spannung der EMK höher als die Versorgungsspannung oder niedriger als die Versorgungsspannung sein soll, und die Dicke des Drahtes entscheidet über die Strommenge, die der Induktor möglicherweise wiedergeben kann.

Es gibt einen weiteren Aspekt des obigen Induktors, nämlich den Zeitpunkt der Ein- / Ausschaltperioden der Spannung.

Hier wird die Verwendung eines PWM entscheidend.

Obwohl die Anzahl der Windungen die Ausgangswerte für eine bestimmte Induktion grundlegend bestimmt, können diese auch nach Wunsch variiert werden, indem eine optimierte PWM in einen Induktor eingespeist wird.

Durch eine variable PWM können wir einen Induktor zwingen, Spannungen und Ströme mit jeder gewünschten Rate zu erzeugen / umzuwandeln, entweder als erhöhte Spannung (reduzierter Strom) oder als erhöhter Strom (reduzierte Spannung) oder umgekehrt.

In einigen Anwendungen kann eine PWM auch ohne Induktivität verwendet werden, beispielsweise zum Dimmen eines LED-Lichts, oder in MCU-Zeitgeberschaltungen, in denen der Ausgang optimiert werden kann, um Spannungen bei verschiedenen EIN- und Ausschaltperioden zum Steuern einer Last gemäß zu erzeugen seine beabsichtigten Arbeitsspezifikationen.