Pulsweitenmodulation

Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet digitale Signale zur Steuerung von Leistungsanwendungen und lässt sich mit einem Minimum an Hardware relativ einfach wieder in analog umwandeln.

Analoge Systeme, wie lineare Netzteile, neigen dazu, viel Wärme zu erzeugen, da es sich im Grunde um variable Widerstände handelt, die viel Strom führen. Digitale Systeme erzeugen im Allgemeinen nicht so viel Wärme. Fast die gesamte Wärme, die ein Schaltgerät erzeugt, entsteht während des Übergangs (was schnell erledigt ist), während das Gerät weder ein- noch ausgeschaltet ist, sondern dazwischen. Dies liegt daran, dass die Leistung der folgenden Formel folgt:

P =E I oder Watt =Spannung X Strom

Wenn entweder Spannung oder Strom nahe Null ist, ist die Leistung nahe Null. PWM nutzt diese Tatsache voll aus.

PWM kann viele der Eigenschaften eines analogen Steuersystems aufweisen, da das digitale Signal freilaufend sein kann. PWM muss keine Daten erfassen, obwohl es Ausnahmen bei höherwertigen Controllern gibt.

Arbeitszyklus

Einer der Parameter jeder Rechteckwelle ist das Tastverhältnis. Die meisten Rechteckwellen haben 50%, das ist die Norm, wenn man sie diskutiert, aber sie müssen nicht symmetrisch sein. Die EIN-Zeit kann vollständig zwischen Signal ausgeschaltet und vollständig eingeschaltet, 0 % bis 100 % und allen Bereichen dazwischen variiert werden.

Unten sind Beispiele für einen Arbeitszyklus von 10 %, 50 % und 90 % aufgeführt. Obwohl die Häufigkeit für alle gleich ist, ist dies keine Voraussetzung.

Der Grund, warum PWM so beliebt ist, ist einfach. Viele Lasten, wie z. B. Widerstände, integrieren die Leistung in eine Zahl, die dem Prozentsatz entspricht. Die Umrechnung in seinen analogen Äquivalentwert ist unkompliziert. LEDs reagieren sehr nichtlinear auf Strom, geben einer LED die Hälfte ihres Nennstroms und Sie erhalten immer noch mehr als die Hälfte des Lichts, das die LED erzeugen kann. Bei PWM ist die von der LED erzeugte Lichtstärke sehr linear. Motoren, auf die später eingegangen wird, reagieren ebenfalls sehr auf PWM.

Eine von mehreren Möglichkeiten zur Erzeugung von PWM ist die Verwendung einer Sägezahnwellenform und eines Komparators. Wie unten gezeigt, muss die Sägezahn- (oder Dreieckswelle) nicht symmetrisch sein, aber die Linearität der Wellenform ist wichtig. Die Frequenz der Sägezahnwellenform ist die Abtastrate für das Signal.

Wenn keine Berechnung erforderlich ist, kann PWM schnell sein. Der begrenzende Faktor ist der Frequenzgang des Komparators. Dies ist möglicherweise kein Problem, da einige der Anwendungen relativ langsam sind. Einige Mikrocontroller haben PWM eingebaut und können Signale bei Bedarf aufzeichnen oder erzeugen.

Die Verwendungsmöglichkeiten für PWM variieren stark. Es ist das Herzstück von Klasse-D-Audioverstärkern, indem Sie die Spannungen erhöhen, erhöhen Sie die maximale Ausgangsleistung und indem Sie eine Frequenz auswählen, die über das menschliche Gehör hinausgeht (typischerweise 44 kHz), kann PWM verwendet werden. Die Lautsprecher reagieren nicht auf die hohe Frequenz, sondern duplizieren die niedrige Frequenz, die das Audiosignal ist. Höhere Abtastraten können für eine noch bessere Wiedergabetreue verwendet werden, und 100 Khz oder mehr sind keine Seltenheit.

Eine weitere beliebte Anwendung ist die Motordrehzahlregelung. Motoren als Klasse benötigen zum Betrieb sehr hohe Ströme. Die Möglichkeit, ihre Geschwindigkeit mit PWM zu variieren, erhöht die Effizienz des Gesamtsystems um einiges. PWM ist bei der Steuerung von Motordrehzahlen bei niedrigen Drehzahlen effektiver als lineare Methoden.

H-Brücken

PWM wird oft in Verbindung mit einer H-Brücke verwendet. Diese Konfiguration wird so genannt, weil sie dem Buchstaben H ähnelt und eine Verdoppelung der effektiven Spannung an der Last ermöglicht, da die Stromversorgung über beide Seiten der Last geschaltet werden kann. Bei induktiven Lasten wie Motoren werden Dioden verwendet, um induktive Spitzen zu unterdrücken, die die Transistoren beschädigen können. Die Induktivität in einem Motor neigt auch dazu, die Hochfrequenzkomponente der Wellenform zurückzuweisen. Diese Konfiguration kann auch mit Lautsprechern für Audioverstärker der Klasse D verwendet werden.

Obwohl dieser Schaltplan einer H-Brücke im Grunde genommen korrekt ist, hat er einen schwerwiegenden Fehler:Beim Übergang zwischen den MOSFETs ist es möglich, dass beide Transistoren oben und unten gleichzeitig eingeschaltet sind und die volle Last der Stromversorgung auf sich nehmen. Dieser Zustand wird als Durchschießen bezeichnet und kann mit jeder Art von Transistor passieren, die in einer H-Brücke verwendet wird. Wenn das Netzteil stark genug ist, werden die Transistoren nicht überleben. Dies wird durch die Verwendung von Treibern vor den Transistoren gehandhabt, die es einem ermöglichen, sich auszuschalten, bevor der andere eingeschaltet wird.

Schaltnetzteile

Schaltnetzteile (SMPS) können auch PWM verwenden, obwohl es auch andere Methoden gibt. Das Hinzufügen von Topologien, die die gespeicherte Leistung sowohl in Induktivitäten als auch in Kondensatoren nach den Hauptschaltkomponenten verwenden, kann die Wirkungsgrade dieser Geräte ziemlich hoch steigern und in einigen Fällen über 90% betragen. Unten ist ein Beispiel für eine solche Konfiguration.

Die Effizienz wird in diesem Fall in Watt gemessen. Wenn Sie ein SMPS mit 90% Effizienz haben und es 12 V DC in 5 V DC bei 10 A umwandelt, zieht die 12 V-Seite ungefähr 4,6 A. Die nicht berücksichtigten 10 % (5 Watt) werden als Abwärme ausgewiesen. Obwohl dieser Reglertyp etwas lauter ist, läuft er viel kühler als sein lineares Gegenstück.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Designprojekt:Pulsweitenmodulation (PWM) Signalgenerator Arbeitsblatt

• Arbeitsblatt zur Signalmodulation