אפנון הוא תהליך חשמלי לא ליניארי בו משתנים הפרמטרים של אות אחד (נשא) באמצעות אות אחר (אפנון, מידע). בטכנולוגיית תקשורת, נעשה שימוש נרחב בתדר, משרעת ופאזה. בתחום האלקטרוניקה הכוחנית וטכנולוגיית המיקרו-מעבדים, אפנון רוחב הדופק הפך לנפוץ.
תוֹכֶן
מהו PWM (אפנון רוחב דופק)
עם אפנון רוחב הדופק של האות המקורי, המשרעת, התדר והפאזה של האות המקורי נשארים ללא שינוי. משך (רוחב) הפולס המלבני נתון לשינוי תחת פעולת אות המידע. בספרות הטכנית האנגלית, זה מקוצר בשם PWM - pulse-width modulation.
איך עובד PWM
האות המאופנן ברוחב הדופק נוצר בשתי דרכים:
- אנלוגי;
- דִיגִיטָלי.
בשיטה האנלוגית של יצירת אות PWM, נשא בצורה של שן מסור או אות משולש מוזן להיפוך קלט המשווה, ומידע - על אי-היפוך. אם רמת הספק המיידית גבוהה מהאות המאפנן, אז הפלט של המשווה הוא אפס, אם נמוך יותר - אחד. הפלט הוא אות בדיד עם תדר התואם את התדר של משולש הנושא או המסור, ואורך פולס פרופורציונלי לרמת המתח המווסת.
כדוגמה, אפנון רוחב הדופק של אות משולש גדל באופן ליניארי. משך פעימות המוצא פרופורציונלי לרמת אות המוצא.
בקרי PWM אנלוגיים זמינים גם בצורה של מיקרו-מעגלים מוכנים, שבתוכם מותקנים משווה ומעגל יצירת נושא. ישנן כניסות לחיבור אלמנטים חיצוניים להגדרת תדר ואספקת אות מידע. הוסר אות מהפלט השולט על מפתחות זרים רבי עוצמה. יש גם כניסות למשוב - הם נחוצים כדי לשמור על פרמטרי הבקרה שנקבעו. כזה, למשל, הוא שבב TL494. למקרים בהם הספק של הצרכן קטן יחסית, זמינים בקרי PWM עם מקשים מובנים. המפתח הפנימי של המיקרו-מעגל LM2596 מיועד לזרם של עד 3 אמפר.
השיטה הדיגיטלית מתבצעת באמצעות מיקרו-מעגלים מיוחדים או מיקרו-מעבדים. אורך הדופק נשלט על ידי התוכנית הפנימית. למיקרו-בקרים רבים, כולל ה-PIC וה-AVR הפופולריים, יש מודול מובנה ליישום חומרה של PWM "על הלוח", כדי לקבל אות PWM, עליך להפעיל את המודול ולהגדיר את פרמטרי הפעולה שלו.אם מודול כזה אינו זמין, אז PWM יכול להיות מאורגן אך ורק על ידי תוכנה, זה לא קשה. שיטה זו מעניקה יותר כוח וחופש באמצעות שימוש גמיש ביציאות, אך משתמשת יותר במשאבי בקר.
מאפייני אות PWM
המאפיינים החשובים של אות PWM הם:
- משרעת (U);
- תדירות (f);
- מחזור עבודה (S) או מחזור עבודה D.
המשרעת בוולט נקבעת בהתאם לעומס. זה חייב לספק את מתח האספקה המדורג של הצרכן.
תדר האות המאופנן על ידי רוחב הדופק נבחר מהשיקולים הבאים:
- ככל שהתדירות גבוהה יותר, כך דיוק הבקרה גבוה יותר.
- התדר לא חייב להיות נמוך מזמן התגובה של המכשיר הנשלט על ידי PWM, אחרת יתרחשו אדוות ניכרות של הפרמטר הנשלט.
- ככל שהתדירות גבוהה יותר, כך הפסדי המיתוג גבוהים יותר. זה נובע מהעובדה שזמן ההחלפה של המפתח הוא סופי. במצב נעול, כל מתח האספקה יורד על אלמנט המפתח, אבל אין כמעט זרם. במצב פתוח, זרם העומס המלא זורם דרך המפתח, אך ירידת המתח קטנה, מכיוון שהתנגדות התפוקה היא כמה אוהם. בשני המקרים, פיזור הכוח זניח. המעבר ממצב אחד לאחר מתרחש במהירות, אך לא באופן מיידי. בתהליך פתיחה-נעילה יורד מתח גדול על אלמנט פתוח חלקית ובמקביל זורם דרכו זרם משמעותי. בשלב זה, הכוח המתפזר מגיע לערכים גבוהים. תקופה זו קצרה, למפתח אין זמן להתחמם באופן משמעותי.אבל עם עלייה בתדירות של מרווחי זמן כאלה ליחידת זמן, זה הופך ליותר, ואיבודי החום גדלים. לכן, כדי לבנות מפתחות, חשוב להשתמש באלמנטים מהירים.
- בזמן נהיגה מנוע חשמלי יש לקחת את התדר מהאזור הנשמע לאדם - 25 קילו-הרץ ומעלה. כי בתדר PWM נמוך יותר מתרחשת שריקה לא נעימה.
דרישות אלו לרוב מתנגשות זו עם זו, ולכן בחירת התדירות בחלק מהמקרים מהווה פשרה.
ערך האפנון מאפיין את מחזור העבודה. מכיוון שקצב החזרה על הדופק קבוע, גם משך התקופה קבוע (T=1/f). התקופה מורכבת מדחף והפוגה, משך הזמן, בהתאמה, tשֵׁד ו tהפסקות, ו tשֵׁד+tהפסקות=T. מחזור העבודה הוא היחס בין משך הדופק לתקופה - S \u003d tשֵׁד/T. אבל בפועל התברר שיותר נוח להשתמש בערך ההדדי - מקדם המילוי: D=1/S=T/tשֵׁד. אפילו יותר נוח לבטא את גורם המילוי באחוזים.
מה ההבדל בין PWM ל-SIR
בספרות טכנית זרה אין הבדל בין אפנון רוחב הדופק לבין ויסות רוחב הדופק (PWR). מומחים רוסים מנסים להבחין בין מושגים אלה. למעשה, PWM הוא סוג של אפנון, כלומר, שינויים באות המוביל תחת השפעתו של אחר, המאפנן אחד. אות הספק פועל כנושא מידע, והאות המאפנן מגדיר מידע זה. ויסות רוחב הדופק הוא ויסות מצב העומס באמצעות PWM.
סיבות ויישומים של PWM
העיקרון של אפנון רוחב הדופק משמש ב בקרי מהירות של מנועים אסינכרוניים רבי עוצמה. במקרה זה, אות אפנון התדר המתכוונן (חד-פאזי או תלת-פאזי) נוצר על ידי מחולל גלי סינוס בעל הספק נמוך ומוצב על הספק בצורה אנלוגית. הפלט הוא אות PWM, המוזן למקשי ההספק הנדרש. אז אתה יכול להעביר את רצף הפולסים המתקבל דרך מסנן מעביר נמוך, למשל, דרך מעגל RC פשוט, ולבחור את הסינוסואיד המקורי. או שאתה יכול להסתדר בלעדיו - הסינון יתרחש באופן טבעי בגלל האינרציה של המנוע. ברור שככל שתדר הנשא גבוה יותר, כך צורת הגל של הפלט קרובה יותר לסינוסואיד המקורי.
מתעוררת שאלה טבעית - מדוע אי אפשר להגביר את האות של המחולל באופן מיידי, למשל, באמצעות טרנזיסטורים חזקים? מכיוון שאלמנט ויסות הפועל במצב ליניארי יחלק מחדש את הכוח בין העומס למפתח. במקרה זה, כוח משמעותי מתבזבז על אלמנט המפתח. אם אלמנט בקרה רב עוצמה פועל במצב מפתח (טריניסטר, טריאק, טרנזיסטור RGBT), אז הכוח מתחלק לאורך זמן. ההפסדים יהיו הרבה יותר נמוכים, והיעילות תהיה הרבה יותר גבוהה.
בטכנולוגיה דיגיטלית, אין חלופה מיוחדת לוויסות רוחב הדופק. משרעת האות קבועה שם, ניתן לשנות את המתח והזרם רק על ידי אפנון הספק לאורך רוחב הפולסים ולאחר מכן ממוצע שלו. לכן, PWM משמש לוויסות מתח וזרם על אותם אובייקטים שיכולים לממוצע את אות הדופק. ממוצע מתרחש בדרכים שונות:
- עקב אינרציה של עומס.לפיכך, האינרציה התרמית של תנורי חימום תרמו-אלקטריים ומנורות ליבון מאפשרת לאובייקטים המווסתים לא להתקרר באופן ניכר בהפסקות בין הפולסים.
- בשל האינרציה של התפיסה. לנורת הלד יש זמן לכבות מפעימה לדופק, אך העין האנושית אינה מבחינה בכך ותופסת זאת כזוהר קבוע בעוצמה משתנה. עיקרון זה משמש לשליטה בבהירות של נקודות של מסכי LED. אבל מצמוץ בלתי מורגש בתדירות של כמה מאות הרץ עדיין קיים וגורם לעייפות עיניים.
- בגלל אינרציה מכנית. מאפיין זה משמש בבקרה של מנועי DC מוברש. עם תדר ויסות שנבחר נכון, למנוע אין זמן להאט בהפסקות מתות.
לכן, PWM משמש כאשר הערך הממוצע של מתח או זרם ממלא תפקיד מכריע. בנוסף למקרים הנפוצים שהוזכרו, שיטת PWM מווסתת את הזרם הממוצע במכונות ריתוך ומטענים לסוללות וכו'.
אם מיצוע טבעי אינו אפשרי, במקרים רבים תפקיד זה יכול להילקח על ידי המסנן הנמוך שהוזכר כבר (LPF) בצורה של שרשרת RC. למטרות מעשיות, זה מספיק, אבל יש להבין שאי אפשר לבודד את האות המקורי מה-PWM באמצעות מסנן מעביר נמוך ללא עיוות. אחרי הכל, ספקטרום ה-PWM מכיל אינסוף הרמוניות שבהכרח ייפלו לתוך פס המעבר של הפילטר. לכן, אין לבנות אשליות לגבי צורת הסינוסואיד המשוחזר.
בקרת LED PWM RGB יעילה ואפקטיבית מאוד. למכשיר הזה יש שלושה צמתים p-n - אדום, כחול, ירוק.על ידי שינוי בנפרד של בהירות הזוהר של כל ערוץ, אתה יכול לקבל כמעט כל צבע של זוהר LED (למעט לבן טהור). האפשרויות ליצירת אפקטי תאורה עם PWM הן אינסופיות.
היישום הנפוץ ביותר של אות דיגיטלי מאופנן ברוחב פולסים הוא לשלוט בזרם הממוצע או במתח הזורמים דרך עומס. אבל שימוש לא סטנדרטי בסוג זה של אפנון אפשרי גם. הכל תלוי בדמיון של היזם.
מאמרים דומים:
