Was ist PWM - Pulsweitenmodulation

Modulation ist ein nichtlinearer elektrischer Vorgang, bei dem die Parameter eines Signals (Träger) durch ein anderes Signal (Modulation, Information) verändert werden. In der Kommunikationstechnik ist die Frequenz-, Amplituden- und Phasenmodulation weit verbreitet. In der Leistungselektronik und Mikroprozessortechnik hat die Pulsweitenmodulation weite Verbreitung gefunden.

Was ist PWM (Pulsweitenmodulation)

Bei der Pulsweitenmodulation des Originalsignals bleiben Amplitude, Frequenz und Phase des Originalsignals unverändert. Die Dauer (Breite) des Rechteckimpulses unterliegt einer Änderung unter der Wirkung des Informationssignals. In der englischen Fachliteratur wird sie als PWM - Pulsweitenmodulation abgekürzt.

Wie PWM funktioniert

Das pulsweitenmodulierte Signal wird auf zwei Arten gebildet:

• analog;
• Digital.

Bei der analogen Erzeugung eines PWM-Signals wird ein Träger in Form eines Sägezahn- oder Dreiecksignals einem Invertierer zugeführt Komparatoreingang, und Informationen - auf nicht-Invertierung. Wenn der momentane Trägerpegel höher als das Modulationssignal ist, dann ist der Ausgang des Komparators Null, wenn er niedriger ist - Eins. Das Ausgangssignal ist ein diskretes Signal mit einer Frequenz, die der Frequenz des Trägerdreiecks oder der Sägezahnwelle entspricht, und einer Impulslänge, die proportional zum Pegel der Modulationsspannung ist.

Beispielsweise steigt die Pulsweitenmodulation eines Dreiecksignals linear an. Die Dauer der Ausgangsimpulse ist proportional zum Pegel des Ausgangssignals.

Analoge PWM-Controller sind auch in Form von vorgefertigten Mikroschaltungen erhältlich, in denen ein Komparator und eine Trägererzeugungsschaltung installiert sind. Es gibt Eingänge zum Anschluss externer frequenzeinstellender Elemente und zum Liefern eines Informationssignals. Aus dem Ausgang wird ein Signal entfernt, das mächtige Fremdtasten steuert. Es gibt auch Eingänge für Rückmeldungen - sie werden benötigt, um die eingestellten Regelparameter beizubehalten. Das ist zum Beispiel der TL494-Chip. Für Fälle, in denen die Leistung des Verbrauchers relativ gering ist, stehen PWM-Controller mit eingebauten Tasten zur Verfügung. Der interne Schlüssel der Mikroschaltung LM2596 ist für Strom bis zu 3 Ampere ausgelegt.

Das digitale Verfahren wird unter Verwendung spezialisierter Mikroschaltkreise oder Mikroprozessoren durchgeführt. Die Pulslänge wird durch das interne Programm gesteuert. Viele Mikrocontroller, einschließlich der beliebten PIC und AVR, haben ein eingebautes Modul für die Hardware-Implementierung von PWM „an Bord“. Um ein PWM-Signal zu empfangen, müssen Sie das Modul aktivieren und seine Betriebsparameter einstellen.Wenn ein solches Modul nicht vorhanden ist, dann kann PWM rein per Software organisiert werden, das ist nicht schwer. Diese Methode bietet mehr Leistung und Freiheit durch flexible Verwendung der Ausgänge, verbraucht aber mehr Controller-Ressourcen.

Eigenschaften des PWM-Signals

Die wichtigen Eigenschaften des PWM-Signals sind:

• Amplitude (U);
• Frequenz (f);
• Einschaltdauer (S) oder Einschaltdauer D.

Die Amplitude in Volt wird lastabhängig eingestellt. Er muss die Versorgungsnennspannung des Verbrauchers liefern.

Die Frequenz des durch die Pulsweite modulierten Signals wird aus folgenden Überlegungen ausgewählt:

1. Je höher die Frequenz, desto höher die Regelgenauigkeit.
2. Die Frequenz darf nicht kleiner sein als die Ansprechzeit des per PWM angesteuerten Gerätes, da es sonst zu merklichen Welligkeiten des angesteuerten Parameters kommt.
3. Je höher die Frequenz, desto höher die Schaltverluste. Sie ergibt sich daraus, dass die Schaltzeit des Schlüssels endlich ist. Im verriegelten Zustand fällt die gesamte Versorgungsspannung am Schlüsselelement ab, es fließt jedoch fast kein Strom. Im geöffneten Zustand fließt der volle Laststrom durch die Taste, der Spannungsabfall ist jedoch gering, da der Durchgangswiderstand wenige Ohm beträgt. In beiden Fällen ist die Verlustleistung vernachlässigbar. Der Übergang von einem Zustand in einen anderen erfolgt schnell, aber nicht sofort. Beim Entriegeln-Verriegeln fällt an einem teilweise geöffneten Element eine große Spannung ab und gleichzeitig fließt ein erheblicher Strom durch es. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Verlustleistung hohe Werte. Dieser Zeitraum ist kurz, der Schlüssel hat keine Zeit, sich wesentlich aufzuwärmen.Aber mit zunehmender Häufigkeit solcher Zeitintervalle pro Zeiteinheit wird es mehr und die Wärmeverluste nehmen zu. Daher ist es zum Erstellen von Schlüsseln wichtig, schnelle Elemente zu verwenden.
4. Während der Fahrt Elektromotor Die Frequenz muss aus dem für eine Person hörbaren Bereich entfernt werden - 25 kHz und höher. Denn bei einer niedrigeren PWM-Frequenz tritt ein unangenehmes Pfeifen auf.

Diese Anforderungen stehen oft im Widerspruch zueinander, sodass die Wahl der Frequenz in manchen Fällen ein Kompromiss ist.

Der Modulationswert charakterisiert das Tastverhältnis. Da die Pulswiederholrate konstant ist, ist auch die Periodendauer konstant (T = 1/f). Die Periode besteht aus einem Impuls und einer Pause, die jeweils eine Dauer t haben_Kobold und T_pausiert, und T_Kobold+t_pausiert=T. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis der Impulsdauer zur Periode - S \u003d t_Kobold/T. In der Praxis hat es sich aber als bequemer herausgestellt, den Kehrwert zu verwenden - den Füllfaktor: D=1/S=T/t_Kobold. Noch bequemer ist es, den Füllfaktor in Prozent auszudrücken.

Was ist der Unterschied zwischen PWM und SIR?

In der ausländischen Fachliteratur wird zwischen Pulsweitenmodulation und Pulsweitenregelung (PWR) nicht unterschieden. Russische Spezialisten versuchen, zwischen diesen Konzepten zu unterscheiden. Tatsächlich ist PWM eine Art Modulation, dh Änderungen des Trägersignals unter dem Einfluss eines anderen, modulierenden. Das Trägersignal wirkt als Informationsträger und das Modulationssignal setzt diese Information. Und Pulsweitenregelung ist die Regelung des Lastmodus mittels PWM.

Gründe und Anwendungen von PWM

Dabei kommt das Prinzip der Pulsweitenmodulation zum Einsatz Drehzahlregler leistungsstarker Asynchronmotoren. Dabei wird das einstellbare Frequenzmodulationssignal (einphasig oder dreiphasig) von einem leistungsschwachen Sinusgenerator erzeugt und dem Träger analog überlagert. Der Ausgang ist ein PWM-Signal, das den Tasten mit der erforderlichen Leistung zugeführt wird. Dann können Sie die resultierende Impulsfolge durch einen Tiefpassfilter leiten, beispielsweise durch eine einfache RC-Schaltung, und die ursprüngliche Sinuskurve auswählen. Oder Sie können darauf verzichten - die Filtration erfolgt aufgrund der Trägheit des Motors auf natürliche Weise. Je höher die Trägerfrequenz ist, desto näher kommt die Ausgangswellenform natürlich der ursprünglichen Sinuskurve.

Es stellt sich eine natürliche Frage: Warum ist es beispielsweise unmöglich, das Signal des Generators sofort zu verstärken? mit leistungsstarken Transistoren? Weil ein im linearen Modus arbeitendes Regelelement die Leistung zwischen der Last und dem Schlüssel umverteilt. In diesem Fall wird eine beträchtliche Energie an dem Schlüsselelement verschwendet. Arbeitet ein leistungsfähiges Stellglied im Tastbetrieb (Trinistor, Triac, RGBT-Transistor), dann verteilt sich die Leistung über die Zeit. Die Verluste werden viel geringer und die Effizienz viel höher sein.

In der Digitaltechnik gibt es zur Pulsweitenregelung keine besondere Alternative. Die Signalamplitude ist dort konstant, Spannung und Strom können nur verändert werden, indem der Träger entlang der Pulsbreite moduliert und anschließend gemittelt wird. Daher wird PWM verwendet, um Spannung und Strom an den Objekten zu regeln, die das Impulssignal mitteln können. Die Mittelung erfolgt auf unterschiedliche Weise:

1. wegen Lastträgheit.So sorgt die thermische Trägheit von thermoelektrischen Heizungen und Glühlampen dafür, dass die geregelten Objekte in den Pulspausen nicht merklich abkühlen.
2. Aufgrund der Trägheit der Wahrnehmung. Die LED hat Zeit, von Puls zu Puls zu erlöschen, aber das menschliche Auge merkt dies nicht und nimmt es als konstantes Leuchten mit unterschiedlicher Intensität wahr. Dieses Prinzip wird verwendet, um die Helligkeit von Punkten von LED-Monitoren zu steuern. Ein unmerkliches Blinzeln mit einer Frequenz von mehreren hundert Hertz ist jedoch immer noch vorhanden und führt zu einer Ermüdung der Augen.
3. aufgrund mechanischer Trägheit. Diese Eigenschaft wird bei der Steuerung von DC-Bürstenmotoren verwendet. Bei richtig gewählter Regelfrequenz hat der Motor keine Zeit, in toten Pausen abzubremsen.

Daher wird PWM dort eingesetzt, wo der Mittelwert von Spannung oder Strom eine entscheidende Rolle spielt. Neben den genannten häufigen Fällen regelt das PWM-Verfahren den Durchschnittsstrom in Schweißgeräten und Batterieladegeräten usw.

Ist eine natürliche Mittelung nicht möglich, kann diese Rolle in vielen Fällen von dem bereits erwähnten Tiefpassfilter übernommen werden (LPF) in Form einer RC-Kette. Für praktische Zwecke ist dies ausreichend, aber es muss verstanden werden, dass es unmöglich ist, das ursprüngliche Signal mit einem Tiefpassfilter ohne Verzerrung von der PWM zu isolieren. Schließlich enthält das PWM-Spektrum unendlich viele Harmonische, die zwangsläufig in den Durchlassbereich des Filters fallen. Daher sollte man sich keine Illusionen über die Form der rekonstruierten Sinuskurve machen.

Sehr effiziente und effektive PWM-RGB-LED-Steuerung. Dieses Gerät hat drei pn-Übergänge - rot, blau, grün.Indem Sie die Helligkeit des Leuchtens jedes Kanals separat ändern, können Sie fast jede Farbe des LED-Leuchtens erhalten (mit Ausnahme von reinem Weiß). Die Möglichkeiten zum Erstellen von Lichteffekten mit PWM sind endlos.

Die häufigste Anwendung eines pulsweitenmodulierten Digitalsignals ist die Steuerung des durchschnittlichen Stroms oder der Spannung, die durch eine Last fließt. Aber auch eine nicht standardmäßige Verwendung dieser Modulationsart ist möglich. Es hängt alles von der Vorstellungskraft des Entwicklers ab.

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