Vad är PWM, hur man mäter det

PWM står för pulsbreddsmodulation som indikerar den variabla naturen hos pulsbredderna som kan genereras från en viss källa, såsom en diskret IC, MCU eller en transistoriserad krets.

Vad är PWM

Enkelt uttryckt är en PWM-process ingenting annat än att slå PÅ och AV en matningsspänning med en viss hastighet med olika PÅ / AV-tidsförhållanden, här kan spänningens PÅ-längd för spänningen vara större, mindre eller lika med OFF-längden.

Till exempel kan en PWM bestå av en spänning som är fast för att slå PÅ och AV med en hastighet av 2 sekunder PÅ 1 sekund AV, 1 sekund PÅ 2 sekund AV eller 1 sekund PÅ, 1 sekund AV.

När denna PÅ / AV-hastighet för en matningsspänning är annorlunda optimerad säger vi att spänningen är en PWM- eller pulsbreddsmodulerad.

Ni måste alla vara bekanta när det gäller hur en konstant likspänningspotential visas i ett spännings-v / s-tidsdiagram som visas nedan:

I bilden ovan kan vi se en rak linje på 9V-nivån, detta uppnås på grund av att 9V-nivån inte förändras med avseende på tid och därför kan vi bevittna en rak linje.

Nu om denna 9V slås PÅ och AV efter var 1 sekund, skulle grafen ovan se ut så här:

Vi kan tydligt se att 9V-linjen nu inte längre är en rätlinjevärderare i form av block efter var 1 sekund, eftersom 9V växlar PÅ och AV efter varje sekund omväxlande.

Ovanstående spår ser ut som rektangelblock, för när 9V slås PÅ och AV är operationerna omedelbara vilket plötsligt gör att 9V går till nollnivå och sedan plötsligt till 9V-nivå och därigenom bildar de rektangulära formerna på diagrammet.

Ovanstående tillstånd ger upphov till en pulserande spänning som har två parametrar som ska mätas, nämligen toppspänningen och medelspänningen eller RMS-spänningen.

Högsta och genomsnittliga spänning

I den första bilden är toppspänningen uppenbarligen 9V, och medelspänningen är också 9V helt enkelt för att spänningen är konstant utan några avbrott.

Men i den andra bilden, även om spänningen slås PÅ / AV vid 1 Hz-hastighet (1 sekund PÅ, 1 sekund AV), kommer toppen fortfarande att vara lika med 9V, eftersom toppen alltid når 9V-märket under PÅ-perioderna. Men den genomsnittliga spänningen här är inte 9V utan 4,5V eftersom spänningen görs och bryts med 50%.

I PWM-diskussioner kallas denna PÅ / AV-hastighet PWM: s arbetscykel, därför är det i ovanstående fall en 50% arbetscykel.

När du mäter en PWM med en digital multimeter på ett DC-område får du alltid det genomsnittliga värdet på mätaren.

Nya hobbyister blir ofta förvirrade med denna läsning och tar det som toppvärdet, vilket är helt fel.

Som förklarats ovan kommer toppvärdet för en PWM att vara mestadels lika med matningsspänningen som matas till kretsen, medan den genomsnittliga volymen på mätaren kommer att vara medelvärdet av PWM: s PÅ / AV-perioder.

Växla Mosfet med PWM

Så om du byter en mosfet med en PWM och tycker att grindspänningen ska vara, säg till exempel 3V, kom inte i panik eftersom detta bara kan vara den genomsnittliga spänningen som indikeras av mätaren, toppspänningen kan vara lika hög som din kretsförsörjning Spänning.

Därför kan mosfet förväntas leda fint och helt genom dessa toppvärden och medelspänningen skulle bara påverka dess ledningsperiod, inte enhetens omkopplingsspecifikation.

Som vi diskuterade i föregående avsnitt involverar en PWM i grunden variationen av pulsbredderna, med andra ord PÅ- och AV-perioderna för DC.

Låt oss säga att du till exempel vill ha en PWM-utgång med en PÅ-tid som är 50% mindre än PÅ-tiden.

Låt oss anta att du valt PÅ-tid är 1/2 sekund då AV-tiden skulle vara lika med 1 sekund, vilket skulle ge upphov till en arbetscykel på 1/2 sekund PÅ och 1 sekund AV, vilket kan ses i följande diagram .

Analysera PWM: s arbetscykel

I detta exempel är PWM: erna optimerade för att producera en toppspänning på 9V men en genomsnittlig spänning på 3,15V eftersom PÅ-tiden är bara 35% av en fullständig fullständig PÅ / AV-cykel.

En fullständig cykel hänvisar till den tidsperiod som gör att den givna pulsen kan slutföra sin fulla PÅ-tid och en AV-tid.

På samma sätt kan man tänka sig att optimera pulsbredden för en frekvens med följande data:

Här kan ON-tiden ses ökad än OFF-tiden med 65% över en hel cykel, därför blir här medelvärdet för spänningen 5,85V.

Den ovan diskuterade medelspänningen kallas också RMS eller rotens genomsnittliga kvadratvärde för spänningen.

Eftersom dessa alla är rektangulära eller fyrkantiga pulser kan RMS beräknas helt enkelt genom att multiplicera arbetscykelprocenten med toppspänningen.

Optimera PWM för att simulera Sinewave

Men i fall där PWM är optimerad för att simulera en AC-puls blir beräkningen för RMS lite komplex.

Låt oss ta exemplet med följande PWM som är optimerad för att variera dess bredd motsvarande den varierande amplituden eller nivån för en sinusformad växelströmssignal.

Du kan lära dig mer om detta genom en av mina tidigare artiklar där jag har förklarat hur IC 555 kan användas till genererar sinusvågekvivalent PWM-utgång .

Som vi kan se i bilden ovan förändras pulsernas bredd med avseende på sinusvågens momentana nivå. När sinusvågen tenderar att nå toppen blir motsvarande pulsbredd bredare och vice versa.

Använda SPWM

Detta indikerar att eftersom sinusvågsspänningsnivån ständigt förändras med tiden ändras också PWM med tiden genom att ständigt variera dess bredder. Sådan PWM kallas också SPWM eller Sinewave Pulse Width Modulation.

Således i ovanstående fall är pulserna aldrig konstanta utan förändrar sina bredder annorlunda med tiden.

Detta gör dess RMS eller medelvärdesberäkningen lite komplex och vi kan inte bara multiplicera arbetscykeln med toppspänningen här för att uppnå RMS.

Även om den verkliga formeln för att härleda RMS-uttrycket är ganska komplex, blir den slutliga implementeringen faktiskt ganska lätt efter lämpliga derivat.

Beräkning av RMS-spänning för en PWM

För beräkning av RMS för en varierande PWM-spänning som svar på en sinusvåg kan sålunda erhållas genom att multiplicera 0,7 (konstant) med toppspänningen.

Så för en 9V-topp får vi 9 x 0,7 = 6,3V, det är RMS-spänningen eller medelvärdet för en 9V-topp till topp-PWM som simulerar en sinusvåg.

PWM: s roll i elektroniska kretsar?

Du kommer att upptäcka att PWM-konceptet i huvudsak är förknippat med
kretskonstruktioner som har induktorer involverade speciellt buck boost-topologier som växelriktare, SMPS , MPPT, LED-drivkretsar etc.

Utan en induktor kan en PWM-funktion inte ha något verkligt värde eller roll i en given krets, detta beror på att endast en induktor har den inneboende egenskapen att omvandla en varierande pulsbredd till en ekvivalent mängd uppstegad (förstärkt) eller trappad ner (buckad) spänning eller ström, vilket blir en hel idé för en PWM-teknik.

Använda PWM med induktorer

För att förstå hur PWM påverkar en induktansutgång när det gäller spänning och ström, skulle det vara först viktigt att lära sig hur en induktor beter sig i påverkan av en pulserande spänning.

I ett av mina tidigare inlägg förklarade jag angående hur en buck boost-krets fungerar , detta är ett klassiskt exempel för att visa hur PWM eller en varierande pulsbredd kan användas för att dimensionera en induktansutgång.

Det är välkänt att en induktor alltid motsätter sig en plötslig applicering av spänning över den och låter den passera först efter en viss tid beroende på dess lindningsspecifikationer, och under denna process lagrar den en motsvarande mängd energi i den.

Om spänningen plötsligt stängs av under ovanstående process kan induktorn inte klara av det plötsliga försvinnandet av den applicerade spänningen och försöker balansera den genom att släppa den lagrade strömmen i den.

Reaktion av induktor till PWM

Således kommer en induktor att försöka motsätta sig att slå på spänningen genom att lagra ström och försöka utjämna som svar på en plötslig avstängning av spänningen genom att 'sparka' den lagrade energin tillbaka till systemet.

Denna kickback kallas en induktors bakre EMF och innehållet i denna energi (spänning, ström) kommer att bero på induktansspolningens specifikationer.

I grund och botten bestämmer antalet varv om EMF ska vara högre i spänning än matningsspänningen eller lägre än matningsspänningen, och trådens tjocklek bestämmer mängden ström som induktorn kan göra.

Det finns en annan aspekt av ovanstående induktor, vilket är tidpunkten för spänning PÅ / AV-perioder.

Det är där användningen av en PWM blir avgörande.

Även om antalet varv i grunden bestämmer utgångsvärdena för en viss, kan dessa också varieras efter önskemål genom att mata en optimerad PWM-introduktion till en induktor.

Genom en variabel PWM kan vi tvinga en induktor att generera / omvandla spänningar och strömmar vid vilken önskad hastighet som helst, antingen som en förstärkt spänning (reducerad ström), eller ökad ström (reducerad spänning) eller vice versa.

I vissa applikationer kan en PWM användas även utan en induktor, till exempel för att dimma en LED-lampa, eller i MCU-tidkretsar, där utgången kan optimeras för att generera spänningar vid olika brytare PÅ, stäng av perioder för att styra en belastning enligt dess avsedda arbetsspecifikationer.