Funktionsprinzip der Pulsweitenmodulation. PWM – Pulsweitenmodulation. Wärmeableitung und Kühlung
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TwitterEiner der Ansätze, die Wärmeverluste von Leistungskomponenten von Funkschaltungen deutlich zu reduzieren, ist die Umschaltung der Betriebsarten von Anlagen. Bei solchen Systemen ist die elektrische Leistungskomponente entweder offen – zu diesem Zeitpunkt gibt es praktisch keinen Spannungsabfall an ihr, oder offen – zu diesem Zeitpunkt wird ihr kein Strom zugeführt. Die Verlustleistung kann durch Multiplikation von Strom und Spannung berechnet werden. In diesem Modus ist es möglich, einen Wirkungsgrad von etwa 75-80 % oder mehr zu erreichen.
Was ist PWM?
Um am Ausgang ein Signal der gewünschten Form zu erhalten, darf der Netzschalter nur für eine bestimmte Zeit geöffnet werden, proportional zu den berechneten Indikatoren der Ausgangsspannung. Dies ist das Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM). Als nächstes gelangt ein Signal dieser Form, das aus Impulsen unterschiedlicher Breite besteht, in den Filterbereich, der auf einer Induktivität und einem Kondensator basiert. Nach der Konvertierung wird ein nahezu ideales Signal mit der erforderlichen Form ausgegeben.
Der Anwendungsbereich von PWM beschränkt sich nicht nur auf Schaltnetzteile, Stabilisatoren und Spannungswandler. Die Verwendung dieses Prinzips bei der Entwicklung eines leistungsstarken Audioverstärkers ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs des Geräts, führt zu einer Miniaturisierung der Schaltung und optimiert das Wärmeübertragungssystem. Zu den Nachteilen gehört die mittelmäßige Qualität des Ausgangssignals.
Bildung von PWM-Signalen
Es ist ziemlich schwierig, PWM-Signale mit der gewünschten Form zu erzeugen. Allerdings kann sich die Industrie heute mit wunderbaren Spezialchips, den sogenannten PWM-Controllern, erfreuen. Sie sind kostengünstig und lösen das Problem der Erzeugung eines Pulsweitensignals vollständig. Wenn Sie sich mit ihrem typischen Design vertraut machen, können Sie sich in der Struktur solcher Controller und ihrer Verwendung zurechtfinden.
Die Standard-PWM-Controllerschaltung geht von folgenden Ausgängen aus:
- Gemeinsamer Ausgang (GND). Es ist in Form eines Beins ausgeführt, das mit der gemeinsamen Leitung des Stromversorgungskreises des Geräts verbunden ist.
- Power-Pin (VC). Verantwortlich für die Stromversorgung der Schaltung. Es ist wichtig, ihn nicht mit seinem Nachbarn mit ähnlichem Namen zu verwechseln – dem VCC-Pin.
- Leistungssteuerstift (VCC). In der Regel übernimmt der PWM-Controller-Chip die Ansteuerung der Leistungstransistoren (bipolar oder Feldeffekt). Sinkt die Ausgangsspannung, öffnen die Transistoren nur teilweise und nicht vollständig. Sie erhitzen sich schnell und versagen bald, da sie der Belastung nicht mehr gewachsen sind. Um diese Möglichkeit auszuschließen, ist es notwendig, die Versorgungsspannung am Eingang der Mikroschaltung zu überwachen und zu verhindern, dass sie die Designmarke überschreitet. Sinkt die Spannung an diesem Pin unter den speziell für diesen Controller eingestellten Wert, schaltet sich das Steuergerät ab. Normalerweise ist dieser Pin direkt mit dem VC-Pin verbunden.
Ausgangssteuerspannung (OUT)
Die Anzahl der Pins einer Mikroschaltung wird durch deren Aufbau und Funktionsprinzip bestimmt. Es ist nicht immer möglich, komplexe Begriffe sofort zu verstehen, aber versuchen wir, das Wesentliche hervorzuheben. Auf 2 Pins befinden sich Mikroschaltungen, die Push-Pull-Kaskaden (Doppelarm) steuern (Beispiele: Brücke, Halbbrücke, 2-Takt-Umkehrwandler). Es gibt auch Analoga von PWM-Controllern zur Steuerung von einseitigen (einarmigen) Kaskaden (Beispiele: Vorwärts/Rückwärts, Boost/Buck, Invertierung).
Darüber hinaus kann die Ausgangsstufe ein- oder zweitaktig aufgebaut sein. Push-Pull wird hauptsächlich zur Ansteuerung eines spannungsabhängigen FET verwendet. Für ein schnelles Schließen ist eine schnelle Entladung der Gate-Source- und Gate-Drain-Kondensatoren erforderlich. Zu diesem Zweck wird die Gegentakt-Ausgangsstufe des Controllers verwendet, deren Aufgabe darin besteht, sicherzustellen, dass der Ausgang mit einem gemeinsamen Kabel kurzgeschlossen wird, wenn ein Schließen des Feldeffekttransistors erforderlich ist.
PWM-Controller für hohe Leistungen können auch über Ausgangsschaltersteuerungen (Treiber) verfügen. Es wird empfohlen, IGBT-Transistoren als Ausgangsschalter zu verwenden.
Die Hauptprobleme von PWM-Wandlern
Beim Betrieb eines Gerätes lässt sich die Möglichkeit eines Ausfalls nicht vollständig ausschließen, auch bei Umrichtern. Die Komplexität des Designs spielt keine Rolle; selbst der bekannte TL494-PWM-Controller kann zu Betriebsproblemen führen. Fehler sind unterschiedlicher Natur – einige von ihnen können mit dem Auge erkannt werden, während für die Erkennung anderer spezielle Messgeräte erforderlich sind.
Um einen PWM-Controller zu verwenden, sollten Sie sich mit der Liste der Hauptstörungen des Geräts und erst später mit den Möglichkeiten zu deren Behebung vertraut machen.
Fehlerbehebung
Eines der häufigsten Probleme ist der Ausfall wichtiger Transistoren. Die Ergebnisse sind nicht nur sichtbar, wenn Sie versuchen, das Gerät zu starten, sondern auch, wenn Sie es mit einem Multimeter untersuchen.
Darüber hinaus gibt es weitere Fehler, die etwas schwieriger zu erkennen sind. Bevor Sie den PWM-Controller direkt überprüfen, können Sie die häufigsten Ausfälle berücksichtigen. Z.B:
- Der Controller bleibt nach dem Start stehen – eine Unterbrechung in der Betriebssystemschleife, ein Stromabfall, Probleme mit dem Kondensator am Filterausgang (falls vorhanden) oder dem Treiber; Möglicherweise ist die Ansteuerung des PWM-Controllers schief gelaufen. Es ist notwendig, das Gerät auf Späne und Verformungen zu untersuchen, die Belastungsindikatoren zu messen und sie mit Standardindikatoren zu vergleichen.
- Der PWM-Controller startet nicht – eine der Eingangsspannungen fehlt oder das Gerät ist defekt. Es kann hilfreich sein, die Ausgangsspannung zu überprüfen und zu messen, oder als letzten Ausweg sie durch ein bekanntermaßen funktionierendes Analogon zu ersetzen.
- Die Ausgangsspannung weicht von der Nennspannung ab – es liegt ein Problem mit der OOS-Schleife oder mit der Steuerung vor.
- Nach dem Start geht das PWM am Netzteil in den Schutzzustand, wenn kein Kurzschluss an den Tasten vorliegt – Fehlbedienung des PWM oder der Treiber.
- Instabiler Betrieb der Platine, Auftreten seltsamer Geräusche – Unterbrechung der OOS-Schleife oder RC-Kette, Verschlechterung der Filterkapazität.
Abschließend
Universelle und multifunktionale PWM-Controller sind mittlerweile fast überall zu finden. Sie dienen nicht nur als integraler Bestandteil der Stromversorgung der meisten modernen Geräte – Standardcomputer und andere Alltagsgeräte. Auf Basis von Steuerungen werden neue Technologien entwickelt, die den Ressourcenverbrauch in vielen Bereichen menschlichen Handelns deutlich reduzieren können. Besitzer von Privathäusern profitieren von Batterieladereglern für Photovoltaikbatterien, die auf dem Prinzip der Pulsweitenmodulation des Ladestroms basieren.
Der hohe Wirkungsgrad macht die Entwicklung neuer Geräte nach dem PWM-Prinzip vielversprechend. Sekundäre Energiequellen sind nicht das einzige Betätigungsfeld.
Es ist an der Zeit zu verstehen, wie die Pulsweitenmodulation funktioniert. Versuchen wir, in die Physik des Prozesses einzutauchen und gleichzeitig einen kleinen Blick auf die Betriebsarten des Timers zu werfen.
Betrachten wir zwei Diagramme mit einem sich periodisch wiederholenden Signal. Der Einfachheit halber betrachten wir eine Periode. Wenn wir also ein gewöhnliches Voltmeter nehmen und die Gleichspannung messen, messen wir im ersten Fall 5 V. Daran scheint kein Zweifel zu bestehen.
Was zeigt das Voltmeter im zweiten Fall an? Es stellt sich heraus, dass die Periode eines solchen Signals einer bestimmten konstanten Spannung entspricht. Der Spannungswert hängt dementsprechend vom Impulsfüllwert ab (dem Zeitpunkt, zu dem das Signal nicht Null ist). Lassen Sie uns vereinbaren, dass die Dauer des Vorhandenseins und der Abwesenheit von Spannung gleich ist, d. h. In 50 % der Fälle gibt es ein Signal, in 50 % gibt es kein Signal. Das Analogon eines solchen Signals beträgt die Hälfte der vollen Spannung bzw. das Voltmeter zeigt 2,5 V an.
Der Füllwert wird übrigens als Tastverhältnis des Signals bezeichnet. Wenn das Tastverhältnis 100 % beträgt, sieht das Signal analog wie eine gerade Linie aus. Beträgt das Tastverhältnis 70 %, dann zeigt das Voltmeter entsprechend 0,7*5=3,5V an. Dieses Prinzip der Spannungsregelung wird Pulsweitenmodulation genannt.
Kommen wir nun zur Bildung des Tastverhältnisses des Signals. Lassen Sie uns zunächst ein Sägezahnsignal mit einer Amplitude von 5 V erzeugen. Die Häufigkeit kann beliebig sein.
Verbinden wir dieses Signal nun mit einem Komparator, der auf 2,5 V eingestellt ist. 
Was sehen wir am Ausgang des Operationsverstärkers? Während das Sägesignal von Null auf 2,5 V ansteigt, weist der Ausgang des Komparators einen Minusstrom auf. Da das Minus unserer Stromversorgung jedoch Null ist, bedeutet dies, dass die Leistung Null ist. Sobald das Signal am nicht invertierenden Eingang (z. B. Säge) größer als 2,5 V wird, erscheinen am Ausgang des Operationsverstärkers 5 V. Somit gibt der Operationsverstärker in 50 % der Fälle eine logische Null und in 50 % der Fälle eine logische Eins aus.
Versuchen wir nun, den Arbeitszyklus auf 10 % zu ändern? Wenn 100 % 5 V sind, dann sind 10 % ? Wir berechnen proportional neu. (10*5)/100=0,5 V, stellen Sie den Komparator auf 0,5 V ein und erhalten Sie eine Füllung von 10 %.
Hier erwartet uns eine Enttäuschung statt 10 %, wir haben 90 % bekommen, was ganz logisch ist, von Null bis 0,5 V liegt am Ausgang nichts an, aber sobald die Sägespannung diesen Wert überschreitet, erscheinen am Ausgang 5 V der Komparator. Dies bringt uns zum ersten Timer-Modus, der als nicht invertiertes schnelles PWM bezeichnet wird.
Ja, das sind die gleichen Einstellungen dafür und der minimale Arbeitszyklus entspricht 0xFF.
Das Gegenteil, bequemer zu verwenden, ist der invertierte PWM-Modus. In diesem Fall genügt es, den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang des Komparators zu vertauschen.
Diese. Bei einer kleinen Spannung am Eingang des Komparators ist der Ausgang ein Signal mit einem niedrigen Tastverhältnis. Das macht es bequemer und verständlicher. Für den Timer heißt der Modus Fast PWM, Output: Inverted.
Für die Modi Phasenkorrektur-PWM und Phasen- und Frequenzkorrektur-PWM wird ein Dreieck als Referenz verwendet. aber das Wesentliche bleibt dasselbe.
Mit diesem Ansatz können Sie einen genaueren PWM-Wert erhalten. Allerdings wird die Trägerfrequenz um die Hälfte reduziert. 
Im Phasenkorrektur-PWM-Modus wird der OCR-Wert bei einer Änderung des Arbeitszyklus nur dann aktualisiert, wenn der obere Wert erreicht ist. Es wird angenommen, dass dadurch eine Phasenverschiebung des Signals vermieden wird.
Phasen- und Frequenzkorrektur-PWM ist gut, da bei einer Änderung des Arbeitszyklus der OCR-Wert nur dann aktualisiert wird, wenn der Zähler den niedrigeren Wert erreicht. Diese. Dadurch wird eine Signalfrequenzverschiebung vermieden.
Bisher kann ich keine Beispiele für die Verwendung von Phase Correct und Phase and Frequency Correct nennen, da es noch kein geeignetes Material gibt, aber in naher Zukunft werde ich den Artikel möglicherweise ergänzen. Es gibt aber genügend Beispiele für Fast PWM.
Die Drehzahlanpassung von Elektromotoren erfolgt in der modernen Elektroniktechnik nicht wie bisher durch eine Änderung der Versorgungsspannung, sondern durch die Zufuhr von Stromimpulsen unterschiedlicher Dauer an den Elektromotor. Für diese Zwecke wird das in letzter Zeit sehr populäre PWM verwendet ( pulsweitenmoduliert) Regulierungsbehörden. Die Schaltung ist universell – sie steuert auch die Motordrehzahl, die Helligkeit der Lampen und den Strom im Ladegerät.
PWM-Reglerschaltung
Das obige Diagramm funktioniert hervorragend, im Anhang.
Ohne Veränderung der Schaltung kann die Spannung auf 16 Volt erhöht werden. Platzieren Sie den Transistor abhängig von der Lastleistung.
Zusammenbaubar PWM-Regler und gemäß dieser elektrischen Schaltung mit einem herkömmlichen Bipolartransistor:
Und installieren Sie bei Bedarf anstelle des Verbundtransistors KT827 einen Feldeffekt-IRFZ44N mit einem Widerstand R1 - 47k. Der Polevik ohne Kühler erwärmt sich bei einer Belastung von bis zu 7 Ampere nicht.
Betrieb des PWM-Controllers
Der Timer auf dem NE555-Chip überwacht die Spannung am Kondensator C1, der vom THR-Pin entfernt wird. Sobald das Maximum erreicht ist, öffnet der interne Transistor. Dadurch wird der DIS-Pin mit Masse kurzgeschlossen. In diesem Fall erscheint am OUT-Ausgang eine logische Null. Der Kondensator beginnt sich über DIS zu entladen und wenn die Spannung an ihm Null wird, wechselt das System in den entgegengesetzten Zustand – am Ausgang 1 ist der Transistor geschlossen. Der Kondensator beginnt sich erneut aufzuladen und alles wiederholt sich erneut.
Die Ladung des Kondensators C1 folgt dem Pfad: „R2->oberer Arm R1 ->D2“ und die Entladung entlang des Pfades: D1 -> unterer Arm R1 -> DIS. Wenn wir den variablen Widerstand R1 drehen, ändern wir das Verhältnis der Widerstände des Ober- und Unterarms. Was dementsprechend das Verhältnis der Pulslänge zur Pause verändert. Die Frequenz wird hauptsächlich durch den Kondensator C1 eingestellt und hängt auch geringfügig vom Wert des Widerstands R1 ab. Indem wir das Lade-/Entladewiderstandsverhältnis ändern, ändern wir das Tastverhältnis. Der Widerstand R3 sorgt dafür, dass der Ausgang auf einen hohen Pegel gezogen wird – es liegt also ein Open-Collector-Ausgang vor. Was nicht in der Lage ist, selbstständig ein hohes Niveau festzulegen.
Sie können beliebige Dioden und Kondensatoren mit ungefähr dem gleichen Wert wie im Diagramm verwenden. Abweichungen innerhalb einer Größenordnung haben keinen wesentlichen Einfluss auf die Funktion des Gerätes. Bei 4,7 Nanofarad in C1 beispielsweise sinkt die Frequenz auf 18 kHz, ist aber nahezu unhörbar.
Wenn der Schlüsselsteuertransistor nach dem Zusammenbau der Schaltung heiß wird, öffnet er sich höchstwahrscheinlich nicht vollständig. Das heißt, am Transistor fällt ein großer Spannungsabfall ab (er ist teilweise geöffnet) und es fließt Strom durch ihn. Dadurch wird viel Energie zum Heizen verbraucht. Es empfiehlt sich, die Schaltung am Ausgang mit großen Kondensatoren parallel zu schalten, da sie sonst singt und schlecht geregelt wird. Um Pfeifgeräusche zu vermeiden, wählen Sie C1, da das Pfeifgeräusch oft darauf zurückzuführen ist. Generell ist der Anwendungsbereich sehr breit gefächert, besonders vielversprechend dürfte der Einsatz als Helligkeitsregler für Hochleistungs-LED-Lampen, LED-Streifen und Strahler sein, aber dazu beim nächsten Mal mehr. Dieser Artikel wurde mit Unterstützung von ear, ur5rnp, stalker68 verfasst.
8. Pulsweitenmodulation in Wandlern
8.1. allgemeine Informationen
Die Prinzipien der Pulssteuerung und -modulation werden im Kapitel besprochen. 4 am Beispiel einer einfachen Gleichstromreglerschaltung. Gleichzeitig werden Definitionen der wichtigsten Arten der Pulsmodulation gegeben, die in der Theorie linearer Pulssysteme verwendet werden und der Praxis der Steuerung gepulster Gleichstromwandler entsprechen.
Allerdings hat die Pulsweitenmodulation von Spannungen oder Strömen in Wechselstromwandlern in der Leistungselektronik eine etwas andere Definition, da bei der Lösung von Problemen bei der Stromumwandlung mit Wechselstrom die Besonderheiten der PWM berücksichtigt werden. Gemäß der Definition in IEC 551-16-30 handelt es sich bei der Pulsweitenmodulation um eine Pulssteuerung, bei der die Breite oder Frequenz der Pulse oder beide innerhalb einer Periode der Grundfrequenz moduliert werden, um eine bestimmte Ausgangsspannungswellenform zu erzeugen. In den meisten Fällen wird die PWM durchgeführt, um die Sinusförmigkeit der Spannung oder des Stroms sicherzustellen, d. Es gibt folgende Hauptmethoden zur Sicherstellung der Sinusförmigkeit: analoge PWM und ihre Modifikationen; selektive (selektive) Unterdrückung höherer Harmonischer; Hysterese oder Deltamodulation;
Raumvektormodulation.
Die klassische Version der Organisation einer analogen Sinus-PWM besteht darin, die Breite der Impulse, die die Ausgangsspannung (den Strom) bilden, zu ändern, indem ein Spannungssignal einer bestimmten Form, Referenz oder Referenz genannt, mit einem dreieckigen Spannungssignal mit einer höheren Frequenz verglichen wird und Trägersignal genannt. Das Referenzsignal ist modulierend und bestimmt die erforderliche Form der Ausgangsspannung (Strom). Es gibt viele Modifikationen dieser Methode, bei denen die Modulationssignale durch andere Sonderfunktionen als eine Sinuswelle dargestellt werden. Im Vorlesungsskript werden mehrere Grundschaltungen besprochen, die diese PWM-Methoden erläutern.
Die Methode der selektiven Unterdrückung höherer Harmonischer wird derzeit mit softwarebasierten Mikroprozessorsteuerungen erfolgreich umgesetzt. Die Hysteresemodulation basiert auf den Prinzipien der Relais-„Verfolgung“ eines Referenzsignals, beispielsweise einer Sinuswellenform. In seiner einfachsten technischen Ausgestaltung kombiniert dieses Verfahren die Prinzipien von PWM und PFM (Pulsfrequenzmodulation). Durch besondere schaltungstechnische Maßnahmen ist es jedoch möglich, die Modulationsfrequenz zu stabilisieren bzw. deren Änderungsbereich zu begrenzen.
Das Raumzeigermodulationsverfahren basiert auf der Umwandlung eines dreiphasigen Spannungssystems in ein zweiphasiges und der Gewinnung eines verallgemeinerten Raumzeigers. Die Größe dieses Vektors wird zu Zeitpunkten berechnet, die durch die Grund- und Modulationsfrequenzen bestimmt werden. Es gilt als vielversprechend für die Ansteuerung von Drehstromwechselrichtern, insbesondere beim Einsatz in Elektroantrieben. Gleichzeitig ähnelt es in vielerlei Hinsicht der herkömmlichen Sinus-PWM.
Auf PWM basierende Steuerungssysteme ermöglichen nicht nur die Bereitstellung einer Sinusform der Durchschnittswerte der Grundharmonischen von Spannung oder Strom, sondern auch die Steuerung der Werte ihrer Amplitude, Frequenz und Phase. Da in diesen Fällen der Wandler vollständig gesteuerte Schalter verwendet, wird es möglich, den Betrieb von AC (DC)-Wandlern zusammen mit dem AC-Netzwerk in allen vier Quadranten sowohl im Gleichrichtungs- als auch im Umkehrmodus mit jedem gegebenen Wert des Grundschwingungsleistungsfaktors cosφ zu implementieren im Bereich von -1 bis 1. Darüber hinaus erweitern sich mit zunehmender Trägerfrequenz die Möglichkeiten, Strom und Spannung einer bestimmten Form am Ausgang von Wechselrichtern zu reproduzieren. Dadurch können Sie aktive Filter zur Unterdrückung höherer Harmonischer erstellen.
Die in der weiteren Darstellung verwendeten Hauptdefinitionen betrachten wir am Beispiel der Anwendung der ersten Methode in einer einphasigen Halbbrückenschaltung eines Spannungswechselrichters (Abb. 8.1, A). In diesem bedingten Diagramm die Schlüssel S1 Und S2 werden durch vollständig gesteuerte Schaltelemente dargestellt, ergänzt durch in Reihe und parallel dazu geschaltete Dioden. Reihendioden spiegeln die unidirektionale Leitfähigkeit von Schaltern (z. B. Transistoren oder Thyristoren) wider, und Paralleldioden sorgen für die Leitung von Rückströmen bei einer aktiv-induktiven Last.
Referenzdiagramme, modulierend u M(θ) und Träger u H (θ)-Signale sind in Abb. dargestellt. 8.1, B. Bildung wichtiger Steuerimpulse S 1 und S 2 erfolgt nach folgendem Prinzip. Bei u M (θ) > u H(θ)-Taste S 1 ist eingeschaltet, a S 2 ausgeschaltet. Bei u M(θ)< u Die Schlüsselzustände von H (θ) sind umgekehrt: S 2 - auf, a S 1 - aus. Dadurch wird am Wechselrichterausgang eine Spannung in Form von zwei polaren Impulsen erzeugt. In realen Schaltkreisen soll das gleichzeitige Leiten von Schaltern vermieden werden S 1 und S 2 sollte eine gewisse Verzögerung zwischen den Zeitpunkten der Erzeugung von Signalen zum Einschalten dieser Tasten vorgesehen werden. Offensichtlich hängt die Impulsbreite vom Verhältnis der Signalamplituden ab u M(θ) und u H(θ). Der Parameter, der diese Beziehung charakterisiert, wird als Amplitudenmodulationsindex bezeichnet und durch Formel (8.1) bestimmt:
, (8.1.)
Wo U M m und U H m – Maximalwerte des Modulationssignals u M(θ) und Trägersignal u H(θ) bzw.
Reis. 8.1. Einphasiger Halbbrücken-Spannungswechselrichter: A- planen; B– Spannungsdiagramme für Pulsmodulation
Trägerfrequenz u H(θ) ist gleich der Schaltfrequenz F H-Tasten S 1 und S 2 und übersteigt in der Regel deutlich die Frequenz des Modulationssignals F M. Frequenzverhältnis F Hand F M ist ein wichtiger Indikator für die Effizienz des Modulationsprozesses und wird als Frequenzmodulationsindex bezeichnet, der durch Formel (8.2) bestimmt wird:
Bei kleinen Werten M F Signale u M(θ) und u H(θ) muss synchronisiert werden, um unerwünschte Subharmonische zu vermeiden. B als Maximalwert Mein, der die Notwendigkeit einer Synchronisierung bestimmt, wird gesetzt M F = 21. Offensichtlich ist bei synchronisierten Signalen der Koeffizient M F ist ein konstanter Wert.
Aus dem Diagramm in Abb. In Abb. 8.1 ist ersichtlich, dass die Amplitude der ersten Harmonischen der Ausgangsspannung UÄnderung 1 kann unter Berücksichtigung von (8.1) in folgender Form (8.3) dargestellt werden:
(8.3)
Nach (8.3) bei M a = 1 Amplitude der ersten Harmonischen der Ausgangsspannung ist gleich der Höhe des Halbwellenrechtecks U d/2. Die charakteristische Abhängigkeit des relativen Wertes der ersten Harmonischen der Ausgangsspannung vom Wert von M a ist in Abb. dargestellt. 8.2, woraus klar hervorgeht, dass die Änderung M a von 0 bis 1 linear und abhängig von der Amplitude U bin 1. Grenzwert M a wird durch das Prinzip der betrachteten Modulationsart bestimmt, nach dem der Maximalwert U bin 1 ist durch die Höhe der Halbwelle einer rechteckigen Form begrenzt, gleich U d/2. Mit einer weiteren Erhöhung des Koeffizienten M Eine Modulation führt zu einem nichtlinearen Anstieg der Amplitude U bin 1 auf den Maximalwert, der durch die Bildung einer Rechteckspannung am Ausgang des Wechselrichters bestimmt wird und anschließend unverändert bleibt.
Die Entwicklung der Rechteckfunktion in eine Fourier-Reihe ergibt den Maximalwert (8.4):
(8.4)
Dieser Wert wird durch den Indexwert begrenzt M a, variierend im Bereich von 0 bis etwa 3. Offensichtlich ist die Funktion im Intervall a-b-Werte von 1 bis 3,2 nichtlinear (Abb. 8.2). Der Betriebsmodus in diesem Abschnitt wird Übermodulation genannt.
Bedeutung M F wird durch die Wahl der Trägersignalfrequenz bestimmt u H (θ) und beeinflusst die technischen Eigenschaften des Konverters erheblich. Mit zunehmender Frequenz nehmen die Schaltverluste in den Leistungsschaltern der Wandler zu, gleichzeitig verbessert sich jedoch die spektrale Zusammensetzung der Ausgangsspannung und die Lösung des Problems der Filterung höherer Harmonischer, die durch den Modulationsprozess verursacht werden, wird vereinfacht. Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Wertes F In vielen Fällen besteht die Notwendigkeit, seinen Wert im Audiofrequenzbereich von mehr als 20 kHz sicherzustellen. Bei der Wahl F h Sie sollten auch die Höhe der Betriebsspannungen des Konverters, seine Leistung und andere Parameter berücksichtigen.
Reis. 8.2. Abhängigkeit des relativen Wertes der Amplitude der Grundharmonischen der Ausgangsspannung vom Amplitudenmodulationsindex für eine einphasige Halbbrückenschaltung
Der allgemeine Trend geht hier von einem Anstieg der Werte von M aus F Niederleistungs- und Niederspannungswandler und umgekehrt. Also die Wahl M F ist ein multikriterielles Optimierungsproblem.
Pulsmodulation mit stochastischem Prozess. Der Einsatz von PWM in Umrichtern ist mit dem Auftreten höherer Harmonischer in modulierten Spannungen und Strömen verbunden. Darüber hinaus treten in der spektralen Zusammensetzung dieser Parameter die signifikantesten Harmonischen bei Frequenzen auf, die ein Vielfaches des Frequenzmodulationsindex sind M F und Harmonische mit abnehmenden Amplituden, die bei Seitenfrequenzen um sie herum gruppiert sind. Höhere Harmonische können folgende Hauptprobleme verursachen:
das Auftreten von akustischem Lärm;
Verschlechterung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit anderen elektrischen Geräten oder Systemen.
Die Hauptquellen für akustische Geräusche sind elektromagnetische Komponenten (Drosseln und Transformatoren), die Strom und Spannung ausgesetzt sind, die höhere Harmonische mit Frequenzen im Audiobereich enthalten. Es ist zu beachten, dass bei bestimmten Frequenzen, bei denen höhere Harmonische am größten sind, Rauschen auftreten kann. Rauschverursachende Faktoren wie Magnetostriktion erschweren die Lösung von EMV-Problemen. Abhängig von der EMI-Empfindlichkeit elektrischer Geräte können EMV-Probleme in einem weiten Frequenzbereich auftreten. Traditionell wurden Design- und Technologielösungen zur Reduzierung des Geräuschpegels und passive Filter zur Gewährleistung der EMV eingesetzt.
Als vielversprechende Richtung zur Lösung dieser Probleme werden Methoden in Betracht gezogen, die mit der Änderung der Art der spektralen Zusammensetzung modulierter Spannungen und Ströme verbunden sind. Der Kern dieser Methoden besteht darin, das Frequenzspektrum zu nivellieren und die Amplitude ausgeprägter Harmonischer aufgrund ihrer stochastischen Verteilung über einen weiten Frequenzbereich zu reduzieren. Diese Technik wird manchmal als „Verschmieren“ des Frequenzspektrums bezeichnet. Die Konzentration der Störenergie nimmt bei Frequenzen ab, bei denen Oberwellen maximale Werte erreichen können. Die Implementierung dieser Methoden ist mit keinerlei Auswirkungen auf die Komponenten des Leistungsteils der Umrichter verbunden und wird in den meisten Fällen durch Software mit geringfügigen Änderungen am Steuerungssystem begrenzt.
Betrachten wir kurz die Prinzipien der Umsetzung dieser Methoden. PWM basiert auf einer Änderung des Tastverhältnisses γ= T Und / T N, Wo T und – Pulsdauer; T N- die Zeit seiner Entstehung. Normalerweise sind dies Größen sowie die Position des Impulses im Periodenintervall T N sind unter stationären Bedingungen konstant. PWM-Ergebnisse werden als integrale Durchschnittswerte definiert. In diesem Fall bestimmen die deterministischen Werte von t und und einschließlich der Pulsposition die ungünstige spektrale Zusammensetzung der modulierten Parameter. Verleiht man diesen Größen unter Beibehaltung eines vorgegebenen Wertes von γ einen Zufallscharakter, so werden die Prozesse stochastisch und die spektrale Zusammensetzung der modulierten Parameter ändert sich. Beispielsweise kann der Position des Impulses ein solcher Zufallscharakter gegeben werden T und auf dem Intervall der Periode T n oder sorgen für eine stochastische Änderung des letzteren. Zu diesem Zweck kann ein Zufallszahlengenerator verwendet werden, der die Modulationsfrequenz des Mastergenerators beeinflusst F N =1/T N. Auf ähnliche Weise können Sie die Position des Pulses über das Intervall ändern T N mit mathematischem Erwartungswert gleich Null. Der gemittelte Integralwert γ muss auf dem vom Steuerungssystem vorgegebenen Niveau bleiben, wodurch die spektrale Zusammensetzung höherer Harmonischer in modulierten Spannungen und Strömen ausgeglichen wird.
Fragen zur Selbstkontrolle
1. Listen Sie die wichtigsten PWM-Methoden auf, um einen sinusförmigen Strom oder eine sinusförmige Spannung sicherzustellen.
2. Was ist der Unterschied zwischen unipolarer und bipolarer Spannungsmodulation?
3. Listen Sie die Hauptparameter von PWM auf.
4. Zu welchem Zweck wird PWM mit stochastischen Prozessen eingesetzt?
Das Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) besteht darin, die Pulsweite zu verändern und dabei eine konstante Pulswiederholungsrate beizubehalten. Die Amplitude der Impulse bleibt unverändert.
Die Impulsbreitensteuerung wird dort eingesetzt, wo es erforderlich ist, die der Last zugeführte Leistung zu regulieren. Zum Beispiel in Steuerkreisen für Gleichstrom-Elektromotoren, in Impulsumrichtern, zur Helligkeitsanpassung von LED-Lampen, LCD-Monitorbildschirmen, Displays in Smartphones und Tablets usw.
Die meisten Sekundärstromversorgungen für elektronische Geräte werden derzeit auf der Basis von Pulswandlern aufgebaut; Pulsweitenmodulation wird auch in Niederfrequenz-(Audio-)Klasse-D-Verstärkern, Schweißgeräten, Autobatterieladegeräten, Wechselrichtern usw. verwendet. PWM ermöglicht Ihnen dies Erhöhen Sie die Effizienz ( Effizienz) von sekundären Netzteilen im Vergleich zur geringen Effizienz analoger Geräte.
Die Pulsweitenmodulation kann analog oder digital erfolgen.
Analoge Pulsweitenmodulation
Wie oben erwähnt, sind die Signalfrequenz und ihre Amplitude bei PWM immer konstant. Einer der wichtigsten Parameter des PWM-Signals ist das Tastverhältnis, gleich dem Verhältnis der Impulsdauer T zur Pulsperiode T. D = t/T . Wenn wir also ein PWM-Signal mit einer Pulsdauer von 300 μs und einer Pulsperiode von 1000 μs haben, beträgt das Tastverhältnis 300/1000 = 0,3. Der Füllfaktor wird auch als Prozentsatz ausgedrückt, wobei der Füllfaktor mit 100 % multipliziert wird. Im obigen Beispiel beträgt der prozentuale Füllfaktor 0,3 x 100 % = 30 %.
Das Pulstastverhältnis ist das Verhältnis der Pulsperiode zu ihrer Dauer, d.h. der Kehrwert des Füllfaktors. S = T/t .
Die Signalfrequenz ist als Kehrwert der Pulsperiode definiert und gibt die Anzahl der vollständigen Pulse pro Sekunde an. Für das obige Beispiel beträgt die Frequenz bei einer Periode von 1000 µs = 0,001 s F= 1/0,001 – 1000 (Hz).
Die Bedeutung von PWM besteht darin, den durchschnittlichen Spannungswert durch Änderung des Arbeitszyklus zu regulieren. Der durchschnittliche Spannungswert ist gleich dem Produkt aus Tastverhältnis und Spannungsamplitude. Bei einem Tastverhältnis von 0,3 und einer Spannungsamplitude von 12 V beträgt der durchschnittliche Spannungswert also 0,3 x 12 = 3,6 (V). Wenn sich das Tastverhältnis im theoretisch möglichen Bereich von 0 % auf 100 % ändert, ändert sich die Spannung von 0 auf 12 V, d. h. Durch die Pulsweitenmodulation können Sie die Spannung im Bereich von 0 bis zur Signalamplitude anpassen. Damit wird die Drehzahl eines Gleichstrommotors oder die Helligkeit einer Lampe reguliert.
Das PWM-Signal wird von einem Mikrocontroller oder einer analogen Schaltung erzeugt. Dieses Signal steuert typischerweise eine Hochleistungslast, die über einen Bipolar- oder Feldeffekttransistor-Schaltkreis an eine Stromquelle angeschlossen ist. Im Schaltmodus ist das Halbleiterbauelement entweder offen oder geschlossen und der Zwischenzustand wird aufgehoben. In beiden Fällen wird am Schalter nur eine vernachlässigbare Wärmeleistung abgegeben. Da diese Leistung gleich dem Produkt aus dem Strom durch den Schalter und dem Spannungsabfall an ihm ist, liegt im ersten Fall der Strom durch den Schalter nahe Null und im zweiten Fall die Spannung.
In Übergangszuständen liegt am Schalter eine erhebliche Spannung an, während ein erheblicher Strom fließt, d. h. Auch die Verlustwärmeleistung ist von Bedeutung. Daher ist es als Schlüssel erforderlich, Halbleiterbauelemente mit geringer Trägheit und schnellen Schaltzeiten in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden zu verwenden.
Wenn der Tastenkreis die LED steuert, blinkt die LED bei einer niedrigen Signalfrequenz im Takt der Spannungsänderung des PWM-Signals. Bei Signalfrequenzen über 50 Hz verschmelzen die Blinzelbewegungen aufgrund der Trägheit des menschlichen Sehens. Die Gesamthelligkeit der LED beginnt vom Füllfaktor abzuhängen – je niedriger der Füllfaktor, desto schwächer leuchtet die LED.
Bei der Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors mittels PWM muss die PWM-Frequenz sehr hoch sein und außerhalb des Bereichs hörbarer Audiofrequenzen liegen, d. h. 15-20 kHz überschreiten, andernfalls „klingt“ der Motor und gibt ein ohrenbetäubendes Quietschen mit einer PWM-Frequenz ab. Die Stabilität des Motors hängt auch von der Frequenz ab. Ein niederfrequentes PWM-Signal mit niedrigem Arbeitszyklus führt zu einem instabilen Motorbetrieb und möglicherweise sogar zum Abschalten des Motors.
Daher ist es bei der Steuerung eines Motors wünschenswert, die Frequenz des PWM-Signals zu erhöhen, aber auch hier gibt es eine Grenze, die durch die Trägheitseigenschaften des Halbleiterschalters bestimmt wird. Wenn der Schlüssel verzögert schaltet, beginnt der Steuerkreis mit Fehlern zu arbeiten. Um Energieverluste zu vermeiden und einen hohen Wirkungsgrad eines Pulsumrichters zu erreichen, muss der Halbleiterschalter eine hohe Geschwindigkeit und einen geringen Leitfähigkeitswiderstand aufweisen.
Das Signal vom PWM-Ausgang kann auch mit einem einfachen Tiefpassfilter gemittelt werden. Manchmal kann man darauf verzichten, da es eine gewisse elektrische Induktivität und mechanische Trägheit aufweist. Die Glättung von PWM-Signalen erfolgt auf natürliche Weise, wenn die PWM-Frequenz die Reaktionszeit des gesteuerten Geräts überschreitet.
PWM kann über zwei Eingänge realisiert werden, von denen einer mit einem periodischen Sägezahn- oder Dreiecksignal von einem Hilfsgenerator und der andere mit einem modulierenden Steuersignal versorgt wird. Die Dauer des positiven Teils des PWM-Impulses wird durch die Zeit bestimmt, während der der Pegel des einem Eingang des Komparators zugeführten Steuersignals den Pegel des Hilfsgeneratorsignals überschreitet, das dem anderen Eingang des Komparators zugeführt wird.
Wenn die Spannung des Hilfsgenerators höher ist als die Steuersignalspannung, weist der Komparatorausgang einen negativen Teil des Impulses auf.
Das Tastverhältnis periodischer Rechtecksignale am Ausgang des Komparators und damit die mittlere Spannung des Reglers hängt vom Pegel des Modulationssignals ab, und die Frequenz wird durch die Frequenz des Hilfsgeneratorsignals bestimmt.
Digitale Pulsweitenmodulation
Es gibt eine Art von PWM, die als digitales PWM bezeichnet wird. In diesem Fall wird die Signalperiode mit rechteckigen Teilimpulsen gefüllt und die Anzahl der Teilimpulse in der Periode reguliert, wodurch der durchschnittliche Signalwert für die Periode bestimmt wird.
Bei der digitalen PWM können periodenfüllende Subpulse (oder „Einsen“) überall in der Periode auftreten. Der durchschnittliche Spannungswert über einen Zeitraum wird nur durch ihre Anzahl bestimmt, während Teilimpulse nacheinander folgen und verschmelzen können. Separate Teilimpulse führen zu einer härteren Betriebsart des Schlüssels.
Als digitale PWM-Signalquelle können Sie einen Computer-COM-Port mit einem 10-Bit-Ausgangssignal verwenden. Unter Berücksichtigung von 8 Informationsbits und 2 Start-/Stoppbits enthält das COM-Port-Signal 1 bis 9 „Einsen“, wodurch Sie die Spannung im Bereich von 10–90 % der Versorgungsspannung in Schritten von 10 % regeln können. .
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