Viena no pieejām, ko izmanto, lai būtiski samazinātu radio ķēžu jaudas komponentu siltuma zudumus, ir iekārtu pārslēgšanas darbības režīmu izmantošana. Šādās sistēmās elektriskās jaudas komponents ir vai nu atvērts - šajā laikā tajā praktiski nav sprieguma krituma, vai arī atvērts - šajā laikā tai tiek piegādāta nulles strāva. Jaudas izkliedi var aprēķināt, reizinot strāvu un spriegumu. Šajā režīmā ir iespējams sasniegt aptuveni 75-80% vai lielāku efektivitāti.

Kas ir PWM?

Lai pie izejas iegūtu vajadzīgās formas signālu, strāvas slēdzis ir jāatver tikai uz noteiktu laiku, proporcionāli aprēķinātajiem izejas sprieguma rādītājiem. Tas ir impulsa platuma modulācijas (PWM) princips. Tālāk šādas formas signāls, kas sastāv no dažāda platuma impulsiem, nonāk filtra zonā, pamatojoties uz induktors un kondensators. Pēc pārveidošanas izeja būs gandrīz ideāls vajadzīgās formas signāls.

PWM darbības joma neaprobežojas tikai ar komutācijas barošanas avotiem, stabilizatoriem un sprieguma pārveidotājiem. Šī principa izmantošana, izstrādājot jaudīgu audio pastiprinātāju, ļauj ievērojami samazināt ierīces enerģijas patēriņu, noved pie ķēdes miniaturizācijas un optimizē siltuma pārneses sistēmu. Trūkumi ietver viduvēju izejas signāla kvalitāti.

PWM signālu veidošanās

Izveidot vēlamās formas PWM signālus ir diezgan grūti. Tomēr mūsdienu nozare var iepriecināt ar brīnišķīgām īpašām mikroshēmām, kas pazīstamas kā PWM kontrolieri. Tie ir lēti un pilnībā atrisina impulsa platuma signāla ģenerēšanas problēmu. Iepazīšanās ar to tipisko dizainu palīdzēs orientēties šādu kontrolieru struktūrā un to lietošanā.

Standarta PWM kontrollera ķēde pieņem šādas izejas:

• Kopējā izeja (GND). Tas tiek realizēts kājiņas formā, kas ir savienota ar ierīces barošanas ķēdes kopējo vadu.
• Barošanas tapa (VC). Atbildīgs par ķēdes barošanu. Ir svarīgi to nejaukt ar kaimiņu ar līdzīgu nosaukumu - VCC tapu.
• Jaudas kontroles tapa (VCC). Parasti PWM kontrollera mikroshēma pārņem jaudas tranzistoru vadību (bipolāru vai lauka efektu). Ja izejas spriegums samazinās, tranzistori atvērsies tikai daļēji, nevis pilnībā. Strauji uzkarstot, tie drīz neizdosies, nespēs tikt galā ar slodzi. Lai izslēgtu šo iespēju, ir jāuzrauga barošanas spriegums mikroshēmas ieejā un neļauj tam pārsniegt projektēšanas atzīmi. Ja spriegums pie šīs tapas nokrītas zemāk par īpaši šim kontrolierim iestatīto, vadības ierīce izslēdzas. Parasti šī tapa ir savienota tieši ar VC tapu.

Izejas vadības spriegums (OUT)

Mikroshēmas tapu skaitu nosaka tās konstrukcija un darbības princips. Ne vienmēr ir iespējams uzreiz saprast sarežģītus terminus, bet mēģināsim izcelt būtību. Uz 2 tapām ir mikroshēmas, kas kontrolē push-pull (divu roku) kaskādes (piemēri: tilts, pustilts, 2-taktu apgrieztais pārveidotājs). Ir arī PWM kontrolieru analogi viengala (vienas rokas) kaskāžu vadīšanai (piemēri: uz priekšu/atpakaļ, pastiprināšana/atgriešana, invertēšana).

Turklāt izejas stadija var būt viena vai divu ciklu struktūra. Push-pull galvenokārt tiek izmantots, lai vadītu no sprieguma atkarīgu FET. Lai ātri aizvērtu, ir jāpanāk ātra aizbīdņa avota un aizbīdņu kondensatoru izlāde. Šim nolūkam tiek izmantota kontrollera push-pull izejas stadija, kuras uzdevums ir nodrošināt izejas īssavienojumu ar kopējo kabeli, ja nepieciešams slēgt lauka tranzistoru.

Lieljaudas PWM kontrolleriem var būt arī izejas slēdža vadības ierīces (draiveri). Kā izejas slēdžus ieteicams izmantot IGBT tranzistorus.

Galvenās PWM pārveidotāju problēmas

Darbinot jebkuru ierīci, nav iespējams pilnībā novērst bojājumu iespējamību, un tas attiecas arī uz pārveidotājiem. Dizaina sarežģītībai nav nozīmes, pat labi zināmais TL494 PWM kontrolieris var radīt darbības problēmas. Bojājumiem ir atšķirīgs raksturs – dažas no tām var noteikt ar aci, savukārt citu noteikšanai nepieciešamas speciālas mēraparatūras.

Lai izmantotu PWM kontrolieri, jums vajadzētu iepazīties ar galveno ierīces darbības traucējumu sarakstu un tikai vēlāk - ar iespējām tos novērst.

Problēmu novēršana

Viena no visbiežāk sastopamajām problēmām ir galveno tranzistoru sabojāšanās. Rezultātus var redzēt ne tikai mēģinot iedarbināt ierīci, bet arī pārbaudot to ar multimetru.

Turklāt ir arī citi defekti, kurus ir nedaudz grūtāk atklāt. Pirms tiešas PWM kontrollera pārbaudes varat apsvērt visbiežāk sastopamos bojājumu gadījumus. Piemēram:

• Kontrolieris apstājas pēc palaišanas - pārtraukums OS cilpā, strāvas kritums, problēmas ar kondensatoru pie filtra izejas (ja tāds ir) vai draiveri; Iespējams, ka PWM kontrollera vadība ir nogājusi nepareizi. Ir nepieciešams pārbaudīt ierīci, vai nav skaidas un deformācijas, izmērīt slodzes indikatorus un salīdzināt tos ar standarta.
• PWM kontrolleris neieslēdzas - trūkst kāda no ieejas spriegumiem vai ierīce ir bojāta. Izejas sprieguma pārbaude un mērīšana var palīdzēt vai, kā pēdējais līdzeklis, aizstāt to ar zināmu strādājošu analogu.
• Izejas spriegums atšķiras no nominālā sprieguma - ir problēma ar OOS cilpu vai ar kontrolieri.
• Pēc starta barošanas avota PWM pāriet aizsardzībā, ja uz taustiņiem nav īssavienojuma - nepareiza PWM vai draiveru darbība.
• Nestabila dēļa darbība, dīvainu skaņu klātbūtne - OOS cilpas vai RC ķēdes pārtraukums, filtra kapacitātes pasliktināšanās.

Beidzot

Universālie un daudzfunkcionālie PWM kontrolieri tagad ir atrodami gandrīz visur. Tie kalpo ne tikai kā neatņemama barošanas bloku sastāvdaļa lielākajai daļai mūsdienu ierīču - standarta datoriem un citām ikdienas ierīcēm. Pamatojoties uz kontrolieriem, tiek izstrādātas jaunas tehnoloģijas, kas var ievērojami samazināt resursu patēriņu daudzās cilvēka darbības jomās. Privātmāju īpašnieki gūs labumu no akumulatoru uzlādes kontrolieriem no fotogalvaniskām baterijām, kuru pamatā ir uzlādes strāvas impulsa platuma modulācijas princips.

Augstā efektivitāte padara jaunu, uz PWM principu balstītu ierīču izstrādi ļoti daudzsološu. Sekundārie enerģijas avoti nav vienīgā darbības joma.

Ir pienācis laiks saprast, kā darbojas impulsa platuma modulācija. Mēģināsim iedziļināties procesa fizikā un tajā pašā laikā nedaudz ieskatīties taimera darbības režīmos.

Apskatīsim divus grafikus ar periodiski atkārtojošu signālu. Vienkāršības labad mēs apsvērsim vienu periodu. Tātad, ja ņemam parastu voltmetru un izmērām līdzstrāvas spriegumu, tad pirmajā gadījumā mērīsim 5V. Šķiet, ka par to nav šaubu.

Ko rādīs voltmetrs otrajā gadījumā? Izrādās, ka šāda signāla periods būs līdzvērtīgs noteiktam nemainīgam spriegumam. Sprieguma vērtība attiecīgi ir atkarīga no impulsa piepildījuma vērtības (laika, kad signāls nav nulle). Vienosimies, ka spriedzes esamības un neesamības ilgums ir vienāds, t.i. 50% gadījumu ir signāls, 50% nav signāla, šāda signāla analogs būs attiecīgi puse no pilna sprieguma, voltmetrs rādīs 2,5 V.

Starp citu, piepildījuma vērtību sauc par signāla darba ciklu. Pēc analoģijas, ja darba cikls ir 100%, signāls izskatās kā taisna līnija. Ja darba cikls ir 70%, tad voltmetrs attiecīgi rādīs 0,7*5=3,5V. Šo sprieguma regulēšanas principu sauc par impulsa platuma modulāciju.

Tagad pāriesim pie tā, kā veidojas signāla darba cikls. Vispirms ģenerēsim zāģa zoba signālu ar amplitūdu 5V. Biežums var būt patvaļīgs.

Tagad pievienosim šo signālu salīdzinājumam, kas iestatīts uz 2,5 V.

Ko mēs redzēsim pie operatīvā pastiprinātāja izejas? Kamēr zāģa signāls palielinās no nulles līdz 2,5 V, salīdzinājuma izeja būs mīnus jauda. Bet, tā kā mūsu barošanas avota mīnuss ir nulle, tas nozīmē, ka jauda ir nulle. Tiklīdz signāls pie neinvertējošās ieejas (t.i., zāģa) kļūst lielāks par 2,5 V, operētājsistēmas pastiprinātāja izejā parādīsies 5 V. Tādējādi 50% gadījumu op-amp izvadīs loģisku nulli, 50% gadījumu loģisku.

Tagad mēģināsim mainīt darba ciklu uz 10%? Ja 100% ir 5 V, tad 10% ir ? Mēs pārrēķinām pēc proporcijas. (10*5)/100=0,5V, iestatiet salīdzināšanas ierīci uz 0,5V un iegūstiet 10% piepildījumu.

Šeit mūs gaida vilšanās 10% vietā, mēs saņēmām 90%, kas ir diezgan loģiski, no nulles līdz 0,5 V izejā nekā nav, bet tiklīdz zāģa spriegums pārsniedz šo vērtību, izejā parādās 5 V. salīdzinātājs. Tādējādi mēs nonākam pie pirmā taimera režīma, ko sauc par neapgrieztu ātru PWM.

Jā, tie ir vienādi iestatījumi, un minimālais darba cikls atbilst 0xFF.

Pretējs, ērtāk lietojams, ir apgrieztais PWM režīms. Šajā gadījumā pietiek ar salīdzinājuma invertējošās un neinvertējošās ieejas apmaiņu.

Tie. ar nelielu spriegumu salīdzinājuma ieejā, izeja būs signāls ar zemu darba ciklu. Tas padara to ērtāku un saprotamāku. Taimeram režīmu sauc Fast PWM, Output: Inverted.

Režīmiem, fāzes pareizais PWM un fāzes un frekvences pareizais PWM, kā atsauce tiek izmantots trīsstūris. bet būtība paliek tā pati.

Šī pieeja ļauj iegūt precīzāku PWM vērtību. Tomēr nesēja frekvence tiek samazināta uz pusi.

Phase Correct PWM režīmā, mainoties darba ciklam, OCR vērtība tiek atjaunināta tikai tad, kad tiek sasniegta augšējā vērtība. Tiek uzskatīts, ka tādējādi tiek novērsta signāla fāzes nobīde.

Fāzes un frekvences pareizais PWM ir labs, jo, mainoties darba ciklam, OCR vērtība tiek atjaunināta tikai tad, kad skaitītājs sasniedz zemāko vērtību. Tie. tādējādi tiek novērsta signāla frekvences maiņa.

Pagaidām nevaru minēt Phase Correct un Phase and Frequency Correct izmantošanas piemērus, jo vēl nav piemērota materiāla, bet tuvākajā laikā es varētu papildināt rakstu. Bet ir pietiekami daudz Fast PWM piemēru.

Elektromotoru apgriezienu regulēšana mūsdienu elektroniskajā tehnoloģijā tiek panākta nevis mainot barošanas spriegumu, kā tas tika darīts iepriekš, bet gan pievadot elektromotoram dažāda ilguma strāvas impulsus. Šiem nolūkiem tiek izmantots PWM, kas pēdējā laikā ir kļuvis ļoti populārs ( modulēts impulsa platums) regulatori. Shēma ir universāla - tā kontrolē arī dzinēja apgriezienus, lampu spilgtumu un strāvu lādētājā.

PWM regulatora ķēde

Iepriekš redzamā diagramma darbojas lieliski, pievienota.

Nemainot ķēdi, spriegumu var paaugstināt līdz 16 voltiem. Novietojiet tranzistoru atkarībā no slodzes jaudas.

Var salikt PWM regulators un saskaņā ar šo elektrisko ķēdi ar parasto bipolāro tranzistoru:

Un, ja nepieciešams, kompozītmateriāla tranzistora KT827 vietā uzstādiet lauka efekta IRFZ44N ar rezistoru R1 - 47k. Polevik bez radiatora nesasilst pie slodzes līdz 7 ampēriem.

PWM kontrollera darbība

NE555 mikroshēmas taimeris uzrauga kondensatora C1 spriegumu, kas tiek noņemts no THR tapas. Tiklīdz tas sasniedz maksimumu, tiek atvērts iekšējais tranzistors. Kas saīsina DIS tapu ar zemi. Šajā gadījumā izejā OUT parādās loģiskā nulle. Kondensators sāk izlādēties caur DIS un, kad spriegums uz tā kļūst nulle, sistēma pārslēgsies pretējā stāvoklī - pie izejas 1 tranzistors ir aizvērts. Kondensators atkal sāk uzlādēt un viss atkārtojas vēlreiz.

Kondensatora C1 uzlāde notiek pa ceļu: “R2->augšdelms R1 ->D2”, un izlāde pa ceļu: D1 -> apakšējā plecs R1 -> DIS. Kad mēs pagriežam mainīgo rezistoru R1, mēs mainām augšējo un apakšējo roku pretestību attiecību. Kas attiecīgi maina impulsa garuma attiecību pret pauzi. Frekvenci galvenokārt nosaka kondensators C1, un tā ir nedaudz atkarīga arī no pretestības R1 vērtības. Mainot uzlādes/izlādes pretestības attiecību, mēs mainām darba ciklu. Rezistors R3 nodrošina, ka izeja tiek uzvilkta augstā līmenī - tātad ir atvērta kolektora izeja. Kas nespēj patstāvīgi uzstādīt augstu līmeni.

Varat izmantot jebkuras diodes, kondensatorus, kuru vērtība ir aptuveni tāda pati kā diagrammā. Novirzes vienas lieluma robežās būtiski neietekmē ierīces darbību. Piemēram, pie 4,7 nanofaradiem, kas iestatīti C1, frekvence samazinās līdz 18 kHz, taču tā ir gandrīz nedzirdama.

Ja pēc ķēdes montāžas atslēgas vadības tranzistors sakarst, visticamāk, tas pilnībā neatveras. Tas ir, tranzistoram ir liels sprieguma kritums (tas ir daļēji atvērts), un caur to plūst strāva. Rezultātā liela jauda tiek izkliedēta apkurei. Ir ieteicams paralēli ķēdi pie izejas ar lieliem kondensatoriem, pretējā gadījumā tas dziedēs un būs slikti regulēts. Lai izvairītos no svilpšanas, izvēlieties C1, svilpošana bieži nāk no tā. Kopumā pielietojuma joma ir ļoti plaša, īpaši daudzsološa būs tā izmantošana kā spilgtuma regulators lieljaudas LED lampām, LED sloksnēm un prožektoriem, bet par to vairāk nākamreiz. Šis raksts tika uzrakstīts ar auss, ur5rnp, stalker68 atbalstu.

1.4. Tiristori

1.4.1. Tiristora darbības princips

1.4.2. Tiristora statiskās strāvas-sprieguma raksturlielumi

1.4.3. Tiristora dinamiskās īpašības

1.4.4. Tiristoru veidi

1.4.5. Slēdzami tiristori

2. Elektronisko atslēgu pārvaldības shēmas

2.1. Vispārīga informācija par kontroles shēmām

2.2. Kontroles impulsu veidotāji

2.3. Draiveri jaudīgu tranzistoru vadībai

3. Jaudas elektronisko ierīču pasīvie komponenti un dzesētāji

3.1. Elektromagnētiskās sastāvdaļas

3.1.1. Histerēze

3.1.2. Zudumi magnētiskajā ķēdē

3.1.3. Magnētiskās plūsmas pretestība

3.1.4. Mūsdienu magnētiskie materiāli

3.1.5. Tinumu zudumi

3.2. Spēka elektronikas kondensatori

3.2.1. MKU saimes kondensatori

3.2.2. Alumīnija elektrolītiskie kondensatori

3.2.3. Tantala kondensatori

3.2.4. Plēves kondensatori

3.2.5. Keramikas kondensatori

3.3. Siltuma izkliede jaudas elektroniskajās ierīcēs

3.3.1. Jaudas elektronisko atslēgu termiskie darbības režīmi

3.3.2. Jaudas elektronisko atslēgu dzesēšana

4. Jaudas elektronisko atslēgu pārvaldības principi

4.1. Galvenā informācija

4.2. Fāzes kontrole

4.3. Impulsu modulācija

4.4. Mikroprocesoru vadības sistēmas

5. Pārveidotāji un sprieguma regulatori

5.1. Galvenie pārveidotāju tehnoloģiju ierīču veidi. Galvenie spēka elektronikas ierīču veidi ir simboliski attēloti attēlā. 5.1.

5.2. Trīsfāzu taisngrieži

5.3. Ekvivalentas daudzfāžu ķēdes

5.4. Vadāmie taisngrieži

5.5. Daļēji vadāmā taisngrieža īpašības

5.6. Pārslēgšanas procesi taisngriežos

6. Impulsu pārveidotāji un sprieguma regulatori

6.1. Pārslēgšanas sprieguma regulators

6.1.1. Komutācijas regulators ar PWM

6.1.2. Impulsu taustiņu regulators

6.2. Komutācijas regulatori, pamatojoties uz droseles

6.2.2. Pastiprināšanas pārveidotājs

6.2.3. Invertējošais pārveidotājs

6.3. Cita veida pārveidotāji

7. Frekvences pārveidotāji

7.1. Galvenā informācija

7.2. Sprieguma invertori

7.2.1. Autonomie vienfāzes invertori

7.2.2. Vienfāzes pustilta sprieguma invertori

7.3. Trīsfāzu autonomie invertori

8. Impulsu platuma modulācija pārveidotājos

8.1. Galvenā informācija

8.2. Tradicionālās PWM metodes atsevišķos invertoros

8.2.1. Sprieguma invertori

8.2.2. Trīsfāzu sprieguma pārveidotājs

8.3. Strāvas invertori

8.4. Telpas vektora modulācija

8.5. Modulācija maiņstrāvas un līdzstrāvas pārveidotājos

8.5.1. Invertēt

8.5.2. Iztaisnošana

9. Tīkla komutācijas pārveidotāji

10. Frekvences pārveidotāji

10.1. Tiešais savienotais pārveidotājs

10.2. Pārveidotāji ar starpsaiti

10.3.1. Divu transformatoru ķēde

10.3.3. Kaskādes pārveidotāja ķēde

11. Rezonanses pārveidotāji

11.2. Pārveidotāji ar rezonanses ķēdi

11.2.1. Pārveidotāji ar rezonanses ķēdes elementu un slodzes virknes savienojumu

11.2.2. Pārveidotāji ar paralēlās slodzes savienojumu

11.3. Invertori ar paralēlās sērijas rezonanses ķēdi

11.4. E klases pārveidotāji

11.5. Nulles sprieguma komutācijas invertori

12. Elektroenerģijas kvalitātes rādītāju standarti

12.1. Galvenā informācija

12.2. Taisngriežu jaudas koeficients un efektivitāte

12.3. Kontrolējamo taisngriežu jaudas koeficienta uzlabošana

12.4. Jaudas koeficienta korektors

13. Maiņstrāvas sprieguma regulatori

13.1. Maiņstrāvas sprieguma regulatori, kuru pamatā ir tiristori

13.2. Tranzistoru maiņstrāvas sprieguma regulatori

Jautājumi paškontrolei

14. Jaunas dienasgaismas spuldžu vadības metodes

Jautājumi paškontrolei

Secinājums

Bibliogrāfija

620144, Jekaterinburga, Kuibiševa, 30

8. Impulsu platuma modulācija pārveidotājos

8.1. Galvenā informācija

Impulsu kontroles un modulācijas principi ir apskatīti nodaļā. 4, izmantojot vienkāršas līdzstrāvas regulatora shēmas piemēru. Tajā pašā laikā ir dotas lineāro impulsu sistēmu teorijā izmantoto galveno impulsu modulācijas veidu definīcijas, kas atbilst impulsu līdzstrāvas pārveidotāju vadības praksei.

Tomēr sprieguma vai strāvas impulsa platuma modulācijai maiņstrāvas pārveidotājos jaudas elektronikā ir nedaudz atšķirīga definīcija, ņemot vērā PWM iezīmes, risinot elektroenerģijas pārveidošanas problēmas, izmantojot maiņstrāvu. Kā definēts IEC 551-16-30, impulsa platuma modulācija ir impulsa vadība, kurā impulsu platums vai frekvence, vai abi tiek modulēti pamatfrekvences periodā, lai radītu noteiktu izejas sprieguma viļņu formu. Vairumā gadījumu PWM tiek veikts, lai nodrošinātu sprieguma vai strāvas sinusoiditāti, t.i., samazinātu augstāko harmoniku līmeni attiecībā pret galveno (pirmo) harmoniku, un to sauc par sinusoidālu. Pastāv šādas galvenās metodes sinusoiditātes nodrošināšanai: analogais PWM un tā modifikācijas; augstāko harmoniku selektīva (selektīva) slāpēšana; histerēze vai delta modulācija;

telpas vektora modulācija.

Klasiskā analogā sinusoidālā PWM organizēšanas versija ir mainīt izejas spriegumu (strāvu) veidojošo impulsu platumu, salīdzinot noteiktas formas sprieguma signālu, ko sauc par atsauci vai atsauci, ar trīsstūrveida sprieguma signālu ar augstāku frekvenci. un sauc par nesēja signālu. Atsauces signāls ir modulējošs un nosaka nepieciešamo izejas sprieguma (strāvas) formu. Šai metodei ir daudz modifikāciju, kurās modulējošos signālus attēlo īpašas funkcijas, kas nav sinusoidālais vilnis. Lekciju piezīmēs tiks apspriestas vairākas pamata shēmas, kas izskaidro šīs PWM metodes.

Augstāko harmoniku selektīvās slāpēšanas metode šobrīd ir veiksmīgi ieviesta, izmantojot uz programmatūras bāzes mikroprocesoru kontrollerus. Histerēzes modulācijas pamatā ir atsauces signāla, piemēram, sinusoidālās viļņu formas, releja “izsekošanas” principi. Vienkāršākajā tehniskajā dizainā šī metode apvieno PWM un PFM (impulsu frekvences modulācijas) principus. Tomēr, izmantojot īpašus ķēdes pasākumus, ir iespējams stabilizēt modulācijas frekvenci vai ierobežot tās izmaiņu diapazonu.

Telpas vektora modulācijas metode balstās uz trīsfāzu sprieguma sistēmas pārvēršanu divfāžu sistēmā un vispārināta telpas vektora iegūšanu. Šī vektora lielumu aprēķina momentos, ko nosaka pamata un modulējošās frekvences. Tas tiek uzskatīts par ļoti daudzsološu trīsfāzu invertoru vadīšanai, jo īpaši, ja to izmanto elektriskajās piedziņās. Tajā pašā laikā tas daudzējādā ziņā ir līdzīgs tradicionālajam sinusoidālajam PWM.

Vadības sistēmas, kuru pamatā ir PWM, ļauj ne tikai nodrošināt sprieguma vai strāvas pamatharmonikas vidējo vērtību sinusoidālo formu, bet arī kontrolēt tās amplitūdas, frekvences un fāzes vērtības. Tā kā šajos gadījumos pārveidotājs izmanto pilnībā kontrolētus slēdžus, ir iespējams realizēt maiņstrāvas (līdzstrāvas) pārveidotāju darbību kopā ar maiņstrāvas tīklu visos četros kvadrantos gan taisnošanas, gan invertēšanas režīmos ar jebkuru pamata harmonikas jaudas koeficienta cosφ vērtību. diapazonā no -1 līdz 1. Turklāt, palielinoties nesējfrekvencei, paplašinās iespējas reproducēt noteiktas formas strāvu un spriegumu pie invertoru izejas. Tas ļauj izveidot aktīvos filtrus, lai nomāktu augstākas harmonikas.

Galvenās lietotās definīcijas apskatīsim turpmākajā prezentācijā, izmantojot piemēru par pirmās metodes pielietojumu sprieguma invertora vienfāzes pustilta ķēdē (8.1. att., A). Šajā nosacījuma diagrammā atslēgas S1 Un S2 tiek attēloti ar pilnībā kontrolētiem komutācijas elementiem, ko papildina virknē un tām paralēli savienotas diodes. Sērijas diodes atspoguļo slēdžu (piemēram, tranzistoru vai tiristoru) vienvirziena vadītspēju, un paralēlās diodes nodrošina reversās strāvas vadīšanu ar aktīvo-induktīvo slodzi.

Atsauces diagrammas, modulējošas u M(θ) un nesējs u H (θ) signāli ir parādīti attēlā. 8.1, b. Taustiņu vadības impulsu veidošanās S 1 un S 2 tiek veikta saskaņā ar šādu principu. Plkst u M (θ) > u H(θ) taustiņš S 1 ir ieslēgts, a S 2 izslēgts. Plkst u M(θ)< u H (θ) taustiņu stāvokļi ir apgriezti pretēji: S 2 - ieslēgts, a S 1 — izslēgts. Tādējādi pie invertora izejas tiek ģenerēts spriegums divu polāru impulsu veidā. Reālās ķēdēs, lai novērstu vienlaicīgu slēdžu vadīšanu S 1 un S 2, ir jānodrošina noteikta aizkave starp signālu ģenerēšanas brīžiem, lai ieslēgtu šos taustiņus. Acīmredzot impulsa platums ir atkarīgs no signāla amplitūdu attiecības u M(θ) un u H(θ). Šo attiecību raksturojošo parametru sauc par amplitūdas modulācijas indeksu un nosaka pēc formulas (8.1):

, (8.1.)

Kur U M m un U H m - modulējošā signāla maksimālās vērtības u M(θ) un nesēja signāls u attiecīgi H(θ).

Rīsi. 8.1. Vienfāzes pustilta sprieguma invertors: A- shēma; b– sprieguma diagrammas impulsu modulācijai

Nesēja frekvence u H(θ) ir vienāds ar pārslēgšanas frekvenci f H taustiņi S 1 un S 2 un parasti ievērojami pārsniedz modulējošā signāla frekvenci f M. Frekvences attiecība f Roka f M ir svarīgs modulācijas procesa efektivitātes rādītājs, un to sauc par frekvences modulācijas indeksu, ko nosaka pēc formulas (8.2):

Pie mazām vērtībām M f signāliem u M(θ) un u H(θ) ir jāsinhronizē, lai izvairītos no nevēlamām subharmonikām. B kā maksimālā vērtība Mans, kas nosaka sinhronizācijas nepieciešamību, ir iestatīts M f = 21. Acīmredzot ar sinhronizētiem signāliem koeficients M f ir nemainīga vērtība.

No diagrammas attēlā. 8.1. redzams, ka izejas sprieguma pirmās harmonikas amplitūda U am 1, ņemot vērā (8.1.), var iesniegt šādā formā (8.3.):

(8.3)

Saskaņā ar (8.3) plkst M a = 1 izejas sprieguma pirmās harmonikas amplitūda ir vienāda ar pusviļņa taisnstūra augstumu U d/2. Izejas sprieguma pirmās harmonikas relatīvās vērtības raksturīgā atkarība no M a vērtības parādīta att. 8.2, no kura ir skaidrs, ka izmaiņas M a no 0 līdz 1 lineāri un ir atkarīgs no amplitūdas U esmu 1. Robežvērtība M a nosaka aplūkojamā modulācijas veida princips, saskaņā ar kuru maksimālā vērtība U am 1 ierobežo taisnstūra formas pusviļņa augstums, kas vienāds ar U d/2. Ar tālāku koeficienta palielināšanu M modulācija izraisa nelineāru amplitūdas pieaugumu U am 1 līdz maksimālajai vērtībai, ko nosaka taisnstūra sprieguma veidošanās pie invertora izejas, kas pēc tam paliek nemainīgs.

Paplašinot taisnstūra funkciju Furjē sērijā, tiek iegūta maksimālā vērtība (8.4):

(8.4)

Šo vērtību ierobežo indeksa vērtība M a, svārstās diapazonā no 0 līdz aptuveni 3. Acīmredzot funkcija intervāla a-b vērtībās no 1 līdz 3,2 ir nelineāra (8.2. att.). Darbības režīms šajā sadaļā tiek saukts par pārmodulāciju.

Nozīme M f nosaka nesēja signāla frekvences izvēle u H (θ) un būtiski ietekmē pārveidotāja tehniskos parametrus. Palielinoties frekvencei, palielinās pārslēgšanas zudumi pārveidotāju jaudas slēdžos, bet tajā pašā laikā uzlabojas izejas sprieguma spektrālais sastāvs un vienkāršojas modulācijas procesa radīto augstāko harmoniku filtrēšanas problēmas risinājums. Svarīgs faktors vērtības izvēlē f H daudzos gadījumos ir nepieciešamība nodrošināt tā vērtību audio frekvenču diapazonā, kas pārsniedz 20 kHz. Izvēloties f H jāņem vērā arī pārveidotāja darba sprieguma līmenis, tā jauda un citi parametri.

Rīsi. 8.2. Izejas sprieguma fundamentālās harmonikas amplitūdas relatīvās vērtības atkarība no amplitūdas modulācijas indeksa vienfāzes pustilta ķēdei

Vispārējā tendence šeit ir M vērtību pieaugums f mazjaudas un zemsprieguma pārveidotāji un otrādi. Tātad izvēle M f ir daudzkritēriju optimizācijas problēma.

Impulsu modulācija ar stohastisko procesu. PWM izmantošana pārveidotājos ir saistīta ar augstāku harmoniku parādīšanos modulētajos spriegumos un strāvās. Turklāt šo parametru spektrālajā sastāvā nozīmīgākās harmonikas rodas frekvencēs, kas ir frekvenču modulācijas indeksa daudzkārtņi. M f un harmonikas ar dilstošām amplitūdām, kas sagrupētas ap tām sānu frekvencēs. Augstākas harmonikas var izraisīt šādas galvenās problēmas:

akustiskā trokšņa rašanās;

elektromagnētiskās saderības (EMS) pasliktināšanās ar citām elektriskām ierīcēm vai sistēmām.

Galvenie akustiskā trokšņa avoti ir elektromagnētiskie komponenti (droseles un transformatori), kas ir pakļauti strāvai un spriegumam, kas satur augstākas harmonikas ar frekvencēm audio diapazonā. Jāņem vērā, ka troksnis var rasties noteiktās frekvencēs, kur augstākas harmonikas ir vislielākās. Troksni izraisošie faktori, piemēram, magnetostrikcija, apgrūtina EMC problēmu atrisināšanu. EMC problēmas var rasties plašā frekvenču diapazonā atkarībā no elektrisko ierīču EMI jutības. Tradicionāli trokšņu līmeņa samazināšanai izmantoti dizaina un tehnoloģiskie risinājumi, bet EMC nodrošināšanai izmantoti pasīvie filtri.

Kā daudzsološs virziens šo problēmu risināšanai tiek aplūkotas metodes, kas saistītas ar modulēto spriegumu un strāvu spektrālā sastāva rakstura maiņu. Šo metožu būtība ir izlīdzināt frekvenču spektru un samazināt izteikto harmoniku amplitūdu to stohastiskā sadalījuma dēļ plašā frekvenču diapazonā. Šo paņēmienu dažreiz sauc par frekvenču spektra "izsmērēšanu". Interferences enerģijas koncentrācija samazinās frekvencēs, kurās harmonikām var būt maksimālās vērtības. Šo metožu ieviešana nav saistīta ar ietekmi uz pārveidotāju jaudas daļas komponentiem, un vairumā gadījumu to ierobežo programmatūra ar nelielām vadības sistēmas izmaiņām.

Īsi apskatīsim šo metožu ieviešanas principus. PWM pamatā ir darba cikla izmaiņas γ= t Un / T n, Kur t un - pulsa ilgums; T n- tā veidošanās periods. Parasti šie daudzumi, kā arī pulsa pozīcija perioda intervālā T n ir nemainīgi līdzsvara stāvokļa apstākļos. PWM rezultāti tiek definēti kā integrālās vidējās vērtības. Šajā gadījumā t un un deterministiskās vērtības, ieskaitot impulsa pozīciju, nosaka modulēto parametru nelabvēlīgo spektrālo sastāvu. Ja šiem lielumiem piešķir nejaušu raksturu, saglabājot doto γ vērtību, tad procesi kļūst stohastiski un mainās modulēto parametru spektrālais sastāvs. Piemēram, šādu nejaušu raksturu var piešķirt impulsa pozīcijai t un uz perioda T n intervālu vai nodrošināt pēdējā stohastiskas izmaiņas. Šim nolūkam var izmantot nejaušo skaitļu ģeneratoru, kas ietekmē modulācijas frekvences galveno ģeneratoru f n =1/T n. Līdzīgā veidā jūs varat mainīt pulsa pozīciju intervālā T n ar matemātisko cerību, kas vienāda ar nulli. Vidējai integrāļa vērtībai γ jāpaliek vadības sistēmas noteiktajā līmenī, kā rezultātā tiks izlīdzināts augstāko harmoniku spektrālais sastāvs modulētos spriegumos un strāvās.

Jautājumi paškontrolei

1. Uzskaitiet galvenās PWM metodes sinusoidālās strāvas vai sprieguma nodrošināšanai.

2. Kāda ir atšķirība starp vienpolāru un bipolāru sprieguma modulāciju?

3. Uzskaitiet galvenos PWM parametrus.

4. Kādam nolūkam tiek izmantots PWM ar stohastiskiem procesiem?

PWM - impulsa platuma modulācijas princips ir mainīt impulsa platumu, vienlaikus saglabājot nemainīgu impulsa atkārtošanās ātrumu. Impulsu amplitūda paliek nemainīga.

Impulsu platuma kontrole tiek izmantota, ja nepieciešams regulēt slodzei piegādāto jaudu. Piemēram, līdzstrāvas elektromotoru vadības ķēdēs, impulsu pārveidotājos, LED lampu spilgtuma regulēšanai, LCD monitoru ekrāniem, viedtālruņu un planšetdatoru displejiem utt.

Lielākā daļa elektronisko ierīču sekundāro barošanas avotu šobrīd ir būvēti uz impulsu pārveidotāju bāzes, impulsa platuma modulāciju izmanto arī zemfrekvences (audio) D klases pastiprinātājos, metināšanas aparātos, automašīnu akumulatoru lādētājos, invertoros u.c. PWM ļauj palielināt sekundāro barošanas avotu efektivitāti ( Efficiency ), salīdzinot ar analogo ierīču zemo efektivitāti.

Impulsu platuma modulācija var būt analogā vai digitālā.

Analogā impulsa platuma modulācija

Kā minēts iepriekš, signāla frekvence un tā amplitūda ar PWM vienmēr ir nemainīga. Viens no svarīgākajiem PWM signāla parametriem ir darba cikls, kas vienāds ar impulsa ilguma attiecību t uz pulsa periodu T. D = t/T . Tātad, ja mums ir PWM signāls ar impulsa ilgumu 300 μs un impulsa periodu 1000 μs, darba cikls būs 300/1000 = 0,3. Aizpildījuma koeficients tiek izteikts arī procentos, kam aizpildījuma koeficients tiek reizināts ar 100%. Izmantojot iepriekš minēto piemēru, procentuālais aizpildījuma koeficients ir 0,3 x 100% = 30%.

Impulsa darba cikls ir impulsa perioda attiecība pret to ilgumu, t.i. aizpildījuma koeficienta apgrieztā vērtība. S = T/t .

Signāla frekvence ir definēta kā impulsa perioda apgrieztā vērtība, un tā atspoguļo pilno impulsu skaitu 1 sekundē. Iepriekš minētajā piemērā ar periodu 1000 µs = 0,001 s frekvence ir F= 1/0,001 – 1000 (Hz).

PWM nozīme ir regulēt vidējo sprieguma vērtību, mainot darba ciklu. Vidējā sprieguma vērtība ir vienāda ar darba cikla un sprieguma amplitūdas reizinājumu. Tātad, ar darba ciklu 0,3 un sprieguma amplitūdu 12 V, vidējā sprieguma vērtība būs 0,3 x 12 = 3,6 (V). Kad darba cikls mainās teorētiski iespējamā diapazonā no 0% līdz 100%, spriegums mainīsies no 0 līdz 12 V, t.i. Impulsa platuma modulācija ļauj regulēt spriegumu diapazonā no 0 līdz signāla amplitūdai. Tas ir tas, ko izmanto, lai regulētu līdzstrāvas motora griešanās ātrumu vai lampas spilgtumu.

PWM signālu ģenerē mikrokontrolleris vai analogā ķēde. Šis signāls parasti kontrolē lieljaudas slodzi, kas savienota ar strāvas avotu, izmantojot bipolāru vai lauka efekta tranzistora komutācijas ķēdi. Pārslēgšanas režīmā pusvadītāju ierīce ir atvērta vai aizvērta, un starpstāvoklis tiek izslēgts. Abos gadījumos uz slēdža tiek izkliedēta nenozīmīga siltuma jauda. Tā kā šī jauda ir vienāda ar strāvas caur slēdzi un sprieguma krituma pāri reizinājumu, un pirmajā gadījumā strāva caur slēdzi ir tuvu nullei, bet otrajā - spriegumam.

Pārejas stāvokļos uz slēdža ir ievērojams spriegums, pārejot ievērojamai strāvai, t.i. Nozīmīga ir arī izkliedētā siltuma jauda. Tāpēc kā atslēga ir jāizmanto zemas inerces pusvadītāju ierīces ar ātriem pārslēgšanās laikiem, kas ir desmitiem nanosekundes.

Ja atslēgas ķēde kontrolē LED, tad pie zemas signāla frekvences gaismas diode mirgos laikā, mainoties PWM signāla spriegumam. Signāla frekvencēs virs 50 Hz mirgoņi saplūst cilvēka redzes inerces dēļ. Gaismas diodes kopējais spilgtums sāk būt atkarīgs no piepildījuma koeficienta – jo zemāks piepildījuma koeficients, jo vājāk gaismas diode spīd.

Regulējot līdzstrāvas motora griešanās ātrumu, izmantojot PWM, PWM frekvencei jābūt ļoti augstai un ārpus dzirdamo audio frekvenču diapazona, t.i. pārsniedz 15-20 kHz, pretējā gadījumā motors “skanēs”, izdalot ausis kairinošu čīkstēšanu ar PWM frekvenci. Dzinēja stabilitāte ir atkarīga arī no frekvences. Zemas frekvences PWM signāls ar zemu darba ciklu izraisīs nestabilu motora darbību un pat iespējamu dzinēja izslēgšanu.

Tādējādi, vadot motoru, ir vēlams palielināt PWM signāla frekvenci, taču arī šeit ir robeža, ko nosaka pusvadītāju slēdža inerciālās īpašības. Ja atslēga pārslēdzas ar aizkavi, vadības ķēde sāks darboties ar kļūdām. Lai izvairītos no enerģijas zudumiem un sasniegtu augstu impulsu pārveidotāja efektivitāti, pusvadītāju slēdzim jābūt ar lielu ātrumu un zemu vadītspējas pretestību.

Signālu no PWM izejas var arī aprēķināt, izmantojot vienkāršu zemas caurlaidības filtru. Dažreiz jūs varat iztikt bez tā, jo tam ir noteikta elektriskā induktivitāte un mehāniskā inerce. PWM signālu izlīdzināšana notiek dabiski, kad PWM frekvence pārsniedz vadāmās ierīces reakcijas laiku.

PWM var ieviest, izmantojot divas ieejas, no kurām viena tiek piegādāta ar periodisku zāģa zoba vai trīsstūrveida signālu no palīgģeneratora, bet otra ar modulējošu vadības signālu. PWM impulsa pozitīvās daļas ilgumu nosaka laiks, kurā vienai salīdzinājuma ieejai piegādātā vadības signāla līmenis pārsniedz salīdzinājuma otrai ieejai piegādātā palīgģeneratora signāla līmeni.

Ja papildu ģeneratora spriegums ir lielāks par vadības signāla spriegumu, salīdzinājuma izvadei būs negatīva impulsa daļa.

Periodisko taisnstūrveida signālu darba cikls pie salīdzinājuma izejas un līdz ar to arī regulatora vidējais spriegums ir atkarīgs no modulējošā signāla līmeņa, un frekvenci nosaka palīgģeneratora signāla frekvence.

Digitālā impulsa platuma modulācija

Pastāv PWM veids, ko sauc par digitālo PWM. Šajā gadījumā signāla periods tiek aizpildīts ar taisnstūrveida apakšimpulsiem, un tiek regulēts apakšimpulsu skaits periodā, kas nosaka vidējo signāla vērtību periodam.

Digitālajā PWM perioda aizpildīšanas apakšimpulsi (vai “vieni”) var parādīties jebkurā perioda vietā. Vidējo sprieguma vērtību periodā nosaka tikai to skaits, savukārt apakšimpulsi var sekot viens pēc otra un apvienoties. Atsevišķi apakšimpulsi izraisa stingrāku atslēgas darbības režīmu.

Kā digitālo PWM signāla avotu varat izmantot datora COM portu ar 10 bitu izejas signālu. Ņemot vērā 8 informācijas bitus un 2 start/stop bitus, COM porta signāls satur no 1 līdz 9 “vieniniekiem”, kas ļauj regulēt spriegumu 10-90% robežās no barošanas sprieguma ar 10% soli. .