Использование ШИМ в качестве метода переключения
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - это широко используемый метод для общего управления мощностью постоянного тока электрического устройства, реализуемый с помощью современных электронных переключателей питания. Однако он также находит свое место в прерывателях переменного тока. Среднее значение тока, подаваемого на нагрузку, регулируется положением переключателя и продолжительностью его состояния. Если период включения переключателя больше по сравнению с периодом выключения, нагрузка получает сравнительно более высокую мощность. Таким образом, частота переключения ШИМ должна быть выше.
Обычно переключение должно происходить несколько раз в минуту в электроплите, 120 Гц в диммере лампы, от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для моторного привода. Частота коммутации усилителей звука и компьютерных блоков питания составляет от десяти до сотен кГц. Отношение времени включения к периоду времени импульса известно как рабочий цикл. Если рабочий цикл низкий, это означает низкую мощность.
Потери мощности в коммутационном устройстве очень малы из-за почти ничтожного количества тока, протекающего в выключенном состоянии устройства, и незначительного падения напряжения в выключенном состоянии. Цифровое управление также использует метод ШИМ. ШИМ также использовался в некоторых системах связи, где его рабочий цикл использовался для передачи информации по каналу связи.
ШИМ может использоваться для регулировки общего количества мощности, подаваемой на нагрузку, без потерь, обычно возникающих, когда передача мощности ограничивается резистивными средствами. Недостатками являются пульсации, определяемые рабочим циклом, частотой переключения и свойствами нагрузки. При достаточно высокой частоте переключения и, при необходимости, использовании дополнительных пассивных электронных фильтров последовательность импульсов может быть сглажена и восстановлена средняя аналоговая форма волны. Системы управления с высокочастотной ШИМ могут быть легко реализованы с помощью полупроводниковых переключателей.
Как уже было сказано выше, переключатель практически не рассеивает мощность ни во включенном, ни в выключенном состоянии. Однако во время переходов между включенным и выключенным состояниями как напряжение, так и ток не равны нулю, и, таким образом, значительная мощность рассеивается в переключателях. К счастью, изменение состояния между полностью включенным и полностью выключенным происходит довольно быстро (обычно менее 100 наносекунд) по сравнению с типичным временем включения или выключения, поэтому средняя рассеиваемая мощность довольно низка по сравнению с мощностью, подаваемой даже при высоких частотах переключения. используются.
Использование ШИМ для подачи питания постоянного тока на нагрузку
Большая часть производственного процесса требует выполнения определенных параметров, касающихся скорости привода. Системы электропривода, используемые во многих промышленных приложениях, требуют более высокой производительности, надежности, регулируемой скорости из-за простоты управления. В регулировка скорости двигателя постоянного тока важен в приложениях, где важны точность и защита. Назначение регулятора скорости двигателя состоит в том, чтобы принять сигнал, представляющий требуемую скорость, и привести двигатель в движение с этой скоростью.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) применительно к управлению двигателем - это способ передачи энергии посредством последовательности импульсов, а не непрерывно изменяющегося (аналогового) сигнала. Увеличивая или уменьшая ширину импульса, контроллер регулирует поток энергии на вал двигателя. собственная индуктивность двигателя действует как фильтр, хранение энергии в течение цикла «ON», выпуская его со скоростью, соответствующей сигнал входного сигнала или эталонным. Другими словами, энергия поступает в нагрузку не столько переключения частоты, но на опорной частоте.
Схема используется для управления скоростью Двигатель постоянного тока с помощью техники ШИМ. Серийный контроллер двигателя постоянного тока с регулируемой скоростью 12 В использует микросхему таймера 555 в качестве генератора импульсов ШИМ для регулирования скорости двигателя 12 В постоянного тока. IC 555 - это популярный чип таймера, используемый для создания схем таймера. Он был представлен в 1972 году компанией Signetics. Он называется 555, потому что внутри находятся три резистора по 5 кОм. ИС состоит из двух компараторов, цепи резисторов, триггера и выходного каскада. Он работает в 3 основных режимах - Астабильный, Моностабильный (где он действует как генератор однократных импульсов и Бистабильный режим. То есть, когда он запускается, выход становится высоким в течение периода, основанного на значениях резистора синхронизации и конденсатора. В нестабильном режиме (AMV) ИС работает как автономный мультивибратор. Выходной сигнал постоянно меняется на высокий и низкий, давая пульсирующий выход в качестве генератора. В бистабильном режиме, также известном как триггер Шмитта, ИС работает как триггер с высоким или низкий выход на каждом триггере и сбросе.
В этой схеме используется МОП-транзистор IRF540. Это усовершенствованный N-канальный МОП-транзистор. Это усовершенствованный силовой полевой МОП-транзистор, разработанный, испытанный и гарантированно выдерживающий определенный уровень энергии в лавинном режиме пробоя. Эти силовые полевые МОП-транзисторы предназначены для таких приложений, как импульсные регуляторы, переключающие преобразователи, драйверы двигателей, драйверы реле и драйверы для мощных биполярных переключающих транзисторов, требующих высокой скорости и низкой мощности управления затвором. Эти типы могут управляться напрямую от интегральных схем. Рабочее напряжение этой цепи можно отрегулировать в соответствии с потребностями управляемого двигателя постоянного тока. Эта схема может работать от 5-18 В постоянного тока.
Над схемой, т.е. Управление скоростью двигателя постоянного тока с помощью ШИМ Методика изменяет рабочий цикл, который, в свою очередь, контролирует скорость двигателя. IC 555 подключен в нестабильном режиме к автономному мультивибратору. Схема состоит из потенциометра и двух диодов, которые используются для изменения рабочего цикла и поддержания постоянной частоты. Поскольку сопротивление переменного резистора или потенциометра изменяется, рабочий цикл импульсов, подаваемых на полевой МОП-транзистор, изменяется, и, соответственно, изменяется мощность постоянного тока на двигатель, и, таким образом, его скорость увеличивается с увеличением рабочего цикла.
Использование ШИМ для подачи питания переменного тока на нагрузку
Современные полупроводниковые переключатели, такие как MOSFET или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), являются идеальными компонентами. Таким образом могут быть созданы контроллеры с высокой эффективностью. Обычно преобразователи частоты, используемые для управления двигателями переменного тока, имеют КПД выше 98%. Импульсные источники питания имеют более низкий КПД из-за низкого уровня выходного напряжения (часто требуется даже менее 2 В для микропроцессоров), но все же можно достичь КПД более 70-80%.
Этот вид управления переменным током является известным методом запаздывания угла зажигания. Он дешевле и генерирует много электрических шумов и гармоник по сравнению с реальным ШИМ-управлением, которое создает незначительный шум.
Во многих приложениях, таких как промышленное отопление, управление освещением, асинхронные двигатели с плавным пуском и регуляторы скорости для вентиляторов и насосов, требуется переменное напряжение переменного тока от постоянного источника переменного тока. Для этих требований широко используется регулировка фазового угла регуляторов. Он предлагает некоторые преимущества, такие как простота и возможность экономичного управления большим количеством энергии. Однако запаздывающий угол зажигания вызывает прерывистость и обилие гармоник в токе нагрузки, а на стороне переменного тока возникает запаздывающий коэффициент мощности при увеличении угла зажигания.
Эти проблемы можно решить, используя прерыватель переменного тока с ШИМ. Этот прерыватель переменного тока с ШИМ имеет несколько преимуществ, таких как синусоидальный входной ток с коэффициентом мощности, близким к единице. Однако, чтобы уменьшить размер фильтра и улучшить качество выходного регулятора, следует увеличить частоту переключения. Это вызывает большие потери при переключении. Другой проблемой является коммутация переключающего переключателя S1 с переключателем свободного хода S2. Это вызывает всплеск тока, если оба переключателя включены одновременно (короткое замыкание), и всплеск напряжения, если оба переключателя выключены (нет свободного пути). Чтобы избежать этих проблем, использовался демпфер RC. Однако это увеличивает потери мощности в цепи и является сложным, дорогим, громоздким и неэффективным для приложений с большой мощностью. Предлагается прерыватель переменного тока с переключением напряжения нулевого тока (ZCS-ZVS). Его регулятор выходного напряжения должен изменять время выключения, контролируемое ШИМ-сигналом. Таким образом, необходимо использовать управление частотой для достижения мягкого переключения, а в общих системах управления используются методы ШИМ, определяющие время включения. Этот метод имеет такие преимущества, как простое управление с сигма-дельта-модуляцией и постоянный входной ток. Ниже представлены особенности предлагаемой схемы и схемы с прерыванием ШИМ.
