Что такое ШИМ, как его измерить

ШИМ обозначает широтно-импульсную модуляцию, которая означает переменный характер ширины импульса, который может быть сгенерирован из определенного источника, такого как дискретная ИС, MCU или транзисторная схема.

Что такое ШИМ

Проще говоря, процесс ШИМ - это не что иное, как включение и выключение напряжения питания с определенной скоростью с разными временными соотношениями включения / выключения, здесь длина включения напряжения может быть больше, меньше или равна длине выключения.

Например, ШИМ может состоять из напряжения, фиксированного для включения и выключения со скоростью 2 секунды ВКЛ, 1 секунда ВЫКЛ, 1 секунда ВКЛ, 2 секунды ВЫКЛ или 1 секунда ВКЛ, 1 секунда ВЫКЛ.

Когда эта скорость включения / выключения напряжения питания оптимизируется по-разному, мы говорим, что напряжение является ШИМ или широтно-импульсной модуляцией.

Все вы, должно быть, уже знакомы с тем, как постоянный потенциал постоянного тока появляется на графике зависимости напряжения от времени, как показано ниже:

На изображении выше мы можем видеть прямую линию на уровне 9 В, это достигается потому, что уровень 9 В не изменяется во времени, и поэтому мы можем наблюдать прямую линию.

Теперь, если эти 9 В включаются и выключаются каждые 1 секунду, то график выше будет выглядеть так:

Мы ясно видим, что теперь линия 9V больше не является прямой линией в виде блоков через каждую 1 секунду, поскольку 9V попеременно включается и выключается через каждую секунду.

Вышеупомянутые кривые выглядят как прямоугольные блоки, потому что, когда 9V включается и выключается, операции происходят мгновенно, что внезапно заставляет 9V перейти на нулевой уровень, а затем внезапно на уровень 9V, тем самым формируя прямоугольные формы на графике.

Вышеупомянутое условие приводит к возникновению пульсирующего напряжения, которое требует измерения двух параметров, а именно: пикового напряжения и среднего напряжения или среднеквадратичного напряжения.

Пиковое и среднее напряжение

На первом изображении пиковое напряжение, очевидно, составляет 9 В, а среднее напряжение также равно 9 В просто потому, что напряжение постоянно без каких-либо перерывов.

Однако на втором изображении, хотя напряжение переключается в положение ВКЛ / ВЫКЛ с частотой 1 Гц (1 секунда ВКЛ, 1 секунда ВЫКЛ), пик по-прежнему будет равен 9В, потому что пик всегда достигает отметки 9В во время периодов включения. Но среднее напряжение здесь не 9 В, а 4,5 В, потому что включение и отключение напряжения происходит с 50% -ной скоростью.

В обсуждениях ШИМ эта частота включения / выключения называется рабочим циклом ШИМ, поэтому в приведенном выше случае это 50% -ный рабочий цикл.

Когда вы измеряете ШИМ цифровым мультиметром в диапазоне постоянного тока, вы всегда будете получать среднее значение, показанное на измерителе.

Новые любители часто путаются с этим показателем и принимают его за пиковое значение, что совершенно неверно.

Как объяснялось выше, пиковое значение ШИМ будет в основном равно напряжению питания, подаваемому в схему, в то время как среднее напряжение на измерителе будет средним значением периодов включения / выключения ШИМ.

Переключение Mosfet с ШИМ

Поэтому, если вы переключаете МОП-транзистор с ШИМ и обнаруживаете, что напряжение затвора составляет, скажем, 3 В, не паникуйте, так как это может быть просто среднее напряжение, указанное измерителем, пиковое напряжение может быть таким же высоким, как и питание вашей схемы. Напряжение.

Следовательно, можно ожидать, что МОП-транзистор будет хорошо и полностью проводить через эти пиковые значения, и среднее напряжение будет влиять только на его период проводимости, а не на характеристики переключения устройства.

Как мы обсуждали в предыдущих разделах, ШИМ в основном включает в себя изменение ширины импульса, другими словами, периоды включения и выключения постоянного тока.

Скажем, например, вам нужен выход PWM со временем включения, которое на 50% меньше, чем время включения.

Предположим, что выбранное время включения составляет 1/2 секунды, тогда время выключения будет равно 1 секунде, что приведет к увеличению рабочего цикла 1/2 секунды включения и 1 секунды выключения, как можно увидеть на следующей диаграмме. .

Анализ рабочего цикла ШИМ

В этом примере ШИМ оптимизированы для создания пикового напряжения 9 В, но среднего напряжения 3,15 В, поскольку время включения составляет всего 35% от одного полного полного цикла включения / выключения.

Один полный цикл относится к периоду времени, который позволяет данному импульсу завершить свое одно полное время включения и одно время выключения.

Точно так же можно намереваться оптимизировать ширину импульса частоты со следующими данными:

Здесь время включения увеличивается, чем время выключения, на 65% за один полный цикл, поэтому здесь среднее значение напряжения становится 5,85 В.

Вышеупомянутое среднее напряжение также называется RMS или среднеквадратичным значением напряжения.

Поскольку все это прямоугольные или квадратные импульсы, среднеквадратичное значение можно вычислить, просто умножив коэффициент заполнения в процентах на пиковое напряжение.

Оптимизация ШИМ для имитации синусоиды

Однако в случаях, когда ШИМ оптимизирован для имитации импульса переменного тока, вычисление RMS становится немного сложным.

Давайте возьмем пример следующего ШИМ, который оптимизирован для изменения его ширины в соответствии с изменяющейся амплитудой или уровнем синусоидального сигнала переменного тока.

Вы можете узнать больше об этом в одной из моих предыдущих статей, где я объяснил, как IC 555 можно использовать для генерация синусоидального эквивалента ШИМ-выхода .

Как мы видим на изображении выше, ширина импульсов изменяется в зависимости от мгновенного уровня синусоидальной волны. По мере того, как синусоидальная волна стремится достичь пика, соответствующая ширина импульса становится шире, и наоборот.

Использование SPWM

Это указывает на то, что, поскольку уровень напряжения синусоидальной волны постоянно меняется со временем, ШИМ также меняются со временем, постоянно меняя свою ширину. Такая ШИМ также называется ШИМ или синусоидальной широтно-импульсной модуляцией.

Таким образом, в приведенном выше случае импульсы никогда не бывают постоянными, а по-разному меняют свою ширину со временем.

Это усложняет расчет среднеквадратичного значения или среднего значения, и мы не можем просто умножить рабочий цикл на пиковое напряжение для достижения среднеквадратичного значения.

Хотя фактическая формула для получения выражения RMS довольно сложна, после соответствующих выводов окончательная реализация на самом деле становится довольно простой.

Расчет RMS напряжения ШИМ

Таким образом, для вычисления RMS изменяющегося напряжения ШИМ в ответ на синусоидальную волну можно получить, умножив 0,7 (постоянное) на пиковое напряжение.

Таким образом, для пика 9 В мы получаем 9 x 0,7 = 6,3 В, это среднеквадратичное напряжение или среднее значение 9-вольтового пика ШИМ, имитирующего синусоидальную волну.

Роль ШИМ в электронных схемах?

Вы обнаружите, что концепция ШИМ по существу связана с
схемы, в которых задействованы индукторы, особенно в топологиях понижающего напряжения, таких как инверторы, SMPS , MPPT, схемы драйверов светодиодов и т. Д.

Без катушки индуктивности функция ШИМ может не иметь реального значения или роли в данной схеме, это связано с тем, что только катушка индуктивности имеет неотъемлемую функцию преобразования переменной ширины импульса в эквивалентную величину повышенного (повышенного) или пониженного (пониженного) напряжение или ток, которые становятся единственной идеей технологии ШИМ.

Использование ШИМ с индукторами

Чтобы понять, как ШИМ влияет на выход индуктора с точки зрения напряжения и тока, сначала важно узнать, как индуктор ведет себя под влиянием пульсирующего напряжения.

В одном из своих предыдущих постов я объяснил, что как работает схема понижающего повышения , это классический пример, демонстрирующий, как можно использовать ШИМ или переменную ширину импульса для измерения выхода индуктора.

Хорошо известно, что по своей природе индуктор всегда противостоит внезапному приложению напряжения к нему и позволяет ему проходить только через определенное время в зависимости от характеристик его обмотки, и во время этого процесса он сохраняет эквивалентное количество энергии в Это.

Теперь, если в ходе вышеупомянутого процесса напряжение внезапно отключается, индуктор снова не может справиться с этим внезапным исчезновением приложенного напряжения и пытается сбалансировать его, выпуская сохраненный в нем ток.

Реакция индуктора на ШИМ

Таким образом, катушка индуктивности будет пытаться противодействовать включению напряжения, сохраняя ток, и пытается выровнять в ответ на внезапное отключение напряжения, «отбрасывая» накопленную энергию обратно в систему.

Этот откат называется обратной ЭДС катушки индуктивности, и содержание этой энергии (напряжение, ток) будет зависеть от характеристик обмотки индуктора.

По сути, количество витков определяет, должно ли ЭДС быть выше по напряжению, чем напряжение питания, или ниже, чем напряжение питания, а толщина провода определяет величину тока, которую индуктор может выдавать.

Есть еще один аспект вышеупомянутой катушки индуктивности, который является синхронизацией периодов включения / выключения напряжения.

Вот где использование ШИМ становится решающим.

Хотя количество витков в основном определяет выходные значения для конкретного устройства, они также могут варьироваться по желанию, подавая оптимизированный ввод ШИМ в индуктор.

С помощью регулируемого ШИМ мы можем заставить катушку индуктивности генерировать / преобразовывать напряжения и токи с любой желаемой скоростью, либо в виде повышенного напряжения (пониженный ток), либо повышенного тока (пониженное напряжение) или наоборот.

В некоторых приложениях ШИМ может использоваться даже без катушки индуктивности, например, для уменьшения силы света светодиода или в схемах таймера микроконтроллера, где выход может быть оптимизирован для генерации напряжений при различных включениях, периодах выключения для управления нагрузкой в ​​соответствии с его предполагаемые рабочие характеристики.