Modulacija širine impulza

PWM ali PWM (Pulse Width Modulation) je način nadzora napajanja bremena. Nadzor je sestavljen iz spreminjanja trajanja impulza s konstantno hitrostjo ponavljanja impulza. Modulacija širine impulza je na voljo v analogni, digitalni, binarni in ternarni obliki.

Uporaba širinsko impulzne modulacije omogoča povečanje učinkovitosti električnih pretvornikov, predvsem impulznih pretvornikov, ki danes predstavljajo osnovo sekundarnih napajalnikov za različne elektronske naprave. Flyback in naprej enojni, push-pull in pol-most ter preklopni pretvorniki mostu so danes krmiljeni s sodelovanjem PWM, to velja tudi za resonančne pretvornike.

Modulacija širine impulza vam omogoča prilagajanje svetlosti osvetlitve ozadja zaslonov s tekočimi kristali mobilnih telefonov, pametnih telefonov, prenosnikov. PWM je implementiran v varilni stroji, v avtomobilskih pretvornikih, v polnilcih itd. Vsak današnji polnilnik pri svojem delovanju uporablja PWM.

Kot preklopni elementi v sodobnih visokofrekvenčnih pretvornikih se uporabljajo ključni bipolarni tranzistorji in tranzistorji z učinkom polja. To pomeni, da je del periode tranzistor popolnoma odprt, del periode pa popolnoma zaprt.

In ker je v prehodnih stanjih, ki trajajo le desetine nanosekund, moč, ki jo sprosti stikalo, majhna v primerjavi s preklopno močjo, se posledično izkaže, da je povprečna moč, sproščena v obliki toplote na stikalu, zanemarljiva. V tem primeru je v zaprtem stanju upor tranzistorja kot stikala zelo majhen, padec napetosti na njem pa se približuje ničli.

V odprtem stanju je prevodnost tranzistorja blizu ničle in tok skozi njega praktično ne teče. To omogoča ustvarjanje kompaktnih pretvornikov z visokim izkoristkom, to je z majhnimi toplotnimi izgubami. Resonančni pretvorniki ZCS (Zero Current Switching) zmanjšujejo te izgube.

Pri analognih PWM generatorjih krmilni signal generira analogni primerjalnik, ko je na primer signal trikotnika ali triode dodan na invertni vhod primerjalnika in modulirajoči neprekinjeni signal na neinvertirajući vhod.

Sprejeti so izhodni impulzi pravokotne, je njihova stopnja ponavljanja enaka frekvenci žage (ali trikotne valovne oblike), trajanje pozitivnega dela impulza pa je povezano s časom, v katerem je raven moduliranega enosmernega signala, ki se uporablja za neinvertirani vhod primerjalnik je višji od nivoja signala žage, ki se dovaja na invertni vhod.Ko je napetost žage višja od modulacijskega signala, bo izhod negativen del impulza.

Če je žaga uporabljena na neinvertirajočem vhodu primerjalnika, modulacijski signal pa na invertiranem, bodo imeli pravokotni izhodni impulzi pozitivno vrednost, ko je napetost žage višja od vrednosti modulirajočega signala uporabljen na obračalnem vhodu in negativen — ko je napetost žage nižja od modulacijskega signala. Primer analogne generacije PWM je čip TL494, ki se danes pogosto uporablja pri izdelavi stikalnih napajalnikov.

Digitalni PWM se uporablja v binarni digitalni tehnologiji. Izhodni impulzi prav tako zavzamejo samo eno od dveh vrednosti (vklopljeno ali izklopljeno), povprečna izhodna raven pa se približa želeni.Tukaj se žagasti signal pridobi z uporabo N-bitnega števca.

Digitalne naprave PWM prav tako delujejo s konstantno frekvenco, ki nujno presega odzivni čas nadzorovane naprave, ta pristop se imenuje oversampling. Med robovi takta ostaja digitalni PWM izhod stabilen, visok ali nizek, odvisno od trenutnega stanja izhoda digitalnega primerjalnika, ki primerja nivoje nasprotnega signala in približnega digitalnega.

Izhod se taktira kot zaporedje impulzov s stanjema 1 in 0, vsako stanje ure je lahko obrnjeno ali ne. Frekvenca impulzov je sorazmerna z nivojem bližajočega se signala in zaporedne enote lahko tvorijo širši in daljši impulz.

Nastali impulzi s spremenljivo širino bodo večkratniki časovne dobe, frekvenca pa bo enaka 1/2NT, kjer je T časovna doba, N pa število taktnih ciklov. Tu je mogoče doseči nižjo frekvenco glede na taktno frekvenco. Opisana shema digitalnega generiranja je enobitna ali dvonivojska PWM, impulzno kodirana modulacija PCM.

Ta dvostopenjska impulzno kodirana modulacija je v bistvu zaporedje impulzov s frekvenco 1/T in širino T ali 0. Prevzorčenje se uporablja za povprečje v daljšem časovnem obdobju. Visokokakovostni PWM je dosežen z enobitno impulzno gosto modulacijo, imenovano tudi impulzno-frekvenčna modulacija.

Pri digitalni impulzno-širinski modulaciji se lahko pravokotni podimpulzi, ki zapolnijo periodo, pojavijo kjerkoli v periodi in takrat samo njihovo število vpliva na povprečno vrednost signala za periodo. Če torej periodo razdelimo na 8 delov, potem kombinacije impulzov 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 itd. bo dalo isto povprečje obdobja, vendar posamezne enote otežijo delovni cikel ključnega tranzistorja.

Svetila elektronike, ko govorimo o PWM, dajejo podobno analogijo z mehaniko. Če z motorjem vrtite težak vztrajnik, potem ko je motor mogoče vklopiti ali izklopiti, se bo vztrajnik zavrtel in se vrtel še naprej ali pa se bo ustavil zaradi trenja, ko je motor ugasnjen.

Če pa je motor vklopljen nekaj sekund na minuto, se bo vrtenje vztrajnika ohranilo zaradi vztrajnosti pri določeni hitrosti. In dlje kot je motor vklopljen, večja je hitrost vrtenja vztrajnika.Torej s PWM signal za vklop in izklop (0 in 1) pride na izhod in rezultat je povprečna vrednost. Z integracijo napetosti impulzov skozi čas dobimo površino pod impulzi, učinek na delovno telo pa bo enak delu s povprečno vrednostjo napetosti.

Tako delujejo pretvorniki, kjer se preklapljanje dogaja tisočkrat na sekundo, frekvence pa dosegajo megaherce. Posebni krmilniki PWM se pogosto uporabljajo za krmiljenje predstikalnih naprav varčnih sijalk, napajalnikov, frekvenčni pretvorniki za motorje itd.

Razmerje med skupnim trajanjem obdobja impulza in časom vklopa (pozitivni del impulza) se imenuje delovni cikel. Torej, če je čas vklopa 10 μs in obdobje traja 100 μs, potem bo pri frekvenci 10 kHz delovni cikel 10 in pišejo, da je S = 10. Povratni delovni cikel se imenuje dajatev cycle, v angleščini Duty cycle ali na kratko DC.

Torej je za navedeni primer DC = 0,1, saj je 10/100 = 0,1. S širinsko impulzno modulacijo se s prilagoditvijo delovnega cikla impulza, to je s spreminjanjem enosmernega toka, doseže zahtevana povprečna vrednost na izhodu elektronske ali druge električne naprave, na primer motorja.