Διαμόρφωση πλάτους παλμού
Το PWM ή PWM (Pulse Width Modulation) είναι ένας τρόπος ελέγχου της παροχής ρεύματος σε ένα φορτίο. Ο έλεγχος συνίσταται στην αλλαγή της διάρκειας του παλμού με σταθερό ρυθμό επανάληψης παλμού. Το Pulse Width Modulation είναι διαθέσιμο σε αναλογικό, ψηφιακό, δυαδικό και τριαδικό.
Η χρήση της διαμόρφωσης πλάτους παλμού καθιστά δυνατή την αύξηση της απόδοσης των ηλεκτρικών μετατροπέων, ειδικά για τους μετατροπείς παλμών, οι οποίοι σήμερα αποτελούν τη βάση δευτερογενών τροφοδοτικών για διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές. Οι μετατροπείς Flyback και forward single, push-pull και half-bridge, καθώς και μετατροπείς μεταγωγής γεφυρών ελέγχονται σήμερα με τη συμμετοχή PWM, αυτό ισχύει και για τους μετατροπείς συντονισμού.
Η διαμόρφωση πλάτους παλμού σάς επιτρέπει να προσαρμόσετε τη φωτεινότητα του οπίσθιου φωτισμού των οθονών υγρών κρυστάλλων κινητών τηλεφώνων, smartphone, φορητών υπολογιστών. Το PWM υλοποιείται σε μηχανές συγκόλλησης, σε μετατροπείς αυτοκινήτων, σε φορτιστές κλπ. Κάθε φορτιστής σήμερα χρησιμοποιεί PWM στη λειτουργία του.
Τα διπολικά τρανζίστορ και τα τρανζίστορ τύπου κλειδιού χρησιμοποιούνται ως στοιχεία μεταγωγής σε σύγχρονους μετατροπείς υψηλής συχνότητας. Αυτό σημαίνει ότι ένα μέρος της περιόδου το τρανζίστορ είναι πλήρως ανοιχτό και ένα μέρος της περιόδου είναι πλήρως κλειστό.
Και δεδομένου ότι σε μεταβατικές καταστάσεις που διαρκούν μόνο δεκάδες νανοδευτερόλεπτα, η ισχύς που απελευθερώνεται από το διακόπτη είναι μικρή σε σύγκριση με την ισχύ μεταγωγής, ως αποτέλεσμα, η μέση ισχύς που απελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας στον διακόπτη αποδεικνύεται αμελητέα. Σε αυτή την περίπτωση, στην κλειστή κατάσταση, η αντίσταση του τρανζίστορ ως διακόπτη είναι πολύ μικρή και η πτώση τάσης σε αυτό πλησιάζει το μηδέν.
Σε ανοιχτή κατάσταση, η αγωγιμότητα του τρανζίστορ είναι κοντά στο μηδέν και το ρεύμα πρακτικά δεν ρέει μέσα από αυτό. Αυτό καθιστά δυνατή τη δημιουργία συμπαγών μετατροπέων με υψηλή απόδοση, δηλαδή με χαμηλές απώλειες θερμότητας. Οι μετατροπείς συντονισμού ZCS (Zero Current Switching) ελαχιστοποιούν αυτές τις απώλειες.
Στις γεννήτριες PWM αναλογικού τύπου, το σήμα ελέγχου παράγεται από έναν αναλογικό συγκριτή όταν, για παράδειγμα, εφαρμόζεται ένα σήμα τριγώνου ή τριόδου στην είσοδο αναστροφής του συγκριτή και ένα διαμορφωτικό συνεχές σήμα εφαρμόζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο.
Λαμβάνονται παλμοί εξόδου ορθογώνιος, ο ρυθμός επανάληψης τους είναι ίσος με τη συχνότητα του πριονιού (ή της τριγωνικής κυματομορφής) και η διάρκεια του θετικού τμήματος του παλμού σχετίζεται με το χρόνο κατά τον οποίο η στάθμη του διαμορφωτικού σήματος DC που εφαρμόζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του ο συγκριτής είναι υψηλότερος από το επίπεδο του σήματος του πριονιού που τροφοδοτείται στην είσοδο αναστροφής.Όταν η τάση του πριονιού είναι υψηλότερη από το σήμα διαμόρφωσης, η έξοδος θα είναι το αρνητικό μέρος του παλμού.
Εάν το πριόνι εφαρμόζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του συγκριτή και το σήμα διαμόρφωσης εφαρμόζεται στην αναστροφή, τότε οι παλμοί εξόδου τετραγωνικού κύματος θα έχουν θετική τιμή όταν η τάση του πριονιού είναι υψηλότερη από την τιμή του σήματος διαμόρφωσης εφαρμόζεται στην είσοδο αναστροφής και αρνητικό — όταν η τάση του πριονιού είναι χαμηλότερη από το σήμα διαμόρφωσης. Ένα παράδειγμα αναλογικής παραγωγής PWM είναι το τσιπ TL494, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα στην κατασκευή τροφοδοτικών μεταγωγής.
Το ψηφιακό PWM χρησιμοποιείται στη δυαδική ψηφιακή τεχνολογία. Οι παλμοί εξόδου λαμβάνουν επίσης μόνο μία από τις δύο τιμές (ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση) και η μέση στάθμη εξόδου πλησιάζει την επιθυμητή. Εδώ, το σήμα του πριονιού λαμβάνεται χρησιμοποιώντας έναν μετρητή N-bit.
Οι ψηφιακές συσκευές PWM λειτουργούν επίσης σε σταθερή συχνότητα, υπερβαίνοντας αναγκαστικά τον χρόνο απόκρισης της ελεγχόμενης συσκευής, αυτή η προσέγγιση ονομάζεται υπερδειγματοληψία. Μεταξύ των άκρων του ρολογιού, η ψηφιακή έξοδος PWM παραμένει σταθερή, υψηλή ή χαμηλή, ανάλογα με την τρέχουσα κατάσταση της εξόδου του ψηφιακού συγκριτή, ο οποίος συγκρίνει τα επίπεδα του μετρητή σήματος και του κατά προσέγγιση ψηφιακού.
Η έξοδος χρονίζεται ως μια ακολουθία παλμών με καταστάσεις 1 και 0, κάθε κατάσταση του ρολογιού μπορεί να αντιστραφεί ή όχι. Η συχνότητα των παλμών είναι ανάλογη με το επίπεδο του σήματος που πλησιάζει και οι διαδοχικές μονάδες μπορούν να σχηματίσουν έναν ευρύτερο, μεγαλύτερο παλμό.
Οι προκύπτοντες παλμοί μεταβλητού πλάτους θα είναι πολλαπλάσια της περιόδου ρολογιού και η συχνότητα θα είναι ίση με 1 / 2NT, όπου T είναι η περίοδος ρολογιού, N είναι ο αριθμός των κύκλων ρολογιού. Μια χαμηλότερη συχνότητα από την άποψη της συχνότητας ρολογιού είναι εφικτή εδώ. Το σχήμα ψηφιακής παραγωγής που περιγράφεται είναι διαμόρφωση PCM ενός bit ή δύο επιπέδων, κωδικοποιημένη με παλμό.
Αυτή η κωδικοποιημένη με παλμό διαμόρφωση δύο σταδίων είναι ουσιαστικά μια ακολουθία παλμών με συχνότητα 1/Τ και πλάτος Τ ή 0. Η υπερδειγματοληψία χρησιμοποιείται για τον μέσο όρο για μεγαλύτερη χρονική περίοδο. Το PWM υψηλής ποιότητας επιτυγχάνεται με διαμόρφωση πυκνού παλμού ενός bit, που ονομάζεται επίσης διαμόρφωση παλμικής συχνότητας.
Στην ψηφιακή διαμόρφωση πλάτους παλμού, οι ορθογώνιοι υποπαλμοί που γεμίζουν την περίοδο μπορούν να εμφανιστούν οπουδήποτε στην περίοδο και τότε μόνο ο αριθμός τους επηρεάζει τη μέση τιμή του σήματος για την περίοδο. Αν λοιπόν χωρίσουμε την περίοδο σε 8 μέρη, τότε οι συνδυασμοί παλμών 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 κ.λπ. θα δώσει την ίδια περίοδο μέσο όρο, αλλά οι μεμονωμένες μονάδες κάνουν τον κύκλο λειτουργίας του τρανζίστορ κλειδιού βαρύτερο.
Τα φωτιστικά των ηλεκτρονικών, μιλώντας για PWM, δίνουν παρόμοια αναλογία με τη μηχανική. Εάν γυρίσετε ένα βαρύ σφόνδυλο με τον κινητήρα αφού ο κινητήρας μπορεί να ανάψει ή να σβήσει, ο σφόνδυλος είτε θα περιστρέφεται και θα συνεχίσει να περιστρέφεται είτε θα σταματήσει λόγω τριβής όταν ο κινητήρας είναι σβηστός.
Αν όμως ο κινητήρας είναι αναμμένος για λίγα δευτερόλεπτα το λεπτό, τότε η περιστροφή του σφονδύλου θα διατηρηθεί λόγω αδράνειας σε μια ορισμένη ταχύτητα. Και όσο περισσότερο είναι αναμμένος ο κινητήρας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα περιστροφής του σφονδύλου.Έτσι με το PWM, ένα σήμα ενεργοποίησης και απενεργοποίησης (0 και 1) έρχεται στην έξοδο και το αποτέλεσμα είναι μια μέση τιμή. Ενσωματώνοντας την τάση των παλμών με την πάροδο του χρόνου, λαμβάνουμε την περιοχή κάτω από τους παλμούς και η επίδραση στο σώμα εργασίας θα είναι πανομοιότυπη με την εργασία με μια μέση τιμή της τάσης.
Έτσι λειτουργούν οι μετατροπείς, όπου η εναλλαγή γίνεται χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο και οι συχνότητες φτάνουν σε μονάδες megahertz. Οι ειδικοί ελεγκτές PWM χρησιμοποιούνται ευρέως για τον έλεγχο των στραγγαλιστικών πηνίων των λαμπτήρων εξοικονόμησης ενέργειας, των τροφοδοτικών, μετατροπείς συχνότητας για κινητήρες και τα λοιπά.
Ο λόγος της συνολικής διάρκειας της περιόδου παλμού προς την ώρα (θετικό μέρος του παλμού) ονομάζεται κύκλος λειτουργίας. Έτσι, εάν ο χρόνος ενεργοποίησης είναι 10 μs και η περίοδος διαρκεί 100 μs, τότε σε συχνότητα 10 kHz, ο κύκλος λειτουργίας θα είναι 10, και γράφουν ότι S = 10. Ο αντίστροφος κύκλος λειτουργίας ονομάζεται λειτουργία cycle, στα αγγλικά Duty cycle ή DC για συντομία.
Έτσι, για το δεδομένο παράδειγμα, DC = 0,1 από 10/100 = 0,1. Με τη διαμόρφωση πλάτους παλμού, ρυθμίζοντας τον κύκλο λειτουργίας του παλμού, δηλαδή με αλλαγή του συνεχούς ρεύματος, επιτυγχάνεται η απαιτούμενη μέση τιμή στην έξοδο μιας ηλεκτρονικής ή άλλης ηλεκτρικής συσκευής, όπως ένας κινητήρας.