Användning av PWM som omkopplingsteknik
Pulsbreddsmodulering (PWM) är en vanligt förekommande teknik för att generellt styra likström till en elektrisk enhet, praktiskt med moderna elektroniska strömbrytare. Men den hittar också sin plats i AC-hackare. Medelvärdet för strömmen som matas till lasten styrs av omkopplarens läge och dess tillstånds varaktighet. Om omkopplarens på-period är längre jämfört med dess avstängningsperiod får belastningen jämförelsevis högre effekt. Således måste PWM-omkopplingsfrekvensen vara snabbare.
Normalt måste omkoppling göras flera gånger per minut i en elektrisk spis, 120 Hz i en lampdimmer, från några kilohertz (kHz) till tiotals kHz för en motordrift. Växelfrekvensen för ljudförstärkare och datorns strömförsörjning är ungefär tio till hundratals kHz. Förhållandet mellan PÅ-tiden och pulsens tidsperiod kallas arbetscykel. Om arbetscykeln är låg innebär det låg effekt.
Effektförlusten i omkopplingsanordningen är mycket låg på grund av nästan försumbar mängd ström som strömmar i av-tillståndet för anordningen och försumbar mängd spänningsfall i dess AV-tillstånd. Digitala kontroller använder också PWM-teknik. PWM har också använts i vissa kommunikationssystem där dess arbetscykel har använts för att förmedla information över en kommunikationskanal.
PWM kan användas för att justera den totala mängden kraft som levereras till en last utan förluster som normalt uppstår när en kraftöverföring begränsas av resistiva medel. Nackdelarna är de pulser som definieras av arbetscykeln, omkopplingsfrekvensen och belastningens egenskaper. Med en tillräckligt hög omkopplingsfrekvens och, vid behov, med användning av ytterligare passiva elektroniska filter kan pulståget utjämnas och den genomsnittliga analoga vågformen återställs. Högfrekventa PWM-styrsystem kan enkelt implementeras med halvledarströmställare.
Som redan nämnts ovan släpps nästan ingen ström av strömbrytaren i varken på eller av-tillstånd. Under övergångarna mellan till och från-tillstånd är emellertid både spänning och ström icke-noll och således försvinner betydande effekt i omkopplarna. Lyckligtvis är tillståndsförändringen mellan helt på och helt av ganska snabb (vanligtvis mindre än 100 nanosekunder) i förhållande till typiska på- eller av-tider, så den genomsnittliga effektförlusten är ganska låg jämfört med den effekt som levereras även vid höga omkopplingsfrekvenser används.
Användning av PWM för att leverera likström för att ladda
Det mesta av den industriella processen kräver att köras på vissa parametrar för frekvensomriktarens hastighet. De elektriska drivsystem som används i många industriella applikationer kräver högre prestanda, tillförlitlighet, variabel hastighet på grund av dess enkla kontrollerbarhet. De hastighetskontroll av likströmsmotor är viktigt i applikationer där precision och skydd är avgörande. Syftet med en motorhastighetsregulator är att ta en signal som representerar erforderlig hastighet och att köra en motor med den hastigheten.
Pulsbreddsmodulation (PWM), som den gäller för motorstyrning, är ett sätt att leverera energi genom en följd av pulser snarare än en kontinuerligt varierande (analog) signal. Genom att öka eller minska pulsbredden reglerar regulatorn energiflödet till motoraxeln. Motorns egen induktans fungerar som ett filter och lagrar energi under 'PÅ' -cykeln medan den släpper med en hastighet som motsvarar ingångs- eller referenssignalen. Med andra ord flyter energi in i lasten inte så mycket omkopplingsfrekvensen utan med referensfrekvensen.
Kretsen används för att styra hastigheten på likströmsmotor genom att använda PWM-teknik. Serien Variabel hastighet DC-motorstyrenhet 12V använder en 555 timer IC som en PWM-pulsgenerator för att reglera motorvarvtalet DC12 Volt. IC 555 är det populära Timer Chip som används för att skapa timerkretsar. Det introducerades 1972 av Signetics. Det kallas 555 eftersom det finns tre 5 K-motstånd inuti. IC består av två komparatorer, en motståndskedja, en Flip Flop och ett utgångssteg. Den fungerar i tre grundläggande lägen - Astable, Monostable (där den fungerar med en enstaka pulsgenerator och Bistable-läge. Det vill säga när den utlöses går utgången högt under en period baserat på värdena på tidsmotståndet och kondensatorn. I Astable mode (AMV), IC fungerar som en frivridande multivibrator. Utgången blir hög och låg kontinuerligt för att ge pulserande utsignal som en oscillator. I Bistable-läget, även känt som Schmitt trigger, fungerar IC som en Flip-Flop med hög eller låg effekt på varje trigger och återställning.
I denna krets används IRF540 MOSFET. Detta är N-Channel-förbättring MOSFET. Det är en avancerad MOSFET-effekt, designad, testad och garanterat att klara en viss energinivå i driftläget för nedbrytning av laviner. De här kraftiga MOSFET: erna är utformade för applikationer som kopplingsregulatorer, växelomvandlare, motorförare, relädrivare och drivrutiner för bipolära växlingstransistorer med hög effekt som kräver hög hastighet och låg effekt. Dessa typer kan manövreras direkt från integrerade kretsar. Arbetsspänningen för denna krets kan justeras efter behov av den drivna likströmsmotorn. Denna krets kan fungera från 5-18VDC.
Ovanför krets d.v.s. DC-motorvarvtalsreglering med PWM tekniken varierar arbetscykeln som i sin tur styr motorns hastighet. IC 555 är ansluten i ett stabilt läge, frivridande multivibrator. Kretsen består av ett arrangemang av en potentiometer och två dioder, som används för att ändra arbetscykeln och hålla frekvensen konstant. Eftersom motståndet hos det variabla motståndet eller potentiometern varieras varierar arbetscykeln för de pulser som appliceras på MOSFET och följaktligen varierar DC-effekten till motorn och därmed ökar dess hastighet när arbetscykeln ökar.
Användning av PWM för att leverera växelström för att ladda
Moderna halvledarströmställare som MOSFET eller bipolära transistorer med isolerad grind (IGBT) är ganska idealiska komponenter. Således kan högeffektiva styrenheter byggas. Vanligtvis har frekvensomvandlare som används för att styra växelströmsmotorer en effektivitet som är bättre än 98%. Växelströmförsörjningsenheter har lägre verkningsgrad på grund av låga utspänningsnivåer (ofta behövs till och med mindre än 2 V för mikroprocessorer) men ändå kan mer än 70-80% effektivitet uppnås.
Denna typ av kontroll för växelström är känd fördröjd skjutvinkelmetod. Det är billigare och genererar mycket elektriskt brus och övertoner jämfört med den verkliga PWM-kontrollen som utvecklar försumbart brus.
I många applikationer, såsom industriell uppvärmning, belysningskontroll, induktionsmotorer för mjukstart och varvtalsregulatorer för fläktar och pumpar, kräver variabel växelspänning från fast växelströmskälla. Regulatorernas fasvinkelkontroll har använts i stor utsträckning för dessa krav. Det erbjuder några fördelar som enkelhet och förmåga att styra stora mängder kraft ekonomiskt. Fördröjd skjutvinkel orsakar emellertid diskontinuitet och rikliga övertoner i belastningsström och en eftersläpande effektfaktor uppträder vid växelsidan när skjutvinkeln ökade.
Dessa problem kan förbättras med hjälp av PWM AC-chopper. Denna PWM AC-chopper erbjuder flera fördelar, såsom sinusformad ingångsström med nästan enhetseffektfaktor. För att minska filterstorleken och förbättra kvaliteten på utgångsregulatorn bör omkopplingsfrekvensen dock ökas. Detta orsakar hög kopplingsförlust. Ett annat problem är kommuteringen mellan överföringsomkopplaren S1 med frihjulsomkopplaren S2. Det orsakar strömspetsen om båda omkopplarna slås på samtidigt (kortslutning) och spänningsspetsen om båda omkopplarna är avstängda (ingen frihjulsväg). För att undvika dessa problem användes RC snubber. Detta ökar dock effektförlusten i kretsen och är svår, dyr, skrymmande och ineffektiv för högeffektiva applikationer. AC-chopper med nollströmspänning (ZCS-ZVS) föreslås. Dess utspänningsregulator behöver variera avstängningstiden som styrs av PWM-signalen. Det är sålunda nödvändigt att använda frekvensstyrning för att åstadkomma mjuk omkoppling och de allmänna styrsystemen använder PWM-tekniker som producerar inkopplingstid. Denna teknik har fördelar som enkel styrning med sigma-delta-modulering och fortsätter ingångsströmmen. Funktionerna i den föreslagna kretskonfigurationen och PWM-hackade mönster presenteras nedan.
