OFDM COFDM TCM
Modulazione dell'ampiezza dell'impulso(PWM, ing. Modulazione di larghezza di impulso (PWM)) - approssimazione del segnale desiderato (multilivello o continuo) a segnali binari reali (a due livelli - Su/spento), in modo che, in media, in un certo periodo di tempo, i loro valori siano uguali. Formalmente, questo può essere scritto come:
,dove X(t) - il segnale di ingresso desiderato nel limite da t1 prima t2, e ∆ T io- durata io th impulso PWM, ciascuno con ampiezza UN. ∆T ioè selezionato in modo tale che le aree totali (energie) di entrambe le grandezze siano approssimativamente uguali in un periodo di tempo sufficientemente lungo, e anche i valori medi delle grandezze nel periodo siano uguali:
.I "livelli" controllati, di regola, sono parametri di alimentazione della centrale, ad esempio la tensione dei convertitori di impulsi / regolatori di tensione CC / o la velocità del motore elettrico. Per sorgenti pulsate X(t) = u cost stabilizzazione.
Il motivo principale per l'introduzione del PWM è la difficoltà di fornire una tensione arbitraria_ (elettrica). Esiste una tensione di alimentazione costante di base (nella rete, dalle batterie, ecc.) E sulla base è necessario ottenerne una arbitraria inferiore e alimentare già motori elettrici o altre apparecchiature con essa. L'opzione più semplice è un divisore di tensione, ma ha un'efficienza ridotta, una maggiore generazione di calore e consumo di energia. Un'altra opzione è un circuito a transistor. Ti permette di regolare la tensione senza l'uso della meccanica. Il problema è che i transistor si riscaldano di più nello stato semiaperto (50%). E se riesci ancora a "vivere" con una tale efficienza, allora il rilascio di calore, soprattutto su scala industriale, annulla l'intera idea. Ecco perché si è deciso di utilizzare un circuito a transistor, ma solo negli stati al contorno (on / off), e se necessario livellare l'uscita risultante con un circuito LC (filtro). Questo approccio è molto efficiente dal punto di vista energetico. PWM è ampiamente utilizzato ovunque. Se stai leggendo questo articolo su un monitor LCD (telefono/PDA/... con retroilluminazione LCD), la luminosità della retroilluminazione è controllata da PWM. Sui monitor più vecchi, puoi abbassare la luminosità e sentire come il PWM inizia a cigolare (un cigolio molto silenzioso con una frequenza di diversi kilohertz). Le stesse lampadine LED "cigolio" che lampeggiano senza intoppi, ad esempio, nei laptop. Il cigolio del PWM si sente molto bene di notte in silenzio.
Anche una porta COM può essere utilizzata come PWM. Perché 0 viene trasmesso come 0 0000 0000 1 (8 bit di dati + avvio/arresto) e 255 come 0 1111 1111 1, quindi l'intervallo di tensione di uscita è 10-90% in incrementi del 10%.
SPINA- un convertitore di larghezza di impulso che genera un segnale PWM secondo un dato valore della tensione di controllo. Il principale vantaggio di SHIP è l'elevata efficienza dei suoi amplificatori di potenza, che si ottiene utilizzandoli esclusivamente in modalità chiave. Ciò riduce notevolmente il rilascio di potenza al convertitore di potenza (SP).
Applicazione
PWM utilizza transistor (potrebbero esserci altri elementi) non in modo lineare, ma in modalità chiave, ovvero il transistor è sempre aperto (spento) o chiuso (in saturazione). Nel primo caso, il transistor ha una resistenza quasi infinita, quindi non c'è quasi corrente nel circuito, e sebbene l'intera tensione di alimentazione scenda ai capi del transistor, ovvero efficienza = 0%, in termini assoluti la potenza dissipata sul il transistor è zero. Nel secondo caso, la resistenza del transistor è estremamente piccola e, di conseguenza, la caduta di tensione ai suoi capi è prossima allo zero: anche la potenza rilasciata è piccola.
Come funziona PWM
PWM è un segnale a impulsi di frequenza costante e duty cycle variabile, ovvero il rapporto tra il periodo di ripetizione dell'impulso e la sua durata. Impostando il duty cycle (durata dell'impulso) è possibile modificare la tensione media all'uscita PWM.
È generato da un comparatore analogico, il cui ingresso negativo è alimentato da un segnale di riferimento sotto forma di "sega" o "triangolo", e l'ingresso positivo è il segnale analogico continuo modulato stesso. La frequenza degli impulsi corrisponde alla frequenza dei "denti" della sega. Quella parte del periodo in cui il segnale di ingresso è superiore al riferimento, l'uscita è uno, inferiore a zero.
Nella tecnologia digitale, le cui uscite possono assumere solo uno di due valori, è del tutto naturale approssimare il livello di uscita medio desiderato utilizzando PWM. Il circuito è altrettanto semplice: viene generato un segnale a dente di sega N-contatore di bit. I dispositivi digitali (TSSHIP) funzionano a una frequenza fissa, generalmente molto superiore alla risposta degli impianti controllati ( ricampionamento). Durante i periodi tra i fronti di clock, l'uscita DSCH rimane stabile, bassa o alta, a seconda dell'uscita del comparatore digitale, che confronta il valore del contatore con il livello del segnale digitale in avvicinamento V(n). L'uscita per molti cicli può essere interpretata come una serie di impulsi con due possibili valori 0 e 1, che si sostituiscono ad ogni ciclo T. La frequenza di occorrenza dei singoli impulsi si ottiene proporzionale al livello del segnale di avvicinamento ~ V(n). Le unità che si susseguono formano il contorno di un impulso più ampio. La durata degli impulsi ricevuti di larghezza variabile ~ V(n), sono multipli del periodo di timbratura T, e la frequenza è 1/( T*2 N). Bassa frequenza significa lungo, relativamente T, periodi di costanza del segnale di un livello, che danno una bassa uniformità della distribuzione degli impulsi.
Lo schema di generazione digitale descritto rientra nella definizione di modulazione a codice di impulso a un bit (due livelli) ( PCM). Il PCM a 1 bit può essere visto in termini di PWM come una serie di impulsi con una frequenza di 1/ T e larghezza 0 o T. Raggiungere la media in un periodo di tempo più breve consente il ricampionamento disponibile. L'alta qualità ha una tale varietà di PCM a bit singolo come la modulazione della densità di impulsi ( modulazione della densità degli impulsi), che è anche chiamato modulazione frequenza impulsi.
Un segnale analogico continuo viene ripristinato calcolando la media aritmetica degli impulsi su molti periodi utilizzando un semplice filtro passa-basso. Sebbene di solito anche questo non sia richiesto, poiché i componenti elettromeccanici dell'azionamento hanno induttanza e l'oggetto di controllo (OC) ha inerzia, gli impulsi dall'uscita PWM vengono attenuati e l'amplificatore operazionale, con una frequenza sufficiente del PWM segnale, si comporta come quando si controlla un segnale analogico convenzionale.
Guarda anche
- La modulazione vettoriale è una modulazione dell'ampiezza dell'impulso vettoriale utilizzata nell'elettronica di potenza.
- SACD è un formato di disco audio che utilizza la modulazione della larghezza di impulso del segnale audio.
Il più semplice generatore di segnali di larghezza di impulso.
Lo scopo principale del programma PWM Generator è la generazione di segnali di modulazione dell'ampiezza dell'impulso in tempo reale. Questi toni vengono generati in base ai valori specificati di frequenza (in Hertz), duty cycle - il rapporto tra il tempo tra gli stati del segnale basso e alto (in percentuale) e l'ampiezza - livello del segnale digitale (in dBFS). Tutti i parametri di cui sopra possono essere modificati istantaneamente durante il funzionamento. Il livello massimo possibile del segnale generato è 0 dBFS e la frequenza più alta è metà della frequenza di campionamento. Viene fornito un intero menu di caratteristiche di uscita per regolare la generazione del suono a un livello di qualità ottimale. Qui c'è la possibilità di modificare il numero e la dimensione dei buffer di dati interni, la frequenza di campionamento e la quantizzazione.
Il software può essere utilizzato per creare toni di controllo per vari dispositivi elettrici ed elettromeccanici. In particolare, il segnale PWM risultante, prelevato dall'uscita di una scheda audio di un personal computer e fatto passare attraverso un amplificatore audio standard, viene utilizzato per controllare motori, ventole e dispositivi di illuminazione.
PWM Generator supporta diverse schede audio ed è possibile selezionare quella che verrà utilizzata per emettere il segnale desiderato (per impostazione predefinita, il programma funziona con il dispositivo di output specificato nel pannello di controllo di Windows). Vale la pena notare che il segnale PWM funzionante può essere salvato come file WAV e quindi ascoltato utilizzando un software standard. E con l'uso regolare di determinati toni, il generatore di segnali PWM consente di salvarli (e caricarli) come preset. Inoltre, con l'applicazione vengono forniti diversi preset.
PWM Generator supporta l'opzione di sincronizzare tutte le istanze in esecuzione del programma, consentendo di generare più toni contemporaneamente. Va notato che il software può essere eseguito in background, consentendo agli utenti di spostare la propria attenzione su altre applicazioni. Inoltre, il generatore PWM può essere controllato tramite comandi di script, nonché tramite i sistemi di messaggistica di Windows.
Gli autori riferiscono che più veloce è la workstation, maggiore sarà la qualità del suono e la “reattività” dei controlli durante la riproduzione dei toni.
La domanda in questione è stata redatta da dipendenti della società tedesca Esser Audio. Questa organizzazione è impegnata nella creazione e distribuzione di prodotti software (, ecc.), destinati principalmente a testare e testare apparecchiature audio. I programmi di Esser Audio si distinguono per una buona funzionalità e un'interfaccia estremamente semplice.
Il programma PWM Generator è shareware, la versione di prova permette di eseguire e testare liberamente l'applicazione per i primi trenta giorni. Il costo del programma per i paesi al di fuori dell'Unione Europea è di 14 euro, per i membri - 16,66 euro (a causa dell'aggiunta dell'imposta sulle vendite). È previsto uno sconto per l'acquisto di più licenze.
L'applicazione è distribuita in inglese e tedesco. Il file della guida contiene una descrizione dettagliata di tutte le funzionalità del software ed è stato creato un forum di guida in linea per fornire ulteriore supporto agli utenti del pacchetto software. Non esiste ancora una versione russa di PWM Generator.
L'ultima versione del software funziona su qualsiasi computer con sistema operativo Microsoft Windows a 32 o 64 bit (9x, NT, 2000, 2003, XP, Vista, 7, 8) e una scheda audio.
Distribuzione del programma: shareware 14 euro. Esiste una versione di prova (30 giorni)
Il forum contiene spesso domande sull'implementazione della modulazione di larghezza di impulso sui dispositivi a microcontrollore. Io stesso ho chiesto molto su questo e, dopo averlo capito, ho deciso di renderlo più facile per i principianti in quest'area, poiché ci sono molte informazioni sulla rete ed è progettato per sviluppatori di diversi livelli, e io stesso l'ho capito e la mia memoria è ancora fresca.
Poiché per me la cosa più importante era l'uso del PWM in modo specifico per controllare la luminosità dei LED, li userò negli esempi. Useremo l'amato ATmega8 come microcontrollore.
Innanzitutto, ricordiamo cos'è il PWM. Il segnale PWM è un segnale a impulsi di una certa frequenza e duty cycle:
La frequenza è il numero di cicli al secondo. Duty cycle: il rapporto tra la durata dell'impulso e la durata del periodo. Puoi cambiare entrambi, ma per controllare i LED è sufficiente controllare il duty cycle. Nella figura sopra, vediamo un segnale PWM con un duty cycle del 50%, poiché la durata dell'impulso (ampiezza dell'impulso) è esattamente la metà del periodo. Di conseguenza, il LED sarà esattamente per metà del tempo acceso e per metà spento. La frequenza PWM è molto alta e l'occhio non noterà lo sfarfallio del LED a causa dell'inerzia della nostra visione, quindi ci sembrerà che il LED si illumini a metà della luminosità. Se modifichiamo il duty cycle al 75%, la luminosità del LED sarà di 3 quarti e il grafico sarà simile al seguente:
Si scopre che possiamo regolare la luminosità del LED da 0 a 100%. Ora parliamo di un tale parametro PWM come risoluzione. La risoluzione è il numero di gradazioni (passi) dell'adeguamento del ciclo di lavoro, prenderemo in considerazione una risoluzione di 256 passi.
Abbiamo in qualche modo capito i parametri, ora parliamo di come otteniamo proprio questo PWM dal microcontrollore. Prendiamo un saldatore riscaldato ben affilato e iniziamo a torturare l'MK, sollevando contemporaneamente un oscilloscopio sulle sue due gambe e verificando la presenza di un segnale del ciclo di lavoro di cui abbiamo bisogno su di esse. I microcontrollori hanno il supporto hardware per PWM e diversi canali per esso, nel nostro caso 3. Alcuni pin dell'MK sono responsabili dell'emissione di PWM, nel nostro caso OC2, OC1A, OC1B (15,16,17 gambe in un pacchetto DIP). A questo servono anche i timer del microcontrollore, nel nostro caso TC1, TC2. Quindi, come configurare l'MK per emettere un segnale del ciclo di lavoro richiesto? Tutto è molto semplice, prima configuriamo le gambe di cui abbiamo bisogno per l'output:
PORTAB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110
Quindi, iniziamo a configurare i timer. Per il timer TC1, abbiamo bisogno di due registri: TCCR1A e TCCR1B. Apriamo il datasheet e leggiamo come sono configurati questi registri. L'ho impostato su PWM a 8 bit, che si traduce in una risoluzione di 256 passaggi:
TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09;
Per il timer TC2 utilizzeremo il registro TCCR2=0x69;. La sua configurazione è simile a questa:
TCCR2=0x69;
Tutto, i timer sono configurati. Il duty cycle sarà impostato dai registri OCR1A, OCR1B, OCR2:
Impostiamo i cicli di lavoro richiesti:
OCR1A=0x32; //50 passi OCR1B=0x6A; //106 passi OCR2=0xF0; //240 passi
Bene, mettiamo l'incremento e il decremento di questi registri in un ciclo infinito:
While(1) ( OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); )
Il primo programma di test è pronto e si presenta così per CVAVR:
#include "mega8.h" #include "delay.h" void main(void) ( PORTB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110 TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09; TCCR2=0x69; OCR1A=0x32; //50 passi OCR1B=0x6A; //106 passi OCR2=0xF0; //240 passi mentre (1) ( OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); ); )
In alcuni casi, ad esempio, nelle torce elettriche o negli apparecchi di illuminazione domestica, diventa necessario regolare la luminosità del bagliore. Sembrerebbe più semplice: basta cambiare la corrente attraverso il led aumentando o diminuendo. Ma in questo caso, una parte significativa dell'energia verrà consumata sul resistore di limitazione, il che è del tutto inaccettabile per l'alimentazione autonoma da batterie o accumulatori.
Inoltre, il colore del bagliore dei LED cambierà: ad esempio, il colore bianco quando la corrente scende al di sotto del valore nominale (per la maggior parte dei LED 20 mA) avrà una sfumatura leggermente verdastra. Un tale cambiamento di colore in alcuni casi è completamente inutile. Immagina che questi LED illuminino lo schermo di una TV o del monitor di un computer.
In questi casi, fare domanda PWM - regolazione (larghezza - impulso). Il suo significato è che periodicamente si accende e si spegne. In questo caso, la corrente rimane nominale per tutto il tempo di flash, quindi lo spettro di luminescenza non viene distorto. Se il LED è bianco, le sfumature verdi non verranno visualizzate.
Inoltre, con questo metodo di controllo della potenza, le perdite di energia sono minime, l'efficienza dei circuiti con controllo PWM è molto alta, raggiungendo oltre il 90 percento.
Il principio della regolazione PWM è abbastanza semplice, ed è mostrato in Figura 1. Un diverso rapporto tra il tempo dello stato acceso e quello spento è percepito dall'occhio come: come in un film - i fotogrammi mostrati separatamente a turno sono percepiti come un immagine in movimento. Tutto dipende dalla frequenza di proiezione, di cui si parlerà poco dopo.
Figura 1. Il principio del PWM - regolazione
La figura mostra i diagrammi dei segnali all'uscita del dispositivo di controllo PWM (o oscillatore master). Sono indicati zero e uno: uno logico (livello alto) fa accendere il LED, uno zero logico (livello basso), rispettivamente, l'estinzione.
Sebbene tutto possa essere il contrario, poiché tutto dipende dal circuito della chiave di uscita, l'accensione del LED può essere eseguita a un livello basso e lo spegnimento, solo ad alto. In questo caso, uno fisicamente logico avrà un livello di tensione basso e uno zero logico sarà alto.
In altre parole, uno logico provoca l'attivazione di un evento o processo (nel nostro caso, il LED si accende) e uno zero logico dovrebbe disattivare questo processo. Cioè, non sempre un livello alto all'uscita di un microcircuito digitale è un'unità LOGICA, tutto dipende da come è costruito un particolare circuito. Così è, per informazione. Ma per ora, assumeremo che la chiave sia controllata da un livello elevato, e semplicemente non può essere altrimenti.
Frequenza e ampiezza degli impulsi di controllo
Si noti che il periodo (o frequenza) dell'impulso rimane invariato. Ma, in generale, la frequenza degli impulsi non influisce sulla luminosità del bagliore, quindi non ci sono requisiti speciali per la stabilità della frequenza. Cambia solo la durata (WIDTH), in questo caso, di un impulso positivo, per cui funziona l'intero meccanismo di modulazione della larghezza dell'impulso.
La durata degli impulsi di controllo nella Figura 1 è espressa in %%. Questo è il cosiddetto "duty cycle" o, nella terminologia inglese, DUTY CYCLE. Viene espresso come rapporto tra la durata dell'impulso di controllo e il periodo di ripetizione dell'impulso.
Nella terminologia russa, di solito è usato "ciclo di lavoro" - il rapporto tra il periodo di ripetizione e il tempo dell'impulso un. Pertanto, se il fattore di riempimento è del 50%, il duty cycle sarà uguale a 2. Non vi è alcuna differenza fondamentale qui, quindi è possibile utilizzare uno qualsiasi di questi valori, per chi è più conveniente e comprensibile.
Qui, ovviamente, si potrebbero fornire formule per il calcolo del duty cycle e DUTY CYCLE, ma per non complicare la presentazione, faremo a meno delle formule. Ultima ma non meno importante, la legge di Ohm. Non puoi farci niente: "Non conosci la legge di Ohm, resta a casa!" Se qualcuno è interessato a queste formule, le può sempre trovare su Internet.
Frequenza PWM per dimmer
Come accennato un po 'più in alto, non ci sono requisiti speciali per la stabilità della frequenza degli impulsi PWM: beh, "fluttua" un po', e va bene. I controller PWM hanno un'instabilità di frequenza simile, tra l'altro, piuttosto grande, che non interferisce con il loro utilizzo in molti progetti. In questo caso, è solo importante che questa frequenza non scenda al di sotto di un certo valore.
E quale dovrebbe essere la frequenza e quanto può essere instabile? Non dimenticare che stiamo parlando di dimmer. Nella tecnologia cinematografica, esiste un termine "frequenza critica di sfarfallio". Questa è la frequenza con cui le singole immagini visualizzate una dopo l'altra vengono percepite come immagini in movimento. Per l'occhio umano, questa frequenza è di 48 Hz.
Questo è precisamente il motivo per cui il frame rate su pellicola era di 24 fps (lo standard televisivo è di 25 fps). Per aumentare questa frequenza a quella critica, i proiettori cinematografici utilizzano un otturatore a due lame (otturatore) che si sovrappone due volte a ciascun fotogramma visualizzato.
Nei proiettori amatoriali a pellicola stretta da 8 mm, la frequenza di proiezione era di 16 fotogrammi al secondo, quindi l'otturatore aveva fino a tre lame. Lo stesso scopo in televisione è servito dal fatto che l'immagine viene mostrata a metà fotogrammi: prima le linee pari e poi dispari dell'immagine. Il risultato è una frequenza di sfarfallio di 50 Hz.
Il funzionamento del LED in modalità PWM è un lampeggio separato di durata regolabile. Affinché questi bagliori possano essere percepiti dall'occhio come un bagliore continuo, la loro frequenza non deve in alcun modo essere inferiore a quella critica. Qualsiasi superiore, ma non inferiore. Questo fattore dovrebbe essere preso in considerazione durante la creazione PWM - controller per lampade.
A proposito, un fatto interessante: gli scienziati hanno in qualche modo determinato che la frequenza critica per l'occhio di un'ape è 800 Hz. Pertanto, l'ape vedrà il film sullo schermo come una sequenza di immagini separate. Affinché possa vedere un'immagine in movimento, la frequenza di proiezione dovrà essere aumentata a ottocento campi al secondo!
Per controllare il LED effettivo viene utilizzato. Di recente, i più utilizzati per questo scopo sono quelli che consentono di commutare potenze significative (l'uso di transistor bipolari convenzionali per questi scopi è considerato semplicemente indecente).
Tale esigenza (potente MOSFET - transistor) sorge con un gran numero di LED, ad esempio con, che sarà discusso poco dopo. Se la potenza è bassa, quando si utilizzano uno o due LED, è possibile utilizzare interruttori a bassa potenza e, se possibile, collegare i LED direttamente alle uscite dei microcircuiti.
La Figura 2 mostra un diagramma funzionale di un controller PWM. La resistenza R2 è mostrata condizionatamente come elemento di controllo nel diagramma. Ruotando la sua manopola è possibile modificare il duty cycle degli impulsi di comando entro i limiti richiesti e, di conseguenza, la luminosità dei led.
Figura 2. Schema funzionale del controller PWM
La figura mostra tre stringhe di LED collegate in serie con resistenze di terminazione. Approssimativamente la stessa connessione viene utilizzata nelle strisce LED. Più lungo è il nastro, più LED, maggiore è il consumo di corrente.
È in questi casi che saranno necessari quelli potenti, la cui corrente di drenaggio consentita dovrebbe essere leggermente superiore alla corrente consumata dal nastro. L'ultimo requisito è soddisfatto abbastanza facilmente: ad esempio, il transistor IRL2505 ha una corrente di drain di circa 100 A, una tensione di drain di 55 V, mentre le sue dimensioni e il suo prezzo sono piuttosto interessanti per l'uso in vari modelli.
Oscillatori master PWM
Un microcontrollore può essere utilizzato come oscillatore PWM master (il più delle volte in condizioni industriali) o un circuito realizzato su microcircuiti con un basso grado di integrazione. Se si prevede di realizzare un numero limitato di controller PWM a casa e non si ha esperienza nella creazione di dispositivi a microcontrollore, è meglio creare un controller su ciò che è attualmente a portata di mano.
Questi possono essere circuiti logici della serie K561, timer integrato e circuiti specializzati progettati per. In questo ruolo, puoi persino farlo funzionare montando un generatore regolabile su di esso, ma questo è, forse, "per amore dell'arte". Pertanto, di seguito verranno presi in considerazione solo due schemi: il più comune sul timer 555 e sul controller UPS UC3843.
Schema dell'oscillatore principale sul timer 555
Figura 3. Schema dell'oscillatore principale
Questo circuito è un generatore di onde quadre convenzionale la cui frequenza è impostata dal condensatore C1. Il condensatore viene caricato attraverso il circuito "Output - R2 - RP1-C1 - common wire". In questo caso, all'uscita deve essere presente una tensione di alto livello, che equivale all'uscita collegata al polo positivo del generatore.
Il condensatore viene scaricato lungo il circuito "C1 - VD2 - R2 - Uscita - filo comune" in un momento in cui all'uscita è presente una tensione di basso livello: l'uscita è collegata a un filo comune. È questa differenza nei percorsi di carica-scarica del condensatore di regolazione del tempo che fornisce impulsi con ampiezza regolabile.
Si noti che i diodi, anche dello stesso tipo, hanno parametri diversi. In questo caso, la loro capacità elettrica gioca un ruolo, che cambia sotto l'azione della tensione attraverso i diodi. Pertanto, insieme alla variazione del duty cycle del segnale di uscita, cambia anche la sua frequenza.
La cosa principale è che non diventa inferiore alla frequenza critica, che è stata menzionata un po 'più alta. Altrimenti, invece di un bagliore uniforme con luminosità diversa, saranno visibili i singoli flash.
Approssimativamente (di nuovo, la colpa è dei diodi), la frequenza del generatore può essere determinata dalla formula mostrata di seguito.
La frequenza del generatore PWM sul timer 555.
Se sostituiamo nella formula la capacità del condensatore in farad e la resistenza in ohm, il risultato dovrebbe essere in hertz Hz: non puoi allontanarti dal sistema SI! Ciò presuppone che il cursore del resistore variabile RP1 sia nella posizione centrale (nella formula RP1 / 2), che corrisponde al segnale di uscita della forma a meandro. Nella Figura 2, questa è esattamente la parte in cui la durata dell'impulso è del 50%, che equivale a un segnale con un duty cycle di 2.
Oscillatore master PWM su un chip UC3843
Il suo schema è mostrato nella Figura 4.
Figura 4. Schema dell'oscillatore master PWM sul chip UC3843
Il chip UC3843 è un controller PWM di controllo per la commutazione di alimentatori e viene utilizzato, ad esempio, in sorgenti di computer in formato ATX. In questo caso, lo schema tipico per la sua inclusione è stato leggermente modificato verso la semplificazione. Per controllare l'ampiezza dell'impulso di uscita, viene applicata una tensione di controllo di polarità positiva all'ingresso del circuito, quindi si ottiene un segnale di impulso PWM all'uscita.
Nel caso più semplice, la tensione di controllo può essere applicata utilizzando un resistore variabile con una resistenza di 22 ... 100 KΩ. Se necessario, la tensione di controllo può essere ottenuta, ad esempio, da un sensore di luce analogico realizzato su una fotoresistenza: più è scuro fuori dalla finestra, più luminosa è la stanza.
La tensione di controllo influisce sull'uscita PWM in modo tale che quando viene ridotta, l'ampiezza dell'impulso di uscita aumenta, il che non sorprende affatto. Dopotutto, lo scopo originale del microcircuito UC3843 è stabilizzare la tensione dell'alimentatore: se la tensione di uscita diminuisce e con essa la tensione di regolazione, è necessario adottare misure (aumentare l'ampiezza dell'impulso di uscita) per aumentare leggermente la tensione di uscita.
La tensione di regolazione negli alimentatori viene generata, di norma, utilizzando diodi zener. Il più delle volte, questo o qualcosa di simile.
Con i valori nominali delle parti indicate nel diagramma, la frequenza del generatore è di circa 1 kHz e, a differenza del generatore sul timer 555, non "fluttua" quando cambia il ciclo di lavoro del segnale di uscita, prendendosi cura della frequenza di alimentatori a commutazione.
Per regolare una potenza significativa, ad esempio, una striscia LED, è necessario collegare all'uscita uno stadio chiave su un transistor MOSFET, come mostrato in Figura 2.
Potremmo parlare di più dei controller PWM, ma per ora fermiamoci qui, e nel prossimo articolo vedremo vari modi per collegare i LED. Dopotutto, non tutti i metodi sono ugualmente buoni, ci sono quelli che dovrebbero essere evitati e ci sono semplicemente molti errori quando si collegano i LED.
PWM o PWM (eng. Pulse-Width Modulation) - modulazione dell'ampiezza dell'impulso- Questo metodo è progettato per controllare l'entità della tensione e della corrente. L'azione di PWM è di modificare l'ampiezza dell'impulso di ampiezza costante e frequenza costante.
Le proprietà di controllo PWM sono utilizzate nei convertitori di impulsi, nei circuiti di controllo del motore CC o nella luminosità dei LED.
Come funziona PWM
Il principio di funzionamento di PWM, come indica il nome stesso, consiste nel modificare l'ampiezza dell'impulso del segnale. Quando si utilizza il metodo di modulazione dell'ampiezza dell'impulso, la frequenza e l'ampiezza del segnale rimangono costanti. Il parametro più importante di un segnale PWM è il duty cycle, che può essere determinato utilizzando la seguente formula:
Si può anche notare che la somma del tempo del segnale alto e basso determina il periodo del segnale:
dove:
- Ton - tempo di alto livello
- Toff - tempo di basso livello
- T - periodo del segnale
Il tempo di alto livello e il tempo di basso livello sono mostrati nella figura in basso. La tensione U1 è lo stato del livello alto del segnale, cioè la sua ampiezza.
La figura seguente mostra un esempio di segnale PWM con uno specifico intervallo di tempo di livello alto e basso.
Calcolo del ciclo di lavoro PWM
Calcolo del ciclo di lavoro PWM utilizzando un esempio:
Per calcolare il fattore di riempimento percentuale, è necessario eseguire un calcolo simile e moltiplicare il risultato per 100%:
Come risulta dal calcolo, in questo esempio il segnale (livello alto) è caratterizzato da un riempimento pari a 0,357 o comunque 37,5%. Il fattore di riempimento è un valore astratto.
Una caratteristica importante della modulazione di larghezza di impulso può essere anche la frequenza del segnale, che viene calcolata dalla formula:
Il valore di T, nel nostro esempio, dovrebbe essere preso già in secondi affinché le unità nella formula corrispondano. Poiché la formula della frequenza è 1/sec, quindi 800 ms verranno tradotti in 0,8 sec.
Grazie alla possibilità di regolare l'ampiezza dell'impulso, è possibile modificare, ad esempio, il valore medio della tensione. La figura seguente mostra diversi cicli di lavoro mantenendo la stessa frequenza del segnale e la stessa ampiezza.
Per calcolare la tensione PWM media, è necessario conoscere il duty cycle, poiché la tensione media è il prodotto del duty cycle e dell'ampiezza della tensione del segnale.
Ad esempio, il duty cycle è stato pari al 37,5% (0,357) e l'ampiezza della tensione U1 = 12V darà la tensione media Uav:
In questo caso, la tensione media del segnale PWM è di 4,5 V.
PWM rende molto facile abbassare la tensione nell'intervallo dalla tensione di alimentazione U1 a 0. Questo può essere utilizzato, ad esempio, per o la velocità di un motore CC (corrente continua) alimentato da un valore di media tensione.
Il segnale PWM può essere generato da un microcontrollore o da un circuito analogico. Il segnale proveniente da tali circuiti è caratterizzato da bassa tensione e corrente di uscita molto bassa. Se è necessario regolare carichi potenti, è necessario utilizzare un sistema di controllo, ad esempio utilizzando un transistor.
Può essere un transistor bipolare o ad effetto di campo. I seguenti esempi useranno .
Un esempio di controllo LED tramite PWM.
Il segnale PWM viene inviato alla base del transistor VT1 attraverso il resistore R1, in altre parole il transistor VT1 si accende e si spegne con una variazione del segnale. Questo è simile alla situazione in cui il transistor può essere sostituito da un interruttore convenzionale, come mostrato di seguito:
Quando l'interruttore è chiuso, il LED viene alimentato tramite il resistore 12V R2 (limitazione di corrente). E quando l'interruttore è aperto, il circuito si interrompe e il LED si spegne. Tale commutazione a bassa frequenza risulterà in .
Tuttavia, se è necessario controllare l'intensità dei LED, è necessario aumentare la frequenza del segnale PWM in modo tale da ingannare l'occhio umano. In teoria, la commutazione a una frequenza di 50 Hz non è più invisibile all'occhio umano, il che si traduce in un effetto di riduzione della luminosità del LED.
Più piccolo è il duty cycle, più debole si accenderà il LED, perché durante un periodo il LED si accenderà per un tempo più breve.
Lo stesso principio e uno schema simile possono essere utilizzati per. Nel caso di un motore, invece, è necessario applicare una frequenza di commutazione maggiore (oltre 15-20 kHz) per due motivi.
Il primo di questi riguarda il suono che può fare un motore (uno sgradevole cigolio). La frequenza di 15-20 kHz è il limite teorico di udibilità dell'orecchio umano, quindi le frequenze al di sopra di questo limite non saranno udibili.
La seconda domanda riguarda la stabilità del motore. Quando si controlla il motore con un segnale a bassa frequenza con un ciclo di lavoro basso, la velocità del motore sarà instabile o potrebbe provocarne l'arresto completo. Pertanto, maggiore è la frequenza del segnale PWM, maggiore è la stabilità della tensione media di uscita. C'è anche meno ondulazione di tensione.
Tuttavia, non si dovrebbe sopravvalutare la frequenza del segnale PWM, poiché alle alte frequenze il transistor potrebbe non avere il tempo di aprirsi o chiudersi completamente e il circuito di controllo non funzionerà correttamente. Ciò è particolarmente vero per i transistor ad effetto di campo, dove il tempo di ricarica può essere relativamente lungo, a seconda del progetto.
Una frequenza del segnale PWM troppo alta provoca anche un aumento delle perdite di transistor, poiché ogni commutazione provoca una perdita di energia. Quando si guidano grandi correnti ad alte frequenze, è necessario selezionare un transistor veloce con bassa resistenza di conduzione.
Durante il controllo, ricordarsi di utilizzare un diodo per proteggere il transistor VT1 dai picchi di induzione che compaiono quando il transistor è spento. Attraverso l'uso di un diodo, l'impulso di induzione viene scaricato attraverso di esso e la resistenza interna del motore, proteggendo così il transistor.
Schema di un sistema di controllo della velocità di un motore CC con un diodo di protezione.
Per attenuare le sovratensioni tra i terminali del motore, è possibile collegare un piccolo condensatore (100nF) in parallelo ad essi, che stabilizzerà la tensione tra le successive commutazioni del transistor. Ciò ridurrà anche il rumore generato dalla frequente commutazione del transistor VT1.
