Omvandlare, omvandlare, SMPS-kretsar och hastighetsregulatorer…. En sak som är vanligt i alla dessa kretsar är att den består av många elektroniska brytare inuti den. Dessa omkopplare är inget annat än kraftelektroniska enheter som MOSFET, IGBT, TRIAC etc. För att kunna styra sådana kraftelektroniska omkopplare använder vi vanligtvis något som kallas PWM-signaler (Pulse Width Modulation). Bortsett från detta används PWM-signaler också för att driva servomotorer och även för andra enkla uppgifter som att styra ljusstyrkan på en LED.
I vår tidigare artikel lärde vi oss om ADC, medan ADC används för att läsa analoga signaler av en digital enhet som mikrokontroller. En PWM kan betraktas som en exakt motsats till den, PWM används för att producera analoga signaler från en digital enhet som mikrokontroller. I den här artikeln kommer vi att lära oss vad som är PWM, PWM-signaler och några parametrar associerade med det, så att vi kommer att vara säkra på att använda dem i våra konstruktioner.
Vad är PWM (Pulse Width Modulation)?
PWM står för Pulse Width Modulation; vi kommer att ta reda på orsaken till ett sådant namn senare. Men för nu förstå PWM som en typ av signal som kan produceras från en digital IC såsom mikrokontroller eller 555 timer. Den sålunda producerade signalen kommer att ha ett pulståg och dessa pulser kommer att vara i form av en fyrkantig våg. Det vill säga vid varje given tidpunkt kommer vågen antingen att vara hög eller vara låg. För att underlätta förståelsen, låt oss överväga en 5V PWM-signal, i detta fall kommer PWM-signalen antingen att vara 5V (hög) eller vid marknivå 0V (låg). Den varaktighet under vilken signalerna förblir höga kallas "i tid " och den varaktighet under vilken signalen förblir låg kallas " avstängningstid ".
För en PWM-signal måste vi titta på två viktiga parametrar associerade med den ena är PWM-arbetscykeln och den andra är PWM-frekvensen.
PWM: s arbetscykel
Som tidigare nämnts förblir en PWM-signal på en viss tid och förblir sedan av under resten av perioden. Vad som gör denna PWM-signal speciell och mer användbar är att vi kan ställa in hur länge den ska stanna på genom att styra PWM-signalens arbetscykel.
Procentandelen tid under vilken PWM-signalen förblir HÖG (i tid) kallas som arbetscykel. Om signalen alltid är PÅ är den i 100% arbetscykel och om den alltid är av är den 0% arbetscykel. Formlerna för att beräkna arbetscykeln visas nedan.
Driftscykel = Slå PÅ-tid / (Slå PÅ-tid + Stäng av tid)
Följande bild representerar en PWM-signal med 50% arbetscykel. Som du kan se, med tanke på en hel tidsperiod (på tid + avstängningstid) förblir PWM-signalen endast 50% av tidsperioden.
Frekvens = 1 / Tidsperiod Tidsperiod = På-tid + Av-tid
Normalt kommer PWM-signalerna som genereras av mikrokontrollern att vara cirka 500 Hz, sådana höga frekvenser kommer att användas i växlingsenheter med hög hastighet som växelriktare eller omvandlare. Men inte alla applikationer kräver hög frekvens. Till exempel för att styra en servomotor behöver vi producera PWM-signaler med 50Hz-frekvens, så frekvensen hos en PWM-signal kan också styras av programmet för alla mikrokontroller.
Några vanliga frågor om PWM
Vad är skillnaden mellan arbetscykeln och frekvensen för en PWM-signal?
Driftscykeln och frekvensen för en PWM-signal förväxlas ofta. Som vi vet är en PWM-signal en fyrkantig våg med en viss tid och avstängningstid. Summan av detta i tid och ledighet kallas som en tidsperiod. Det inversa av en tidsperiod kallas frekvens. Medan tiden PWM-signalen ska vara kvar under en tidsperiod bestäms av PWM: s arbetscykel.
För att uttrycka det enkelt bestäms hur snabbt PWM-signalen ska slå på och stänga av PWM-signalens frekvens och i den hastigheten hur länge PWM-signalen ska vara påslagen bestäms av PWM-signalens arbetscykel.
Hur konverterar man PWM-signaler till analog spänning?
För enkla applikationer som att styra hastigheten på en likströmsmotor eller justera ljusstyrkan på en LED måste vi konvertera PWM-signalerna till analog spänning. Detta kan enkelt göras med hjälp av ett RC-filter och används ofta där en DAC-funktion krävs. Kretsen för densamma visas nedan
I grafen som visas ovan är den gula färgen PWM-signalen och den blåa färgen är den analoga utgångsspänningen. Värdet på motståndet R1 och kondensatorn C1 kan beräknas baserat på PWM-signalens frekvens men normalt används ett 5,7K eller 10K motstånd och en 0,1u eller 1u kondensator.
Hur beräknar jag PWM-signalens utspänning?
Utgångsspänningen för en PWM-signal efter konvertering till analog kommer att vara procentandelen av arbetscykeln. Till exempel om driftspänningen är 5V kommer PWM-signalen också att ha 5V när den är hög. I ett sådant fall för en 100% arbetscykel kommer utspänningen att vara 5V för en 50% arbetscykel är den 2,5V.
Utgångsspänning = Driftscykel (%) * 5
Exempel:
Vi har tidigare använt PWM med olika mikrokontroller i många av våra projekt:
- Pulsbreddsmodulering med ATmega32
- PWM med Arduino Uno
- Generera PWM med PIC Microcontroller
- Raspberry Pi PWM-handledning
- Servomotorstyrning med Raspberry Pi
- Pulsbreddsmodulering (PWM) med MSP430G2
- Pulsbreddsmodulering (PWM) i STM32F103C8
- Servomotorstyrning med Raspberry Pi
- DC Motor Control med Raspberry Pi
- 1 watt LED-dimmer
- Arduino-baserad LED-dimmer med PWM
Läs vidare alla PWM-relaterade projekt här.