Τι είναι το pwm: διαμόρφωση πλάτους παλμού

Μετατροπείς, μετατροπείς, κυκλώματα SMPS και ελεγκτές ταχύτητας…. Ένα πράγμα που είναι κοινό σε όλα αυτά τα κυκλώματα είναι ότι αποτελείται από πολλούς ηλεκτρονικούς διακόπτες μέσα σε αυτό. Αυτοί οι διακόπτες δεν είναι τίποτα άλλο παρά Power ηλεκτρονικές συσκευές όπως MOSFET, IGBT, TRIAC κ.λπ. Για τον έλεγχο τέτοιων ηλεκτρονικών διακοπτών ισχύος χρησιμοποιούμε συνήθως κάτι που ονομάζεται σήματα PWM (Pulse Width Modulation). Εκτός από αυτό, τα σήματα PWM χρησιμοποιούνται επίσης για την οδήγηση κινητήρων Servo και επίσης για άλλες απλές εργασίες, όπως ο έλεγχος της φωτεινότητας ενός LED.

Στο προηγούμενο άρθρο μας μάθαμε για το ADC, ενώ το ADC χρησιμοποιείται για την ανάγνωση αναλογικών σημάτων από μια ψηφιακή συσκευή όπως ο μικροελεγκτής. Ένα PWM μπορεί να θεωρηθεί ως ακριβώς αντίθετο από αυτό, το PWM χρησιμοποιείται για την παραγωγή αναλογικών σημάτων από μια ψηφιακή συσκευή όπως ο μικροελεγκτής. Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε για το τι είναι τα σήματα PWM, PWM και ορισμένες παραμέτρους που σχετίζονται με αυτό, έτσι ώστε να είμαστε σίγουροι για τη χρήση τους στα σχέδιά μας.

Τι είναι το PWM (Pulse Width Modulation);

PWM σημαίνει Pulse Width Modulation. θα αναφερθούμε αργότερα σε αυτό το όνομα. Όμως, προς το παρόν κατανοήστε το PWM ως έναν τύπο σήματος που μπορεί να παραχθεί από ένα ψηφιακό IC όπως ο μικροελεγκτής ή ο χρονοδιακόπτης 555. Το σήμα που παράγεται έτσι θα έχει μια σειρά παλμών και αυτοί οι παλμοί θα έχουν τη μορφή τετραγωνικού κύματος. Δηλαδή, σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή το κύμα είτε θα είναι υψηλό είτε θα είναι χαμηλό. Για ευκολία κατανόησης ας εξετάσουμε ένα σήμα PWM 5V, στην περίπτωση αυτή το σήμα PWM θα είναι είτε 5V (υψηλό) είτε σε επίπεδο εδάφους 0V (χαμηλό). Η διάρκεια κατά την οποία τα σήματα παραμένουν ψηλά ονομάζεται " on time " και η διάρκεια κατά την οποία το σήμα παραμένει χαμηλό ονομάζεται " off time ".

Για ένα σήμα PWM πρέπει να εξετάσουμε δύο σημαντικές παραμέτρους που σχετίζονται με το ένα είναι ο κύκλος λειτουργίας PWM και η άλλη είναι η συχνότητα PWM.

Κύκλος λειτουργίας του PWM

Όπως ειπώθηκε νωρίτερα, ένα σήμα PWM παραμένει για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια παραμένει εκτός λειτουργίας για το υπόλοιπο της περιόδου. Αυτό που κάνει αυτό το σήμα PWM ειδικό και πιο χρήσιμο είναι ότι μπορούμε να ρυθμίσουμε για πόσο χρονικό διάστημα θα πρέπει να παραμείνει σε λειτουργία ελέγχοντας τον κύκλο λειτουργίας του σήματος PWM.

Το ποσοστό χρόνου στο οποίο το σήμα PWM παραμένει ΥΨΗΛΟ (στην ώρα) ονομάζεται κύκλος λειτουργίας. Εάν το σήμα είναι πάντα ΕΝΕΡΓΟ, βρίσκεται σε κύκλο λειτουργίας 100% και εάν είναι πάντα σβηστό, είναι κύκλος λειτουργίας 0%. Οι τύποι για τον υπολογισμό του κύκλου λειτουργίας παρουσιάζονται παρακάτω.

Κύκλος λειτουργίας = Χρόνος ενεργοποίησης / (Χρόνος ενεργοποίησης + χρόνος απενεργοποίησης)

Η παρακάτω εικόνα αντιπροσωπεύει σήμα PWM με κύκλο λειτουργίας 50%. Όπως μπορείτε να δείτε, λαμβάνοντας υπόψη μια ολόκληρη χρονική περίοδο (σε χρόνο + χρόνο εκτός λειτουργίας), το σήμα PWM παραμένει ενεργό μόνο για το 50% της χρονικής περιόδου.

Συχνότητα = 1 / Χρονική περίοδος Χρονική περίοδος = Σε χρόνο + Χρόνος εκτός

Κανονικά, τα σήματα PWM που δημιουργούνται από τον μικροελεγκτή θα είναι περίπου 500 Hz, τέτοιες υψηλές συχνότητες θα χρησιμοποιούνται σε συσκευές εναλλαγής υψηλής ταχύτητας όπως μετατροπείς ή μετατροπείς. Όμως δεν απαιτούν όλες οι εφαρμογές υψηλή συχνότητα. Για παράδειγμα, για τον έλεγχο ενός σερβο κινητήρα πρέπει να παράγουμε σήματα PWM με συχνότητα 50Hz, έτσι ώστε η συχνότητα ενός σήματος PWM να ελέγχεται επίσης από πρόγραμμα για όλους τους μικροελεγκτές.

Μερικές συνήθεις ερωτήσεις σχετικά με το PWM

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ του κύκλου λειτουργίας και της συχνότητας ενός σήματος PWM;

Ο κύκλος λειτουργίας και η συχνότητα των σημάτων PWM συχνά συγχέονται. Όπως γνωρίζουμε, ένα σήμα PWM είναι ένα τετράγωνο κύμα με συγκεκριμένο χρόνο και χρόνο εκτός λειτουργίας. Το άθροισμα αυτού του χρόνου και του χρόνου διακοπής ονομάζεται ως μία χρονική περίοδος. Το αντίστροφο μιας χρονικής περιόδου ονομάζεται συχνότητα. Ενώ το χρονικό διάστημα που πρέπει να παραμείνει το σήμα PWM σε μία χρονική περίοδο αποφασίζεται από τον κύκλο Duty του PWM.

Για να το θέσω απλό, πόσο γρήγορα πρέπει να ενεργοποιείται και να απενεργοποιείται το σήμα PWM αποφασίζεται από τη συχνότητα του σήματος PWM και σε αυτήν την ταχύτητα το πόσο καιρό πρέπει να παραμείνει ενεργοποιημένο το σήμα PWM αποφασίζεται από τον κύκλο λειτουργίας του σήματος PWM.

Πώς να μετατρέψετε τα σήματα PWM σε αναλογική τάση;

Για απλές εφαρμογές όπως ο έλεγχος της ταχύτητας ενός κινητήρα DC ή η ρύθμιση της φωτεινότητας ενός LED πρέπει να μετατρέψουμε τα σήματα PWM σε αναλογική τάση. Αυτό μπορεί να γίνει εύκολα χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο RC και χρησιμοποιείται συνήθως όταν απαιτείται δυνατότητα DAC. Το κύκλωμα για το ίδιο φαίνεται παρακάτω

Στο γράφημα που φαίνεται παραπάνω, το κίτρινο χρώμα είναι το σήμα PWM και το μπλε χρώμα είναι η αναλογική τάση εξόδου. Η τιμή της αντίστασης R1 και του πυκνωτή C1 μπορεί να υπολογιστεί με βάση τη συχνότητα του σήματος PWM αλλά συνήθως χρησιμοποιείται αντίσταση 5,7K ή 10K και πυκνωτής 0,1u ή 1u.

Πώς να υπολογίσετε την τάση εξόδου του σήματος PWM;

Η τάση εξόδου ενός σήματος PWM μετά τη μετατροπή του σε αναλογική θα είναι το ποσοστό του κύκλου λειτουργίας. Για παράδειγμα, εάν η τάση λειτουργίας είναι 5V, τότε το σήμα PWM θα έχει επίσης 5V όταν είναι υψηλό. Σε μια τέτοια περίπτωση για έναν κύκλο λειτουργίας 100%, η τάση εξόδου θα είναι 5V για έναν κύκλο λειτουργίας 50% θα είναι 2,5V.

Τάση εξόδου = Κύκλος λειτουργίας (%) * 5

Παραδείγματα:

Έχουμε χρησιμοποιήσει προηγουμένως το PWM με διάφορους μικροελεγκτές σε πολλά από τα έργα μας:

• Διαμόρφωση πλάτους παλμού με ATmega32
• PWM με Arduino Uno
• Δημιουργία PWM χρησιμοποιώντας PIC Microcontroller
• Εκμάθηση Raspberry Pi PWM
• Servo Motor Control με Raspberry Pi
• Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) χρησιμοποιώντας MSP430G2
• Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) σε STM32F103C8
• Servo Motor Control με Raspberry Pi
• Έλεγχος κινητήρα DC με Raspberry Pi
• Dimmer LED 1 watt
• Arduino LED Dimmer με χρήση PWM

Δείτε παρακάτω όλα τα σχετικά έργα PWM