PWM คืออะไรวิธีการวัด

PWM ย่อมาจากการมอดูเลตความกว้างพัลส์ซึ่งหมายถึงลักษณะตัวแปรของความกว้างพัลส์ที่อาจสร้างขึ้นจากแหล่งเฉพาะเช่น IC แบบไม่ต่อเนื่อง MCU หรือวงจรทรานซิสเตอร์

PWM คืออะไร

กล่าวง่ายๆคือกระบวนการ PWM ไม่ใช่อะไรนอกจากการเปิดและปิดแรงดันไฟฟ้าในอัตราเฉพาะที่มีอัตราส่วนเวลาเปิด / ปิดที่แตกต่างกันที่นี่ความยาวของแรงดันไฟฟ้าของสวิตช์เปิดอาจมากกว่าเล็กกว่าหรือเท่ากับความยาวของสวิตช์ปิด

ตัวอย่างเช่น PWM อาจประกอบด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่เพื่อเปิดและปิดในอัตรา 2 วินาทีเปิด 1 วินาทีปิด 1 วินาทีเปิด 2 วินาทีปิดหรือเปิด 1 วินาทีปิด 1 วินาที

เมื่ออัตราการเปิด / ปิดของแรงดันไฟฟ้ามีการปรับให้เหมาะสมแตกต่างกันเราจะบอกว่าแรงดันไฟฟ้าเป็นแบบ PWM หรือ Pulse Width มอดูเลต

คุณทุกคนต้องคุ้นเคยอยู่แล้วเกี่ยวกับการแสดงศักย์ไฟฟ้ากระแสตรงบนกราฟเวลาแรงดันไฟฟ้า v / s ดังที่แสดงด้านล่าง:

ในภาพด้านบนเราสามารถเห็นเส้นตรงที่ระดับ 9V ซึ่งเกิดขึ้นได้เนื่องจากระดับ 9V ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาดังนั้นเราจึงสามารถเห็นเส้นตรงได้

ตอนนี้ถ้า 9V นี้เปิดและปิดทุก ๆ 1 วินาทีกราฟด้านบนจะมีลักษณะดังนี้:

เราจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าตอนนี้สาย 9V ไม่ได้เป็นเครื่องวัดเส้นตรงในรูปแบบของบล็อกอีกต่อไปหลังจากทุกๆ 1 วินาทีเนื่องจาก 9V จะเปิดและปิดทุกวินาทีสลับกันไป

ร่องรอยด้านบนดูเหมือนบล็อกสี่เหลี่ยมผืนผ้าเพราะเมื่อ 9V เปิดและปิดการดำเนินการจะเกิดขึ้นทันทีทันใดซึ่งทำให้ 9V ไปที่ระดับศูนย์จากนั้นไปที่ระดับ 9V โดยทันทีจึงสร้างรูปทรงสี่เหลี่ยมบนกราฟ

เงื่อนไขข้างต้นก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าแบบกะพริบซึ่งมีพารามิเตอร์สองตัวที่ต้องวัด ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าสูงสุดและแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยหรือแรงดันไฟฟ้า RMS

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดและเฉลี่ย

ในภาพแรกเห็นได้ชัดว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดคือ 9V และแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยคือ 9V เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าคงที่โดยไม่มีการหยุดพัก

อย่างไรก็ตามในภาพที่สองแม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะเปิด / ปิดที่อัตรา 1 เฮิรตซ์ (เปิด 1 วินาที, ปิด 1 วินาที) จุดสูงสุดจะยังคงเท่ากับ 9V เนื่องจากจุดสูงสุดจะถึงเครื่องหมาย 9V ในช่วง ON เสมอ แต่แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่นี่ไม่ใช่ 9V แทนที่จะเป็น 4.5V เนื่องจากการสร้างและการแตกของแรงดันไฟฟ้าทำได้ในอัตรา 50%

ในการอภิปราย PWM อัตราการเปิด / ปิดนี้เรียกว่าวัฏจักรการทำงานของ PWM ดังนั้นในกรณีข้างต้นจึงเป็นรอบการทำงาน 50%

เมื่อคุณวัด PWM ด้วยดิจิตอลมัลติมิเตอร์ในช่วง DC คุณจะได้ค่าเฉลี่ยที่อ่านได้บนมิเตอร์เสมอ

นักเล่นอดิเรกใหม่ ๆ มักจะสับสนกับการอ่านนี้และถือว่าเป็นค่าสูงสุดซึ่งผิดอย่างสิ้นเชิง

ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นค่าสูงสุดของ PWM ส่วนใหญ่จะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าสู่วงจรในขณะที่ค่าเฉลี่ยของโวลต์มิเตอร์จะเป็นค่าเฉลี่ยของช่วงเวลาเปิด / ปิดของ PWM

การสลับ Mosfet กับ PWM

ดังนั้นหากคุณเปลี่ยน mosfet ด้วย PWM และพบว่าแรงดันเกตเป็นเช่น 3V อย่าตกใจเพราะนี่อาจเป็นเพียงแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่มิเตอร์ระบุแรงดันไฟฟ้าสูงสุดอาจสูงถึงแหล่งจ่ายของวงจร แรงดันไฟฟ้า.

ดังนั้นจึงคาดว่า mosfet จะทำงานได้ดีและเต็มที่ผ่านค่าสูงสุดเหล่านี้และแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยจะมีผลเฉพาะช่วงเวลาการนำไฟฟ้าเท่านั้นไม่ใช่ข้อมูลจำเพาะการสลับของอุปกรณ์

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วในส่วนก่อนหน้านี้โดยพื้นฐานแล้ว PWM จะเกี่ยวข้องกับความกว้างของพัลส์ที่แตกต่างกันกล่าวคือช่วงเวลาเปิดและปิดของ DC

สมมติว่าคุณต้องการเอาต์พุต PWM ที่มีเวลา ON ซึ่งน้อยกว่าเวลา ON 50%

สมมติว่าคุณเลือกเวลา ON คือ 1/2 วินาทีจากนั้นเวลา OFF จะเท่ากับ 1 วินาทีซึ่งจะทำให้เกิดรอบการทำงาน 1/2 วินาทีและ 1 วินาทีปิดดังที่เห็นในแผนภาพต่อไปนี้ .

การวิเคราะห์วัฏจักรหน้าที่ของ PWM

ในตัวอย่างนี้ PWM ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ 9V แต่แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ย 3.15V เนื่องจากเวลา ON เป็นเพียง 35% ของรอบการเปิด / ปิดที่สมบูรณ์หนึ่งรอบ

หนึ่งรอบที่สมบูรณ์หมายถึงช่วงเวลาที่อนุญาตให้พัลส์ที่กำหนดทำเวลาเปิดเต็มหนึ่งครั้งและปิดหนึ่งครั้ง

ในทำนองเดียวกันอาจตั้งใจที่จะปรับความกว้างพัลส์ของความถี่ให้เหมาะสมด้วยข้อมูลต่อไปนี้:

ที่นี่เวลา ON สามารถมองเห็นได้เพิ่มขึ้นกว่าเวลาปิด 65% ในหนึ่งรอบเต็มดังนั้นค่าเฉลี่ยของแรงดันไฟฟ้าจึงกลายเป็น 5.85V

แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่กล่าวถึงข้างต้นเรียกอีกอย่างว่า RMS หรือค่ากำลังสองเฉลี่ยรากของแรงดันไฟฟ้า

เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เป็นพัลส์สี่เหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยมทั้งหมดจึงสามารถคำนวณ RMS ได้ง่ายๆโดยการคูณเปอร์เซ็นต์รอบการทำงานกับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด

การเพิ่มประสิทธิภาพ PWM เพื่อจำลอง Sinewave

อย่างไรก็ตามในกรณีที่ PWM ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อจำลองพัลส์ AC การคำนวณสำหรับ RMS จะซับซ้อนเล็กน้อย

ลองดูตัวอย่างของ PWM ต่อไปนี้ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมกับความกว้างที่แตกต่างกันไปตามแอมพลิจูดที่แตกต่างกันหรือระดับของสัญญาณ Sinusoidal AC

คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งนี้ได้จากบทความก่อนหน้าของฉันซึ่งฉันได้อธิบายวิธีใช้ IC 555 สำหรับ สร้างเอาต์พุต PWM เทียบเท่าคลื่นไซน์ .

ดังที่เราเห็นในภาพด้านบนความกว้างของพัลส์กำลังเปลี่ยนไปตามระดับของคลื่นไซน์ทันที เมื่อคลื่นไซน์มีแนวโน้มที่จะไปถึงจุดสูงสุดความกว้างที่สอดคล้องกันของพัลส์จะกว้างขึ้นและในทางกลับกัน

ใช้ SPWM

สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเนื่องจากระดับแรงดันไฟฟ้าของคลื่นไซน์มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามเวลา PWM จึงเปลี่ยนไปตามเวลาด้วยโดยการเปลี่ยนแปลงความกว้างอย่างต่อเนื่อง PWM ดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่า SPWM หรือ Sinewave Pulse Width Modulation

ดังนั้นในกรณีข้างต้นพัลส์จะไม่คงที่ แต่จะเปลี่ยนความกว้างแตกต่างกันไปตามเวลา

สิ่งนี้ทำให้ RMS หรือการคำนวณค่าเฉลี่ยมีความซับซ้อนเล็กน้อยและเราไม่สามารถคูณรอบหน้าที่ด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่นี่เพื่อให้ได้ RMS

แม้ว่าสูตรที่แท้จริงในการหานิพจน์ RMS จะค่อนข้างซับซ้อน แต่หลังจากได้มาอย่างเหมาะสมแล้วการนำไปใช้ขั้นสุดท้ายก็ทำได้ง่ายมาก

การคำนวณแรงดัน RMS ของ PWM

ดังนั้นสำหรับการคำนวณ RMS ของแรงดันไฟฟ้า PWM ที่แตกต่างกันในการตอบสนองต่อคลื่นไซน์อาจได้มาจากการคูณ 0.7 (ค่าคงที่) กับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด

ดังนั้นสำหรับจุดสูงสุด 9V เราจะได้ 9 x 0.7 = 6.3V นั่นคือแรงดัน RMS หรือค่าเฉลี่ยของจุดสูงสุด 9V ถึงจุดสูงสุด PWM โดยจำลองคลื่นไซน์

บทบาทของ PWM ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์?

คุณจะพบว่าแนวคิด PWM มีความเกี่ยวข้องเป็นหลัก
การออกแบบวงจรที่มีตัวเหนี่ยวนำเกี่ยวข้องโดยเฉพาะโทโพโลยีที่เพิ่มบัคเช่นอินเวอร์เตอร์ SMPS , MPPT, วงจรขับ LED เป็นต้น

หากไม่มีตัวเหนี่ยวนำคุณลักษณะ PWM อาจไม่มีค่าหรือบทบาทที่แท้จริงในวงจรที่กำหนดเนื่องจากมีเพียงตัวเหนี่ยวนำเท่านั้นที่มีคุณสมบัติโดยธรรมชาติในการเปลี่ยนความกว้างพัลส์ที่แตกต่างกันไปเป็นจำนวนก้าวที่เท่ากัน (เพิ่มขึ้น) หรือลดขั้นลง (bucked) แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าซึ่งกลายเป็นแนวคิดทั้งหมดของเทคโนโลยี PWM

การใช้ PWM กับตัวเหนี่ยวนำ

เพื่อให้เข้าใจว่า PWM มีผลต่อเอาต์พุตของตัวเหนี่ยวนำในแง่ของแรงดันและกระแสอย่างไรสิ่งสำคัญอันดับแรกคือต้องเรียนรู้ว่าตัวเหนี่ยวนำทำงานอย่างไรในอิทธิพลของแรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์

ในโพสต์ก่อนหน้านี้ของฉันฉันได้อธิบายเกี่ยวกับ วงจรบูสต์บัคทำงานอย่างไร นี่เป็นตัวอย่างคลาสสิกที่แสดงให้เห็นว่า PWM หรือความกว้างพัลส์ที่แตกต่างกันสามารถใช้เพื่อกำหนดขนาดเอาต์พุตตัวเหนี่ยวนำได้อย่างไร

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าโดยธรรมชาติแล้วตัวเหนี่ยวนำจะต่อต้านการใช้แรงดันไฟฟ้าอย่างกะทันหันและปล่อยให้มันผ่านไปหลังจากเวลาผ่านไประยะหนึ่งเท่านั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดที่คดเคี้ยวและในระหว่างกระบวนการนี้จะเก็บพลังงานไว้ในปริมาณที่เท่ากัน มัน.

ตอนนี้หากในกระบวนการข้างต้นแรงดันไฟฟ้าถูกปิดกะทันหันตัวเหนี่ยวนำอีกครั้งจะไม่สามารถรับมือกับการหายไปอย่างกะทันหันของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และพยายามปรับสมดุลโดยปล่อยกระแสไฟฟ้าที่เก็บไว้ในนั้น

ปฏิกิริยาของตัวเหนี่ยวนำต่อ PWM

ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำจะพยายามต่อต้านการเปิดสวิตช์โดยการจัดเก็บกระแสและพยายามทำให้เท่ากันเพื่อตอบสนองต่อการปิดสวิตช์แรงดันอย่างกะทันหันโดยการ 'เตะ' พลังงานที่เก็บไว้กลับเข้าสู่ระบบ

การย้อนกลับนี้เรียกว่า EMF ด้านหลังของตัวเหนี่ยวนำและเนื้อหาของพลังงานนี้ (แรงดันไฟฟ้ากระแสไฟฟ้า) จะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของขดลวดเหนี่ยวนำ

โดยทั่วไปจำนวนรอบจะตัดสินว่า EMF ควรมีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าหรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าและความหนาของเส้นลวดจะเป็นตัวกำหนดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ตัวเหนี่ยวนำอาจสามารถแสดงได้

มีอีกแง่มุมหนึ่งของตัวเหนี่ยวนำด้านบนซึ่งเป็นเวลาของช่วงเวลาเปิด / ปิดแรงดันไฟฟ้า

นั่นคือจุดที่การใช้ PWM กลายเป็นสิ่งสำคัญ

แม้ว่าจำนวนรอบโดยพื้นฐานจะกำหนดค่าเอาต์พุตสำหรับรายการใดรายการหนึ่ง แต่สิ่งเหล่านี้ยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามต้องการโดยป้อนตัวเหนี่ยวนำ PWM ที่ปรับให้เหมาะสม

ผ่านตัวแปร PWM เราสามารถบังคับให้ตัวเหนี่ยวนำสร้าง / แปลงแรงดันไฟฟ้าและกระแสในอัตราที่ต้องการไม่ว่าจะเป็นแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น (กระแสที่ลดลง) หรือกระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น (แรงดันไฟฟ้าที่ลดลง) หรือในทางกลับกัน

ในบางแอพพลิเคชั่นอาจใช้ PWM ได้แม้ไม่มีตัวเหนี่ยวนำเช่นเพื่อลดแสงไฟ LED หรือในวงจรจับเวลา MCU ซึ่งเอาต์พุตอาจได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สวิตช์เปิดที่แตกต่างกันปิดช่วงเวลาปิดเพื่อควบคุมโหลดตาม ข้อกำหนดการทำงานที่ตั้งใจไว้