Co to jest pwm: modulacja szerokości impulsu

Przetwornice, konwertery, obwody SMPS i regulatory prędkości… Wspólną rzeczą we wszystkich tych obwodach jest to, że składają się one z wielu przełączników elektronicznych. Przełączniki te to nic innego jak urządzenia energoelektroniczne, takie jak MOSFET, IGBT, TRIAC itp. Aby sterować takimi przełącznikami energoelektronicznymi, powszechnie używamy czegoś, co nazywa się sygnałami PWM (modulacja szerokości impulsu). Oprócz tego sygnały PWM są również wykorzystywane do sterowania serwomotorami, a także do innych prostych zadań, takich jak sterowanie jasnością diody LED.

W naszym poprzednim artykule dowiedzieliśmy się o ADC, podczas gdy ADC służy do odczytu sygnałów analogowych przez urządzenie cyfrowe, takie jak mikrokontroler. PWM można uznać za jego dokładne przeciwieństwo, PWM służy do wytwarzania sygnałów analogowych z urządzenia cyfrowego, takiego jak mikrokontroler. W tym artykule dowiemy się, czym są sygnały PWM, PWM i niektóre parametry z nimi związane, dzięki czemu będziemy mieć pewność ich wykorzystania w naszych projektach.

Co to jest PWM (modulacja szerokości impulsu)?

PWM oznacza modulację szerokości impulsu; powód takiej nazwy przejdziemy później. Ale na razie rozumiemy PWM jako rodzaj sygnału, który można wytworzyć z cyfrowego układu scalonego, takiego jak mikrokontroler lub zegar 555. Tak wytworzony sygnał będzie miał ciąg impulsów, które będą miały postać fali prostokątnej. Oznacza to, że w dowolnym momencie fala będzie albo wysoka, albo niska. Dla ułatwienia rozważmy sygnał PWM o napięciu 5 V, w tym przypadku sygnał PWM będzie albo 5 V (wysoki), albo na poziomie gruntu 0 V (niski). Czas, w którym sygnał pozostaje wysoki, nazywany jest „ czasem włączenia ”, a czas, w którym sygnał pozostaje niski, nazywany jest „ czasem wyłączenia ”.

W przypadku sygnału PWM musimy przyjrzeć się dwóm ważnym parametrom związanym z nim, jeden to cykl pracy PWM, a drugi to częstotliwość PWM.

Cykl pracy PWM

Jak powiedziano wcześniej, sygnał PWM pozostaje włączony przez określony czas, a następnie pozostaje wyłączony przez resztę tego okresu. To, co czyni ten sygnał PWM wyjątkowym i bardziej użytecznym, polega na tym, że możemy ustawić, jak długo powinien pozostać, kontrolując cykl pracy sygnału PWM.

Procent czasu, w którym sygnał PWM pozostaje WYSOKI (w czasie) jest nazywany cyklem pracy. Jeśli sygnał jest zawsze włączony, to jest w 100% cyklu pracy, a jeśli jest zawsze wyłączony, to cykl pracy 0%. Poniżej przedstawiono wzory do obliczania cyklu pracy.

Cykl pracy = czas włączenia / (czas włączenia + czas wyłączenia)

Poniższy obraz przedstawia sygnał PWM z 50% cyklem pracy. Jak widać, biorąc pod uwagę cały okres czasu (czas włączenia + czas wyłączenia), sygnał PWM pozostaje włączony tylko przez 50% okresu.

Częstotliwość = 1 / Okres Czas Okres = Czas włączenia + Czas wyłączenia

Zwykle sygnały PWM generowane przez mikrokontroler będą miały około 500 Hz, takie wysokie częstotliwości będą używane w szybkich urządzeniach przełączających, takich jak falowniki lub konwertery. Ale nie wszystkie aplikacje wymagają wysokiej częstotliwości. Na przykład, aby sterować serwomotorem, musimy wytwarzać sygnały PWM o częstotliwości 50 Hz, więc częstotliwość sygnału PWM jest również kontrolowana programowo dla wszystkich mikrokontrolerów.

Kilka często pojawiających się pytań dotyczących PWM

Jaka jest różnica między cyklem pracy a częstotliwością sygnału PWM?

Cykl pracy i częstotliwość sygnałów PWM są często mylone. Jak wiemy, sygnał PWM jest falą prostokątną z określonym czasem włączenia i wyłączenia. Suma tego czasu i czasu wolnego jest nazywana jednym okresem czasu. Odwrotność jednego okresu nazywa się częstotliwością. O ile czas, przez jaki sygnał PWM powinien pozostać włączony w jednym okresie, jest określany przez cykl pracy PWM.

Mówiąc prościej, o tym, jak szybko sygnał PWM powinien się włączać i wyłączać, decyduje częstotliwość sygnału PWM, a przy tej szybkości, jak długo sygnał PWM powinien pozostać włączony, decyduje cykl pracy sygnału PWM.

Jak przekonwertować sygnały PWM na napięcie analogowe?

W przypadku prostych zastosowań, takich jak sterowanie prędkością silnika prądu stałego lub regulacja jasności diody LED, musimy przekształcić sygnały PWM na napięcie analogowe. Można to łatwo zrobić za pomocą filtra RC i jest powszechnie używane tam, gdzie wymagana jest funkcja DAC. Obwód tego samego pokazano poniżej

Na powyższym wykresie żółty to sygnał PWM, a niebieski to wyjściowe napięcie analogowe. Wartość rezystora R1 i kondensatora C1 można obliczyć na podstawie częstotliwości sygnału PWM, ale zwykle używany jest rezystor 5,7K lub 10K i kondensator 0,1u lub 1u.

Jak obliczyć napięcie wyjściowe sygnału PWM?

Napięcie wyjściowe sygnału PWM po przekształceniu go na analogowy będzie procentem cyklu pracy. Na przykład, jeśli napięcie robocze wynosi 5 V, sygnał PWM będzie również miał 5 V, gdy jest wysoki. W takim przypadku dla 100% cyklu pracy napięcie wyjściowe będzie wynosić 5 V, a dla 50% cyklu pracy 2,5 V.

Napięcie wyjściowe = cykl pracy (%) * 5

Przykłady:

Wcześniej używaliśmy PWM z różnymi mikrokontrolerami w wielu naszych projektach:

• Modulacja szerokości impulsu z ATmega32
• PWM z Arduino Uno
• Generowanie PWM za pomocą mikrokontrolera PIC
• Samouczek Raspberry Pi PWM
• Sterowanie serwomotorem z Raspberry Pi
• Modulacja szerokości impulsu (PWM) przy użyciu MSP430G2
• Modulacja szerokości impulsu (PWM) w STM32F103C8
• Sterowanie serwomotorem z Raspberry Pi
• Sterowanie silnikiem DC z Raspberry Pi
• Ściemniacz LED 1 wat
• Ściemniacz LED oparty na Arduino wykorzystujący PWM

Sprawdź tutaj wszystkie projekty związane z PWM.