Què és PWM, com mesurar-lo

PWM significa modulació de l'amplada de pols que significa la naturalesa variable de l'amplada de pols que es pot generar a partir d'una font particular, com ara un IC discret, MCU o un circuit transistoritzat.

Què és PWM

En termes simples, un procés PWM no és més que activar i desactivar una tensió d’alimentació a una velocitat concreta amb diferents relacions de temporització ON / OFF, aquí la longitud d’interruptor ON de la tensió pot ser major, menor o igual a la longitud d’interruptor OFF.

Per exemple, un PWM pot consistir en una tensió fixa per activar i desactivar a la velocitat de 2 segons ON 1 segon OFF, 1 segon ON 2 segons OFF o 1 segon ON, 1 segon OFF.

Quan aquesta velocitat d’encesa / apagada d’una tensió d’alimentació s’optimitza de manera diferent, diem que la tensió és modulada per PWM o Pulse Width.

Tots heu de ser ja familiars sobre com apareix un potencial de CC constant en un gràfic de temps de tensió v / s, tal com es mostra a continuació:

A la imatge anterior podem veure una línia recta a nivell de 9V, això s’aconsegueix perquè el nivell de 9V no canvia respecte al temps i, per tant, som capaços de presenciar una línia recta.

Ara bé, si aquest 9V s’encén i s’apaga cada 1 segon, el gràfic anterior es veuria així:

Podem veure clarament que ara la línia de 9V ja no és un valorador de línia recta en forma de blocs després de cada 1 segon, ja que el 9V s’encén i s’apaga alternativament cada segon.

Les traces anteriors semblen blocs de rectangles, ja que quan s’activa i apaga el 9V les operacions són instantànies, cosa que fa que el 9V vagi al nivell zero i, de sobte, al nivell 9V, formant així les formes rectangulars del gràfic.

La condició anterior dóna lloc a una tensió polsant que té dos paràmetres a mesurar: la tensió màxima i la tensió mitjana o la tensió RMS.

Voltatge màxim i mitjà

A la primera imatge, el voltatge màxim és òbviament de 9V, i el voltatge mitjà també és de 9V simplement perquè el voltatge és constant sense interrupcions.

Tanmateix, a la segona imatge, tot i que el voltatge està activat / desactivat a una velocitat d’1 Hz (1 segon ON, 1 segon OFF), el pic continuarà igual a 9V, perquè el pic sempre arriba a la marca de 9V durant els períodes ON. Però el voltatge mitjà aquí no és de 9V, sinó de 4,5V, perquè la fabricació i el trencament del voltatge es fan a un ritme del 50%.

En les discussions sobre PWM, aquesta taxa d’ACTIVACIÓ / APAGADA s’anomena cicle de treball del PWM, per tant, en el cas anterior es tracta d’un cicle de treball del 50%.

Quan mesureu un PWM amb un multímetre digital en un rang de CC, sempre obtindreu la lectura del valor mitjà al comptador.

Els nous aficionats sovint es confonen amb aquesta lectura i la prenen com el valor màxim, que és del tot equivocat.

Com s'ha explicat anteriorment, el valor màxim d'un PWM serà majoritàriament igual a la tensió d'alimentació alimentada al circuit, mentre que el volatge mitjà del mesurador serà la mitjana dels períodes ON / OFF dels PWM.

Canvi de Mosfet amb PWM

Per tant, si canvieu un mosfet amb un PWM i trobeu el voltatge de la porta, per exemple, 3V, no us espanteu, ja que pot ser només el voltatge mitjà indicat pel comptador, el voltatge màxim pot ser tan alt com el subministrament del vostre circuit. voltatge.

Per tant, es podria esperar que el mosfet estigués portant bé i totalment a través d’aquests valors màxims i la tensió mitjana només afectaria el seu període de conducció, no les especificacions de commutació del dispositiu.

Com hem comentat a les seccions anteriors, un PWM implica fonamentalment la variació de l'amplada del pols, és a dir, els períodes ON i OFF del CC.

Suposem, per exemple, que voleu una sortida PWM amb un temps d’ACTIVACIÓ que sigui un 50% inferior al del temps d’ACTIVACIÓ.

Suposem que el temps d’ACTIVACIÓ que heu seleccionat és de 1/2 segon, llavors el temps d’APAGAT seria igual a 1 segon, cosa que donaria lloc a un cicle de treball d’1 / 2 segon d’ACT i 1 segon d’APAGAT, tal com es pot veure al diagrama següent .

Analitzant el cicle de treball de PWM

En aquest exemple, els PWM estan optimitzats per produir una tensió màxima de 9V, però una tensió mitjana de 3,15V, ja que el temps d'encesa és només el 35% d'un cicle complet d'encesa / apagada.

Un cicle complet es refereix al període de temps que permet que el pols donat completi el seu temps d'encesa completa i un temps d'APAGADA.

De la mateixa manera, es pot intentar optimitzar l'amplada del pols d'una freqüència amb les dades següents:

Aquí es pot veure augmentat el temps d’ACTIVACIÓ que el temps d’APAGAT en un 65% en un cicle complet, per tant, aquí el valor mitjà de la tensió es converteix en 5,85V.

La tensió mitjana comentada anteriorment també s'anomena RMS o el valor quadrat mitjà de la tensió.

Com que tots són polsos rectangulars o quadrats, el RMS es pot calcular simplement multiplicant el percentatge del cicle de treball amb el voltatge màxim.

Optimització de PWM per simular Sinewave

Tanmateix, en els casos en què el PWM està optimitzat per simular un impuls de corrent altern, el càlcul del RMS esdevé una mica complex.

Prenguem l'exemple del següent PWM, que està optimitzat per variar l'amplada corresponent a l'amplitud variable o al nivell d'un senyal de CA sinusoïdal.

Podeu obtenir més informació sobre això a través d’un dels meus articles anteriors on he explicat com es pot utilitzar l’IC 555 generant una sortida PWM equivalent a ona sinusoïdal .

Com podem veure a la imatge anterior, l'amplada dels polsos canvia respecte al nivell instantani de l'ona sinusoïdal. A mesura que l’ona sinusoïdal tendeix a assolir el pic, l’amplada corresponent del pols s’amplia i viceversa.

Utilitzant SPWM

Això indica que, com que el nivell de tensió d'ona sinusoïdal canvia constantment amb el temps, els PWM també canvien amb el temps variant constantment les seves amplades. Aquest PWM també es coneix com SPWM o modulació d'amplada de pols de seno ondada.

Així, en el cas anterior, els polsos mai són constants, sinó que canvien les seves amplades de manera diferent amb el temps.

Això fa que el seu RMS o el càlcul del valor mitjà sigui una mica complex i no podem simplement multiplicar el cicle de treball amb el voltatge màxim per aconseguir el RMS.

Tot i que la fórmula real per obtenir l'expressió RMS és bastant complexa, després de les derivacions adequades, la implementació final es fa bastant fàcil.

Càlcul de la tensió RMS d’un PWM

Per tant, per al càlcul de RMS d'una tensió PWM variable en resposta a una ona sinusoïdal es pot adquirir multiplicant 0,7 (constant) amb el voltatge màxim.

Així doncs, per a un pic de 9V obtenim 9 x 0,7 = 6,3V, és a dir, la tensió RMS o el valor mitjà d’un PWM de pic a 9V que simula una ona sinusoïdal.

Paper de PWM als circuits electrònics?

Trobareu que el concepte PWM està essencialment associat amb
dissenys de circuits que tenen inductors implicats sobretot en topologies de buck boost, com ara inversors, SMPS , MPPT, circuits de controladors LED, etc.

Sense un inductor, una característica PWM podria no tenir cap valor o funció real en un circuit determinat, això es deu al fet que només un inductor té la característica inherent de transformar una amplada de pols variable en una quantitat equivalent d’augmentat (augmentat) o baixat (reduït) tensió o corrent, que es converteix en l'única i única idea d'una tecnologia PWM.

Ús de PWM amb inductors

Per entendre com PWM afecta una sortida d’inductor en termes de tensió i corrent, primer seria important aprendre com es comporta un inductor en la influència d’un voltatge polsant.

En una de les meves publicacions anteriors vaig explicar sobre com funciona un circuit d’augment de dòlars , aquest és un exemple clàssic per demostrar com es poden utilitzar PWM o una amplada de pols variable per dimensionar una sortida d’inductor.

És ben sabut que per 'naturalesa' un inductor sempre s'oposa a una sobtada aplicació de tensió a través seu i li permet passar només després d'un cert temps segons les seves especificacions de bobinatge, i durant aquest procés emmagatzema una quantitat equivalent d'energia a això.

Ara bé, en el transcurs del procés anterior, la tensió es torna a apagar de sobte, l’inductor torna a no poder fer front a aquesta sobtada desaparició de la tensió aplicada i intenta equilibrar-la alliberant el corrent emmagatzemat.

Reacció de l’inductor a PWM

Així, un inductor intentarà oposar-se a l’encès de la tensió emmagatzemant el corrent i intentarà igualar-se en resposta a un sobtat apagat de la tensió fent “retrocedir” l’energia emmagatzemada al sistema.

Aquest retrocés s’anomena CEM posterior d’un inductor i el contingut d’aquesta energia (tensió, corrent) dependrà de les especificacions del bobinatge de l’inductor.

Bàsicament, el nombre de voltes decideix si la CEM hauria de ser més alta en tensió que la tensió d’alimentació o inferior a la tensió d’alimentació, i el gruix del cable decideix la quantitat de corrent que l’inductor pot ser capaç de generar.

Hi ha un altre aspecte de l'inductor anterior, que és el moment dels períodes d'encesa / apagada de la tensió.

Aquí és on l’ús d’un PWM esdevé crucial.

Tot i que el nombre de voltes determina fonamentalment els valors de sortida per a un determinat, aquests també poden variar com es desitgi alimentant un introductor PWM optimitzat a un inductor.

Mitjançant un PWM variable podem forçar un inductor a generar / convertir tensions i corrents a qualsevol velocitat desitjada, ja sigui com a tensió augmentada (corrent reduït), o intensitat (tensió reduïda) o viceversa.

En algunes aplicacions, es pot utilitzar un PWM fins i tot sense un inductor, com per atenuar una llum LED o en circuits de temporitzador MCU, on la sortida es pot optimitzar per generar tensions a diferents interruptors ON, desactivar els períodes per controlar una càrrega segons les seves especificacions de treball previstes.