Impulsbreitengenerator. Pulsweitenmodulation (PWM). Was ist ein PWM-Regler?

Notwendigkeit Gleichspannungsregelung Der Antrieb starker Trägheitslasten erfolgt am häufigsten bei Besitzern von Autos und anderen Auto-Moto-Geräten. Es bestand beispielsweise der Wunsch, die Helligkeit von Innenbeleuchtungslampen, Standlichtern oder Autoscheinwerfern stufenlos zu ändern, oder die Einheit zur Regulierung der Geschwindigkeit des Lüfters der Autoklimaanlage ist ausgefallen und es gibt keinen Ersatz.
Manchmal ist es aufgrund des hohen Stromverbrauchs dieser Geräte – wenn Sie sie installieren – nicht möglich, einen solchen Wunsch zu erfüllen Transistor-Spannungsregler Ob kompensierend oder parametrisch, der Regeltransistor gibt eine sehr hohe Leistung ab, was die Installation großer Kühler oder die Einführung einer Zwangskühlung mit einem kleinen Lüfter von Computergeräten erfordert.

Der Ausweg besteht darin, Pulsweitenschaltungen zu verwenden, die leistungsstarke Feldeffekt-Leistungstransistoren steuern MOSFET . Diese Transistoren können sehr hohe Ströme (bis zu 160 A oder mehr) bei einer Gate-Spannung von 12 – 15 V schalten. Der Widerstand eines offenen Transistors ist sehr niedrig, was eine deutliche Reduzierung der Verlustleistung ermöglicht. Steuerschaltungen müssen eine Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source von mindestens 12 ... 15 V gewährleisten, da sonst der Kanalwiderstand stark ansteigt und die Verlustleistung deutlich zunimmt, was zu einer Überhitzung des Transistors und seinem Ausfall führen kann. Für Pulsweiten-Niederspannungsregler im Automobilbereich werden beispielsweise spezielle Mikroschaltungen hergestellt U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611, die eine Einheit zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf 25–30 V bei einer Versorgungsspannung von 7–14 V enthalten, die es Ihnen ermöglicht, den Ausgangstransistor nach einer Schaltung mit gemeinsamem Drain einzuschalten, so dass Sie eine Last anschließen können ein häufiger Nachteil, aber es ist fast unmöglich, sie zu bekommen. Für die meisten Lasten, die einen Strom von nicht mehr als 10 A verbrauchen und keinen Abfall der Bordspannung verursachen können, können Sie verwenden einfache Schaltungen ohne zusätzliche Spannungserhöhungseinheit.

Erste PWM-Regler zusammengebaut beiLogik-K-WechselrichterMOS-Chips. Die Schaltung ist ein Rechteckimpulsgenerator auf zwei logische Elemente, bei dem aufgrund von Dioden die Zeitkonstante des Ladens und Entladens des Frequenzeinstellkondensators separat geändert wird, wodurch Sie das Tastverhältnis der Ausgangsimpulse und den Wert der effektiven Spannung an der Last ändern können.

Die Schaltung kann beliebige invertierende CMOS-Elemente, zum Beispiel K176PU2, K561LN1, sowie beliebige UND-, ODER-NICHT-Elemente, zum Beispiel K561LA7, K561LE5 und dergleichen, verwenden und ihre Eingänge entsprechend gruppieren. Der Feldeffekttransistor kann ein beliebiger sein MOSFET, der dem maximalen Laststrom standhalten kann, es empfiehlt sich jedoch, einen Transistor mit möglichst hohem Maximalstrom zu verwenden, weil es hat weniger Widerstand offener Kanal, was die Verlustleistung reduziert und die Verwendung eines kleineren Kühlers ermöglicht.
Vorteile des PWM-Controllers auf dem K561LN2-Chip - Einfachheit und Zugänglichkeit der Elemente,
Mängel- Der Bereich der Ausgangsspannungsänderungen beträgt etwas weniger als 100 % und es ist nicht möglich, die Schaltung zu ändern, um zusätzliche Modi einzuführen, z. B. Glätten automatische Erhöhung oder die Spannung an der Last reduzieren, weil Die Regelung erfolgt durch Änderung des Widerstandswerts eines variablen Widerstands und nicht durch Änderung des Pegels der Steuerspannung.

Viel beste Eigenschaften Das zweite Schema hat dies, aber die Anzahl der darin enthaltenen Elemente ist etwas größer.

Der effektive Spannungswert an der Last wird von 0 bis 12 V eingestellt, indem die Spannung am Steuereingang von 8 auf 12 V geändert wird. Der Spannungseinstellbereich beträgt nahezu 100 %. Der maximale Laststrom wird vollständig durch die Art des Leistungs-Feldeffekttransistors bestimmt und kann sehr groß sein. Als Ausgangsspannung proportional zur Eingangssteuerspannung, die Schaltung kann als verwendet werden Komponente Regulierungssysteme, beispielsweise Wartungssysteme Temperatur einstellen, wenn Sie als Last eine Heizung verwenden und den Temperatursensor an einen einfachen Proportionalregler anschließen, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Gerätes verbunden ist. Die beschriebenen Geräte basieren jedoch auf einem asymmetrischen Multivibrator PWM-Regler kann auf einem wartenden Multivibratorchip aufgebaut werden

Eine gute Definition der Pulsweitenmodulation (PWM) steckt bereits im Namen. Dies bedeutet, dass die Impulsbreite (nicht die Frequenz) moduliert (verändert) wird. Um besser zu verstehen Was ist PWM? Schauen wir uns zunächst einige Highlights an.

Mikrocontroller sind intelligente digitale Komponenten, die auf Basis binärer Signale arbeiten. Die beste Darstellung eines binären Signals ist eine Rechteckwelle (ein Signal mit rechteckiger Form). Das folgende Diagramm erläutert die grundlegenden Begriffe im Zusammenhang mit der Rechteckwelle.

In einem PWM-Signal ist die Zeit (Periode) und damit die Frequenz immer ein konstanter Wert. Lediglich die Ein- und Ausschaltzeit des Impulses (Tastverhältnis) ändert sich. Benutzen diese Methode Modulation können wir die Spannung bekommen, die wir brauchen.

Der einzige Unterschied zwischen einer Rechteckwelle und einem PWM-Signal besteht darin, dass eine Rechteckwelle gleiche und konstante Ein- und Ausschaltzeiten hat (50 % Tastverhältnis), während ein PWM-Signal ein variables Tastverhältnis hat.

Eine Rechteckwelle kann als Sonderfall eines PWM-Signals betrachtet werden, das ein Tastverhältnis von 50 % aufweist (Ein-Periode = Aus-Periode).

Schauen wir uns das Beispiel der Verwendung von PWM an

Nehmen wir an, wir haben eine Versorgungsspannung von 50 Volt und müssen eine Last versorgen, die mit 40 Volt arbeitet. In diesem Fall gute Möglichkeit Um aus 50 V 40 V zu gewinnen, muss ein sogenannter Step-Down-Chopper (Chopper) verwendet werden.

Das vom Chopper erzeugte PWM-Signal wird dem Leistungsteil der Schaltung (Thyristor, Feldeffekttransistor) zugeführt, der wiederum die Last steuert. Dieses PWM-Signal kann leicht von einem Mikrocontroller mit Timer erzeugt werden.

Voraussetzungen für ein PWM-Signal, um mithilfe eines Thyristors 40 V aus 50 V zu erhalten: Stromversorgung für eine Zeit = 400 ms und Ausschalten für eine Zeit = 100 ms (unter Berücksichtigung der PWM-Signalperiode von 500 ms).

Allgemein lässt sich dies leicht wie folgt erklären: Grundsätzlich fungiert ein Thyristor als Schalter. Die Last erhält über einen Thyristor Versorgungsspannung von der Quelle. Wenn der Thyristor ausgeschaltet ist, ist die Last nicht mit der Quelle verbunden, und wenn der Thyristor eingeschaltet ist, ist die Last mit der Quelle verbunden.

Dieser Vorgang des Ein- und Ausschaltens des Thyristors erfolgt über ein PWM-Signal.

Das Verhältnis der Periode eines PWM-Signals zu seiner Dauer wird als Tastverhältnis des Signals bezeichnet, und der Kehrwert des Tastverhältnisses wird als Tastverhältnis bezeichnet.

Wenn das Tastverhältnis 100 beträgt, liegt in diesem Fall ein konstantes Signal vor.

Somit kann die Einschaltdauer (Duty Cycle) nach folgender Formel berechnet werden:

Mit den obigen Formeln können wir die Einschaltzeit des Thyristors berechnen, um die benötigte Spannung zu erhalten.

Indem wir das Tastverhältnis der Impulse mit 100 multiplizieren, können wir dies als Prozentsatz darstellen. Somit ist der Prozentsatz des Impulstastverhältnisses direkt proportional zum ursprünglichen Spannungswert. Wenn wir im obigen Beispiel 40 Volt von einer 50-Volt-Stromversorgung erhalten möchten, kann dies durch die Erzeugung eines Signals mit einem Arbeitszyklus von 80 % erreicht werden. Denn 80 % von 50 statt 40.

Um das Material zu konsolidieren, lösen wir das folgende Problem:

• Berechnen wir die Ein- und Ausschaltdauer eines Signals mit einer Frequenz von 50 Hz und einem Tastverhältnis von 60 %.

Die resultierende PWM-Welle sieht folgendermaßen aus:

Eines der besten Beispiele für die Verwendung von Pulsweitenmodulation ist die Verwendung von PWM zur Anpassung der Drehzahl eines Motors oder der Helligkeit einer LED.

Diese Technik zur Änderung der Impulsbreite, um das erforderliche Tastverhältnis zu erhalten, wird „Pulsweitenmodulation“ genannt.

Pulsweitenmodulation(PWM) ist ein Signalumwandlungsverfahren, bei dem sich die Pulsdauer (Tastverhältnis) ändert, die Frequenz jedoch konstant bleibt. In der englischen Terminologie wird es als PWM (Pulse-Width-Modulation) bezeichnet. In diesem Artikel schauen wir uns im Detail an, was PWM ist, wo es eingesetzt wird und wie es funktioniert.

Anwendungsgebiet

Mit der Entwicklung der Mikrocontroller-Technologie haben sich für PWM neue Möglichkeiten eröffnet. Dieses Prinzip wurde zur Grundlage für elektronische Geräte Dies erfordert sowohl eine Anpassung der Ausgabeparameter als auch deren Aufrechterhaltung auf einem bestimmten Niveau. Das Verfahren der Pulsweitenmodulation wird zur Änderung der Lichthelligkeit, der Drehzahl von Motoren sowie zur Steuerung des Leistungstransistors von Pulsnetzteilen (PSUs) verwendet.

Die Pulsweitenmodulation (PW) wird aktiv beim Aufbau von LED-Helligkeitssteuerungssystemen eingesetzt. Aufgrund der geringen Trägheit hat die LED Zeit, mit einer Frequenz von mehreren zehn kHz zu schalten (zu blinken und zu erlöschen). Sein Betrieb im Pulsmodus wird vom menschlichen Auge als konstantes Leuchten wahrgenommen. Die Helligkeit wiederum hängt von der Dauer des Impulses (offener Zustand der LED) während einer Periode ab. Wenn die Impulszeit gleich der Pausenzeit ist, also das Tastverhältnis 50 % beträgt, beträgt die Helligkeit der LED die Hälfte des Nennwerts. Mit Popularisierung LED Lampen Bei 220 V stellte sich die Frage, die Zuverlässigkeit ihres Betriebs bei instabiler Eingangsspannung zu erhöhen. Die Lösung wurde in Form einer universellen Mikroschaltung gefunden – einem Leistungstreiber, der nach dem Prinzip der Pulsweiten- oder Pulsfrequenzmodulation arbeitet. Eine auf einem dieser Treiber basierende Schaltung wird ausführlich beschrieben.

Die am Eingang des Treiberchips anliegende Netzspannung wird ständig mit der Referenzspannung im Schaltkreis verglichen und erzeugt am Ausgang ein PWM-Signal (PWM), dessen Parameter durch externe Widerstände eingestellt werden. Einige Mikroschaltungen verfügen über einen Pin zur Versorgung von Analog- oder Digitalsignal Management. Somit kann der Betrieb des Impulstreibers mithilfe eines anderen PHI-Wandlers gesteuert werden. Interessant ist, dass die LED keine Hochfrequenzimpulse empfängt, sondern einen durch die Induktivität geglätteten Strom, der ein obligatorisches Element solcher Schaltkreise ist.

Der großflächige Einsatz von PWM spiegelt sich in allen LCD-Panels mit LED-Hintergrundbeleuchtung wider. Leider arbeiten die meisten PWB-Konverter bei LED-Monitoren mit einer Frequenz von Hunderten von Hertz, was sich negativ auf die Sehkraft von PC-Benutzern auswirkt.

Der Arduino-Mikrocontroller kann auch im PWM-Controller-Modus betrieben werden. Rufen Sie dazu die Funktion AnalogWrite() auf und geben Sie in Klammern den Wert von 0 bis 255 an. Null entspricht 0 V und 255 bis 5 V. Zwischenwerte werden proportional berechnet.

Die weit verbreitete Verbreitung von Geräten, die nach dem PWM-Prinzip arbeiten, hat es der Menschheit ermöglicht, sich von der Stromversorgung durch Transformatoren zu lösen linearer Typ. Das Ergebnis ist eine Steigerung der Effizienz und eine mehrfache Reduzierung des Gewichts und der Größe von Netzteilen.

Der PWM-Controller ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Pulsblockade Ernährung. Es steuert den Betrieb eines Leistungstransistors, der sich im Primärkreis des Impulstransformators befindet. Aufgrund des Vorhandenseins einer Rückkopplungsschaltung bleibt die Spannung am Ausgang des Netzteils immer stabil. Die geringste Abweichung der Ausgangsspannung durch Rückmeldung wird durch eine Mikroschaltung fixiert, die das Tastverhältnis der Steuerimpulse sofort korrigiert. Darüber hinaus löst ein moderner PWM-Controller eine Reihe weiterer Aufgaben, die zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Stromversorgung beitragen:

• bietet einen Sanftanlaufmodus für den Konverter;
• begrenzt die Amplitude und das Tastverhältnis von Steuerimpulsen;
• steuert den Eingangsspannungspegel;
• schützt vor Kurzschlüssen und Übertemperatur des Netzschalters;
• schaltet das Gerät bei Bedarf in den Standby-Modus.

Funktionsprinzip eines PWM-Controllers

Die Aufgabe des PWM-Controllers besteht darin, den Leistungsschalter durch wechselnde Steuerimpulse anzusteuern. Im Schaltmodus befindet sich der Transistor in einem von zwei Zuständen (vollständig geöffnet, vollständig geschlossen). Im geschlossenen Zustand überschreitet der Strom durch den pn-Übergang mehrere μA nicht, was bedeutet, dass die Verlustleistung gegen Null tendiert. Im offenen Zustand ist der Widerstand des pn-Übergangs trotz des hohen Stroms äußerst gering, was auch zu unbedeutenden thermischen Verlusten führt. Nein große Menge Beim Übergang von einem Zustand in einen anderen wird Wärme freigesetzt. Aufgrund der kurzen Übergangszeit im Vergleich zur Modulationsfrequenz sind die Leistungsverluste beim Schalten jedoch unbedeutend.

Die Pulsweitenmodulation wird in zwei Typen unterteilt: analog und digital. Jeder Typ hat seine eigenen Vorteile und kann auf unterschiedliche Weise im Schaltungsdesign umgesetzt werden.

Analoges PWM

Das Funktionsprinzip eines analogen PWM-Modulators basiert auf dem Vergleich zweier Signale, deren Frequenzen sich um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Das Vergleichselement ist ein Operationsverstärker (Komparator). Einem seiner Eingänge wird eine Sägezahnspannung hoher konstanter Frequenz und dem anderen eine niederfrequente Modulationsspannung mit variabler Amplitude zugeführt. Der Komparator vergleicht beide Werte und erzeugt am Ausgang Rechteckimpulse, deren Dauer durch den aktuellen Wert des Modulationssignals bestimmt wird. In diesem Fall ist die PWM-Frequenz gleich der Frequenz des Sägezahnsignals.

Digitales PWM

Die Pulsweitenmodulation bei der digitalen Interpretation ist eine der vielen Funktionen eines Mikrocontrollers (MCU). Der MK arbeitet ausschließlich mit digitalen Daten und kann an seinen Ausgängen entweder einen hohen (100 %) oder einen niedrigen (0 %) Spannungspegel erzeugen. Um die Last effektiv zu steuern, muss jedoch in den meisten Fällen die Spannung am MC-Ausgang geändert werden. Zum Beispiel die Motordrehzahl anpassen, die Helligkeit der LED ändern. Was muss ich tun, um am Mikrocontroller-Ausgang einen Spannungswert im Bereich von 0 bis 100 % zu erhalten?

Das Problem wird durch den Einsatz des Pulsweitenmodulationsverfahrens und die Ausnutzung des Phänomens der Überabtastung gelöst, bei dem die vorgegebene Schaltfrequenz um ein Vielfaches höher ist als die Reaktion des gesteuerten Geräts. Durch die Änderung des Tastverhältnisses der Impulse ändert sich der Durchschnittswert der Ausgangsspannung. In der Regel erfolgt der gesamte Vorgang mit einer Frequenz von mehreren zehn bis hundert kHz, was eine reibungslose Anpassung ermöglicht. Technisch wird dies mithilfe eines PWM-Controllers umgesetzt – einer speziellen Mikroschaltung, die das „Herz“ jedes digitalen Steuerungssystems darstellt. Der aktive Einsatz von PWM-basierten Controllern beruht auf ihren unbestreitbaren Vorteilen:

• hohe Signalumwandlungseffizienz;
• Stabilität der Arbeit;
• Einsparung der von der Last verbrauchten Energie;
• niedrige Kosten;
• hohe Zuverlässigkeit des gesamten Gerätes.

Sie können ein PWM-Signal an den Mikrocontroller-Pins auf zwei Arten empfangen: Hardware und Software. Jeder MK verfügt über einen eingebauten Timer, der an bestimmten Pins PWM-Impulse erzeugen kann. Auf diese Weise wird die Hardware-Implementierung erreicht. Empfangen eines PWM-Signals mit Programmbefehle verfügt über mehr Auflösungsmöglichkeiten und ermöglicht die Verwendung einer größeren Anzahl von Pins. Jedoch programmatische Methode führt zu einer hohen Belastung des MK und beansprucht viel Speicher.

Es ist bemerkenswert, dass bei der digitalen PWM die Anzahl der Impulse pro Periode unterschiedlich sein kann und die Impulse selbst in einem beliebigen Teil der Periode liegen können. Der Ausgangssignalpegel wird durch die Gesamtdauer aller Impulse pro Periode bestimmt. Es versteht sich, dass jeder zusätzliche Impuls einen Übergang des Leistungstransistors von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand darstellt, was zu einer Erhöhung der Verluste beim Schalten führt.

Beispiel für die Verwendung eines PWM-Reglers

Eine der Möglichkeiten zur Implementierung eines einfachen PWM-Reglers wurde bereits weiter oben beschrieben. Es ist auf Basis einer Mikroschaltung aufgebaut und verfügt über einen kleinen Kabelbaum. Doch trotz des einfachen Aufbaus der Schaltung hat der Regler ein recht breites Anwendungsspektrum: Schaltungen zur Steuerung der Helligkeit von LEDs, LED-Streifen, Einstellung der Drehzahl von Gleichstrommotoren.

Lesen Sie auch

PWM oder PWM (Pulsweitenmodulation, auf Englisch) ist eine Möglichkeit, die Stromversorgung der Last zu steuern. Die Steuerung besteht darin, die Pulsdauer bei konstanter Pulswiederholungsrate zu verändern. Die Pulsweitenmodulation kann analog, digital, binär oder ternär erfolgen.

Durch den Einsatz der Pulsweitenmodulation lässt sich der Wirkungsgrad elektrischer Wandler steigern, insbesondere von Pulswandlern, die heute die Grundlage für die Sekundärstromversorgung verschiedener elektronischer Geräte bilden. Flyback- und Forward-Single-Cycle-, Push-Pull- und Halbbrücken- sowie Brückenpulswandler werden heute unter Beteiligung von PWM gesteuert, dies gilt auch für Resonanzwandler.

Mit der Pulsweitenmodulation können Sie die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallanzeigen anpassen Handys, Smartphones, Laptops. PWM wird in Auto-Wechselrichtern, Ladegeräten usw. implementiert. Beliebig Ladegerät Heute nutzt er PWM in seiner Arbeit.

Als Schaltelemente in modernen Hochfrequenzwandlern werden im Schaltbetrieb arbeitende Bipolar- und Feldeffekttransistoren eingesetzt. Dies bedeutet, dass der Transistor während eines Teils der Periode vollständig geöffnet und während eines Teils der Periode vollständig geschlossen ist.

Und da in Übergangszuständen, die nur einige zehn Nanosekunden dauern, die am Schalter abgegebene Leistung im Vergleich zur geschalteten Leistung gering ist, erweist sich die durchschnittliche in Form von Wärme am Schalter abgegebene Leistung letztendlich als unbedeutend. In diesem Fall ist im geschlossenen Zustand der Widerstand des Transistors als Schalter sehr klein und der Spannungsabfall an ihm geht gegen Null.

Im offenen Zustand liegt die Leitfähigkeit des Transistors nahe bei Null und es fließt praktisch kein Strom durch ihn. Dadurch ist es möglich, kompakte Konverter mit hohem Wirkungsgrad, also mit geringen thermischen Verlusten, zu realisieren. Und Resonanzwandler mit Nullstromschaltung ZCS (Zero-Current-Switching) ermöglichen es, diese Verluste auf ein Minimum zu reduzieren.

Bei analogen PWM-Generatoren wird das Steuersignal von einem analogen Komparator erzeugt, wenn beispielsweise ein Dreiecks- oder Sägezahnsignal an den invertierenden Eingang des Komparators und ein modulierendes kontinuierliches Signal an den nichtinvertierenden Eingang angelegt wird.

Die Ausgangsimpulse werden erhalten, ihre Wiederholungsfrequenz ist gleich der Frequenz des Sägezahns (oder Dreiecksignals) und die Dauer des positiven Teils des Impulses hängt mit der Zeit zusammen, während der der Pegel des dem Modulator zugeführten konstanten Signals ansteigt Der nichtinvertierende Eingang des Komparators ist höher als der Pegel des Sägesignals, das dem invertierenden Eingang zugeführt wird. Wenn die Sägespannung höher als das Modulationssignal ist, weist der Ausgang einen negativen Teil des Impulses auf.

Wenn die Säge dem nicht invertierenden Eingang des Komparators zugeführt wird und das Modulationssignal dem invertierenden Eingang zugeführt wird, haben die ausgegebenen Rechteckimpulse einen positiven Wert, wenn die Sägespannung höher ist als der Wert des zugeführten Modulationssignals zum invertierenden Eingang und negativ, wenn die Sägespannung niedriger als das Modulationssignal ist. Ein Beispiel für die analoge PWM-Erzeugung ist die Mikroschaltung TL494, die heute häufig beim Bau von Schaltnetzteilen verwendet wird.

Digitales PWM wird in der binären Digitaltechnik eingesetzt. Auch die Ausgangsimpulse nehmen nur einen von zwei Werten an (Ein oder Aus) und der durchschnittliche Ausgangspegel nähert sich dem gewünschten Pegel. Hier wird das Sägezahnsignal durch Verwendung eines N-Bit-Zählers gewonnen.

Auch digitale Geräte mit PWM arbeiten mit einer konstanten Frequenz, die zwangsläufig die Reaktionszeit des angesteuerten Geräts überschreitet, dieser Ansatz wird Oversampling genannt. Zwischen den Taktflanken bleibt der digitale PWM-Ausgang stabil, entweder hoch oder niedrig, abhängig vom aktuellen Zustand des Ausgangs des digitalen Komparators, der die Signalpegel am Zähler und den ungefähren digitalen Pegel vergleicht.

Der Ausgang wird als Folge von Impulsen mit den Zuständen 1 und 0 getaktet; jeder Taktzustand kann sich in das Gegenteil ändern oder auch nicht. Die Frequenz der Impulse ist proportional zum Pegel des sich nähernden Signals, und aufeinander folgende Einheiten können einen breiteren, längeren Impuls bilden.

Die resultierenden Impulse variabler Breite betragen ein Vielfaches der Taktperiode und die Frequenz beträgt 1/2NT, wobei T die Taktperiode und N die Anzahl der Taktzyklen ist. Hier ist eine niedrigere Frequenz im Verhältnis zur Taktfrequenz erreichbar. Die beschriebene digitale Erzeugungsschaltung ist eine Ein-Bit- oder Zwei-Pegel-PWM-, pulscodierte PCM-Modulation.

Diese zweistufige pulscodierte Modulation besteht im Wesentlichen aus einer Reihe von Impulsen mit einer Frequenz von 1/T und einer Breite von T oder 0. Durch Überabtastung wird über einen längeren Zeitraum gemittelt. Gute Qualität PWM kann durch Ein-Bit-Pulsdichtemodulation, auch Pulsfrequenzmodulation genannt, erreicht werden.

Bei der digitalen Pulsweitenmodulation können rechteckige Teilimpulse, die eine Periode füllen, an jeder beliebigen Stelle der Periode auftreten, und dann beeinflusst nur ihre Anzahl den Durchschnittswert des Signals über die Periode. Wenn Sie also die Periode in 8 Teile unterteilen, ergeben die Kombinationen der Impulse 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 usw. den gleichen Durchschnittswert für die Periode, separate Einheiten erschweren jedoch die Betriebsart des Schlüsseltransistors.

Elektronikleuchten geben in Bezug auf PWM die folgende Analogie zur Mechanik. Wenn Sie einen Motor zum Drehen eines schweren Schwungrads verwenden, dreht sich das Schwungrad entweder und dreht sich weiter, da der Motor entweder ein- oder ausgeschaltet werden kann, oder es stoppt aufgrund der Reibung, wenn der Motor ausgeschaltet wird.

Wenn der Motor jedoch einige Sekunden pro Minute eingeschaltet bleibt, bleibt die Drehung des Schwungrads aufgrund der Trägheit bei einer bestimmten Geschwindigkeit erhalten. Und je länger der Motor läuft, desto schneller dreht sich das Schwungrad. Das Gleiche gilt für PWM, das Ein- und Ausschaltsignal (0 und 1) kommt am Ausgang an und dadurch wird der Durchschnittswert erreicht. Durch Integration der Impulsspannung über die Zeit erhalten wir die Fläche unter den Impulsen, und die Wirkung auf den Arbeitskörper ist identisch mit der Arbeit bei einem durchschnittlichen Spannungswert.

So funktionieren Konverter, bei denen die Umschaltung tausende Male pro Sekunde erfolgt und die Frequenzen mehrere Megahertz erreichen. Zur Steuerung von Energiesparlampen-Vorschaltgeräten, Netzteilen usw. werden häufig spezielle PWM-Controller eingesetzt.

Das Verhältnis der Gesamtdauer der Impulsperiode zur Einschaltzeit (dem positiven Teil des Impulses) wird als Tastverhältnis des Impulses bezeichnet. Wenn also die Einschaltzeit 10 μs beträgt und die Periode 100 μs dauert, dann ist das Tastverhältnis bei einer Frequenz von 10 kHz gleich 10, und es wird geschrieben, dass S = 10. Das inverse Tastverhältnis wird aufgerufen das Puls-Tastverhältnis, auf Englisch Duty Cycle, oder abgekürzt als DC.

Für das gegebene Beispiel ist also DC = 0,1, da 10/100 = 0,1. Bei der Pulsweitenmodulation wird durch Anpassen des Tastverhältnisses des Impulses, also durch Variation des Gleichstroms, der erforderliche Durchschnittswert am Ausgang eines elektronischen oder anderen elektrischen Geräts, beispielsweise eines Motors, erreicht.

In Abbildung 1 wird die Pulsweite an Pin 3 durch die an Pin 5 angelegte Steuerspannung V CONTROL moduliert. Labormessungen der Schaltung wurden mit einer Versorgungsspannung von 5 V durchgeführt. Die Abbildungen 2 ... 5 zeigen die Ausgangs-PWM-Signale an drei verschiedene Steuerspannungen: 1 V, 2 V und 4 V. Der Kondensator C1 wird durch die Spannung der Stromversorgung V SUPPLY auf den V CONTROL-Pegel aufgeladen und von V CONTROL /2 auf den Massepegel entladen. Wenn keine externe Steuerspannung vorhanden ist, beträgt die Spannung V CONTROL 2/3 von V SUPPLY.

Die dargestellten Oszillogramme veranschaulichen den Einfluss der an Pin 5 angelegten Steuerspannung auf Änderungen der Schwellenspannungen der beiden internen Komparatoren. Bei fehlender Steuerspannung (Abbildung 4) werden die Lade- und Entladeschwellen von C1 durch die interne Struktur des Timers bestimmt und betragen 1/3 und 2/3 der Versorgungsspannung. Diese Schwellenwerte, die den gleichen Abstand von der Versorgungsspannung und der Erde haben, legen den Arbeitszyklus auf 50 % fest. Wenn sich die Steuerspannung ändert, ändert sich die Ladezeit C1, während der die Spannung am Kondensator V CONTROL erreichen muss, und die Entladezeit, während der die Spannung auf V CONTROL /2 abfällt. Dieser Vorgang führt zu einer Modulation der Ausgangsimpulsbreite.

Die Ladezeit wird durch die Formel bestimmt

R = R1,
C = C1.

Aus dem Ausdruck kann die Entladezeit berechnet werden

Schema 2: PWM-Generator mit Komparator

Der Komparator MAX998 wird gemäß Abbildung 6 eingeschaltet.

Abbildung 6.	PWM-Generator und Komparator.

Die Ausgangsimpulsbreite wird unter der Steuerung der an R1 angelegten Spannung moduliert. Bei einer Versorgungsspannung von 5 V wurden Labormessungen durchgeführt, deren Ergebnisse in den Abbildungen 7...9 dargestellt sind und die Ausgangs-PWM-Wellenformen bei Steuerspannungen von 1 V, 2 V und 4 V zeigen.

Die an den MAX998-Chip angelegte Steuerspannung legt die Schwellenspannungen fest, die die Zeitpunkte bestimmen, zu denen C1 mit dem Laden und Entladen beginnt. Der obere Schwellenwert beträgt

und die untere Schwellenspannung ist V CONTROL /2.
Die Ladezeit können Sie der Formel entnehmen

Die Entladezeit wird durch den Ausdruck beschrieben

R = R1,
C = C1.

Optionen für PWM-Generatoren auf zwei Chips

Es ist zu beachten, dass die Steuerspannung in beiden Stromkreisen nicht nur die Dauer der Impulse, sondern auch deren Frequenz verändert. Durch Hinzufügen eines Komparators zu jedem Schaltkreis können Sie die Frequenz der Ausgangssignale festlegen.

In Schaltung 1 muss die Sägezahnspannung von Pin 6 an den Eingang des zweiten Komparators angelegt werden. Diese Spannung bestimmt das Tastverhältnis der Ausgangsimpulse mit konstanter Frequenz. In ähnlicher Weise wird in Schaltung 2 der zweite Komparator mit einer Rampenspannung vom invertierenden Eingang des MAX998 versorgt.