Invertory, konvertory, obvody SMPS a regulátory otáčok…. Jedna vec, ktorá je spoločná pre všetky tieto obvody, je to, že sa skladá z mnohých elektronických spínačov v ich vnútri. Tieto prepínače nie sú nič iné ako výkonové elektronické zariadenia ako MOSFET, IGBT, TRIAC atď. Na ovládanie takýchto výkonových elektronických prepínačov bežne používame niečo, čo sa nazýva signály PWM (Pulse Width Modulation). Okrem toho sa signály PWM používajú aj na pohon servomotorov a tiež na ďalšie jednoduché úlohy, ako je kontrola jasu LED.
V našom predchádzajúcom článku sme sa dozvedeli o ADC, zatiaľ čo ADC sa používa na čítanie analógových signálov digitálnym zariadením, ako je mikrokontrolér. PWM možno považovať za presný opak. PWM sa používa na výrobu analógových signálov z digitálneho zariadenia, ako je mikrokontrolér. V tomto článku sa dozvieme, čo sú to PWM, PWM signály a niektoré parametre s nimi spojené, aby sme si boli istí ich použitím v našich dizajnoch.
Čo je PWM (Pulse Width Modulation)?
PWM znamená Pulse Width Modulation; k dôvodu pre takéto meno sa dostaneme neskôr. Ale teraz chápem PWM ako typ signálu, ktorý je možné vyrobiť z digitálneho IC, ako je mikrokontrolér alebo časovač 555. Takto vyrobený signál bude mať sled impulzov a tieto impulzy budú vo forme štvorcovej vlny. To znamená, že v ktoromkoľvek danom okamihu bude vlna buď vysoká, alebo nízka. Pre ľahšie pochopenie uvažujme 5V PWM signál, v tomto prípade bude PWM signál buď 5V (vysoký) alebo na úrovni zeme 0V (nízky). Doba, počas ktorej signály zostávajú vysoké, sa nazýva „ čas zapnutia “ a doba, počas ktorej zostáva signál nízky, sa nazýva „ čas vypnutia “.
Pre signál PWM sa musíme pozrieť na dva dôležité parametre, ktoré sú s ním spojené, jedným je pracovný cyklus PWM a druhým je frekvencia PWM.
Pracovný cyklus PWM
Ako už bolo povedané, signál PWM zostane zapnutý po určitý čas a potom zostane vypnutý po zvyšok obdobia. To, čo robí tento signál PWM špeciálnym a užitočnejším, je to, že môžeme nastaviť, ako dlho by mal zostať zapnutý, riadením pracovného cyklu signálu PWM.
Percento času, v ktorom signál PWM zostáva VYSOKÝ (v čase), sa nazýva pracovný cyklus. Ak je signál stále ZAPNUTÝ, je v 100% pracovnom cykle a ak je vždy vypnutý, je to 0% pracovný cyklus. Vzorce na výpočet pracovného cyklu sú uvedené nižšie.
Pracovný cyklus = čas zapnutia / (čas zapnutia + čas vypnutia)
Nasledujúci obrázok predstavuje signál PWM s 50% pracovným cyklom. Ako vidíte, pri zohľadnení celého časového obdobia (čas zapnutia + vypnutia) zostane signál PWM zapnutý iba po dobu 50% časového obdobia.
Frekvencia = 1 / Časové obdobie Časové obdobie = Čas zapnutia + Čas vypnutia
Normálne budú signály PWM generované mikrokontrolérom okolo 500 Hz, také vysoké frekvencie sa použijú vo vysokorýchlostných spínacích zariadeniach, ako sú invertory alebo prevodníky. Nie všetky aplikácie ale vyžadujú vysokú frekvenciu. Napríklad na riadenie servomotora potrebujeme produkovať PWM signály s frekvenciou 50 Hz, takže frekvenciu PWM signálu je možné ovládať aj programom pre všetky mikrokontroléry.
Niektoré bežne sa vyskytujúce otázky o PWM
Aký je rozdiel medzi pracovným cyklom a frekvenciou signálu PWM?
Pracovný cyklus a frekvencia signálov PWM sú často zamieňané. Ako vieme, signál PWM je obdĺžniková vlna s určitým časom zapnutia a vypnutia. Súčet tohto času zapnutia a vypnutia sa nazýva jedno časové obdobie. Inverzia jedného časového obdobia sa nazýva frekvencia. Zatiaľ čo množstvo času, počas ktorého by mal signál PWM zostať zapnutý v jednom časovom období, je rozhodnuté pracovným cyklom PWM.
Zjednodušene povedané, o tom, ako rýchlo by sa mal signál PWM zapnúť a vypnúť, rozhoduje frekvencia signálu PWM a pri tejto rýchlosti o tom, ako dlho má signál PWM zostať zapnutý, rozhoduje pracovný cyklus signálu PWM.
Ako previesť signály PWM na analógové napätie?
Pre jednoduché aplikácie, ako je riadenie rýchlosti jednosmerného motora alebo nastavenie jasu LED, musíme previesť signály PWM na analógové napätie. To sa dá ľahko urobiť pomocou RC filtra a bežne sa používa tam, kde je vyžadovaná funkcia DAC. Obvod toho istého je uvedený nižšie
V grafe zobrazenom vyššie je žltá farbou signál PWM a modrou farbou výstupné analógové napätie. Hodnotu odporu R1 a kondenzátora C1 je možné vypočítať na základe frekvencie signálu PWM, ale zvyčajne sa používa odpor 5,7K alebo 10K a kondenzátor 0,1u alebo 1u.
Ako vypočítať výstupné napätie signálu PWM?
Výstupné napätie signálu PWM po jeho prevode na analógový signál bude percentom pracovného cyklu. Napríklad, ak je prevádzkové napätie 5 V, potom bude mať signál PWM tiež 5 V, keď je vysoké. V takom prípade pre 100% pracovný cyklus bude výstupné napätie 5 V pre 50% pracovný cyklus to bude 2,5 V.
Výstupné napätie = pracovný cyklus (%) * 5
Príklady:
Predtým sme v mnohých našich projektoch používali PWM s rôznymi mikrokontrolérmi:
- Pulzná šírková modulácia s ATmega32
- PWM s Arduino Uno
- Generovanie PWM pomocou PIC mikrokontroléra
- Výukový program pre Raspberry Pi PWM
- Ovládanie servomotora s Raspberry Pi
- Pulzná šírková modulácia (PWM) pomocou MSP430G2
- Pulzná šírková modulácia (PWM) v STM32F103C8
- Ovládanie servomotora s Raspberry Pi
- Ovládanie jednosmerného motora s Raspberry Pi
- 1 W LED stmievač
- Arduino LED stmievač využívajúci PWM
Ďalej skontrolujte všetky projekty spojené s PWM tu.