Modulazione di larghezza di impulso (PWM)

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Uso del PWM come tecnica di commutazione

La modulazione di larghezza di impulso (PWM) è una tecnica comunemente utilizzata per il controllo generale dell'alimentazione CC a un dispositivo elettrico, resa pratica dai moderni interruttori di alimentazione elettronici. Tuttavia trova anche il suo posto negli elicotteri AC. Il valore medio della corrente fornita al carico è controllato dalla posizione dell'interruttore e dalla durata del suo stato. Se il periodo di accensione dell'interruttore è più lungo rispetto al periodo di spegnimento, il carico riceve una potenza relativamente maggiore. Pertanto la frequenza di commutazione PWM deve essere più veloce.



In genere la commutazione deve essere eseguita più volte al minuto in una stufa elettrica, 120 Hz in un dimmer per lampada, da pochi kilohertz (kHz) a decine di kHz per un azionamento a motore. La frequenza di commutazione per amplificatori audio e alimentatori per computer va da circa dieci a centinaia di kHz. Il rapporto tra il tempo di attivazione e il periodo di tempo dell'impulso è noto come duty cycle. Se il ciclo di lavoro è basso, significa bassa potenza.


La perdita di potenza nel dispositivo di commutazione è molto bassa, a causa della quantità quasi trascurabile di corrente che scorre nello stato spento del dispositivo e della quantità trascurabile della caduta di tensione nello stato OFF. Anche i controlli digitali utilizzano la tecnica PWM, che è stata utilizzata anche in alcuni sistemi di comunicazione in cui il suo ciclo di lavoro è stato utilizzato per trasmettere informazioni su un canale di comunicazione.



Ciclo di lavoro onda quadra

PWM può essere utilizzato per regolare la quantità totale di potenza erogata a un carico senza perdite normalmente sostenute quando un trasferimento di potenza è limitato da mezzi resistivi. Gli svantaggi sono le pulsazioni definite dal duty cycle, dalla frequenza di commutazione e dalle proprietà del carico. Con una frequenza di commutazione sufficientemente alta e, se necessario, utilizzando filtri elettronici passivi aggiuntivi, il treno di impulsi può essere livellato e la forma d'onda analogica media recuperata. I sistemi di controllo PWM ad alta frequenza possono essere facilmente implementati utilizzando interruttori a semiconduttore.

Come è stato già detto sopra, quasi nessuna potenza viene dissipata dall'interruttore sia in stato di accensione che di spegnimento. Tuttavia, durante le transizioni tra gli stati on e off sia la tensione che la corrente sono diverse da zero e quindi una notevole potenza viene dissipata negli interruttori. Fortunatamente, il cambio di stato tra completamente acceso e completamente spento è abbastanza rapido (in genere meno di 100 nanosecondi) rispetto ai tipici tempi di accensione o spegnimento, quindi la dissipazione di potenza media è piuttosto bassa rispetto alla potenza erogata anche con frequenze di commutazione elevate sono usati.

Uso di PWM per fornire alimentazione CC al carico

La maggior parte del processo industriale richiede di essere eseguito su determinati parametri per quanto riguarda la velocità dell'azionamento. I sistemi di azionamento elettrico utilizzati in molte applicazioni industriali richiedono prestazioni più elevate, affidabilità, velocità variabile grazie alla sua facilità di controllo. Il controllo della velocità del motore DC è importante nelle applicazioni in cui la precisione e la protezione sono essenziali. Lo scopo di un regolatore di velocità del motore è quello di prendere un segnale che rappresenta la velocità richiesta e di guidare un motore a quella velocità.


La modulazione di larghezza di impulso (PWM), applicata al controllo del motore, è un modo per fornire energia attraverso una successione di impulsi piuttosto che un segnale (analogico) a variazione continua. Aumentando o diminuendo la larghezza dell'impulso, il controller regola il flusso di energia all'albero motore. L'induttanza del motore agisce come un filtro, immagazzinando energia durante il ciclo 'ON' rilasciandola a una velocità corrispondente al segnale di ingresso o di riferimento. In altre parole, l'energia fluisce nel carico non tanto alla frequenza di commutazione, ma alla frequenza di riferimento.

Il circuito viene utilizzato per controllare la velocità di motore a corrente continua utilizzando la tecnica PWM. Il controller del motore CC a velocità variabile della serie 12V utilizza un timer IC 555 come generatore di impulsi PWM per regolare la velocità del motore CC12 Volt. IC 555 è il popolare chip timer utilizzato per realizzare circuiti timer. È stato introdotto nel 1972 dai Signetici. Si chiama 555 perché all'interno sono presenti tre resistori da 5 K. L'IC è costituito da due comparatori, una catena di resistori, un Flip Flop e uno stadio di uscita. Funziona in 3 modalità di base: Astable, Monostabile (dove agisce un generatore di impulsi one shot e modalità Bistable. Cioè, quando viene attivato l'uscita diventa alta per un periodo in base ai valori della resistenza di temporizzazione e del condensatore. Modalità astabile (AMV), l'IC funziona come un multivibratore a funzionamento libero. L'uscita diventa alta e bassa continuamente per fornire un'uscita pulsante come un oscillatore. Nella modalità bistabile nota anche come trigger di Schmitt, l'IC funziona come un Flip-Flop con alta o uscita bassa su ogni trigger e ripristino.

Controllo della velocità del motore CC basato su PWM

In questo circuito, viene utilizzato il MOSFET IRF540. Questo è il MOSFET di potenziamento del canale N. È un MOSFET di potenza avanzato progettato, testato e garantito per resistere a un livello di energia specificato nella modalità di funzionamento a valanga di emergenza. Questo MOSFET di potenza è progettato per applicazioni quali regolatori di commutazione, convertitori di commutazione, driver di motore, driver di relè e driver per transistor di commutazione bipolari ad alta potenza che richiedono alta velocità e bassa potenza del gate drive. Questi tipi possono essere azionati direttamente da circuiti integrati. La tensione di lavoro di questo circuito può essere regolata in base alle esigenze del motore CC azionato. Questo circuito può funzionare da 5-18 V CC.

Sopra il circuito ad es. Controllo della velocità del motore CC tramite PWM tecnica varia il duty cycle che a sua volta controlla la velocità del motore. IC 555 è collegato in modalità astabile multi vibratore a funzionamento libero. Il circuito è costituito da una disposizione di un potenziometro e due diodi, che viene utilizzato per modificare il ciclo di lavoro e mantenere costante la frequenza. Al variare della resistenza del resistore variabile o del potenziometro, varia il duty cycle degli impulsi applicati al MOSFET e di conseguenza varia la potenza CC al motore e quindi la sua velocità aumenta all'aumentare del duty cycle.

Uso di PWM per fornire alimentazione CA al carico

I moderni interruttori a semiconduttore come MOSFET o transistor bipolari a gate isolato (IGBT) sono componenti ideali. In questo modo possono essere costruiti controllori ad alta efficienza. In genere, i convertitori di frequenza utilizzati per controllare i motori CA hanno un'efficienza migliore del 98%. Gli alimentatori switching hanno un'efficienza inferiore a causa dei bassi livelli di tensione di uscita (spesso sono necessari anche meno di 2 V per i microprocessori) ma è comunque possibile ottenere un'efficienza superiore al 70-80%.

Controllo PWM in AC

Questo tipo di controllo per CA è il metodo dell'angolo di accensione ritardato noto per la potenza. È più economico e genera molto rumore elettrico e armoniche rispetto al controllo PWM reale che sviluppa un rumore trascurabile.

In molte applicazioni, come il riscaldamento industriale, il controllo dell'illuminazione, i motori a induzione con avviamento graduale e i regolatori di velocità per ventilatori e pompe, richiede una tensione CA variabile da una fonte CA fissa. Il controllo dell'angolo di fase dei regolatori è stato ampiamente utilizzato per questi requisiti. Offre alcuni vantaggi come semplicità e capacità di controllare economicamente grandi quantità di energia. Tuttavia, l'angolo di accensione ritardato causa discontinuità e abbondanti armoniche nella corrente di carico e si verifica un fattore di potenza in ritardo sul lato CA quando l'angolo di accensione aumenta.

Questi problemi possono essere migliorati utilizzando il chopper PWM AC. Questo chopper PWM AC offre diversi vantaggi come la corrente di ingresso sinusoidale con fattore di potenza quasi unitario. Tuttavia, per ridurre le dimensioni del filtro e migliorare la qualità del regolatore di uscita, è necessario aumentare la frequenza di commutazione. Ciò causa un'elevata perdita di commutazione. Un altro problema è la commutazione tra il commutatore di trasferimento S1 con il commutatore a ruota libera S2. Causa il picco di corrente se entrambi gli interruttori vengono attivati ​​contemporaneamente (cortocircuito) e il picco di tensione se entrambi gli interruttori sono spenti (nessun percorso a ruota libera). Per evitare questi problemi, sono stati utilizzati gli snubber RC. Tuttavia, questo aumenta la perdita di potenza nel circuito ed è difficile, costoso, ingombrante e inefficiente per applicazioni ad alta potenza. Viene proposto il chopper AC con commutazione a tensione di corrente zero (ZCS-ZVS). Il suo regolatore della tensione di uscita deve variare il tempo di spegnimento controllato dal segnale PWM. Pertanto, è necessario utilizzare il controllo della frequenza per ottenere la commutazione dolce ei sistemi di controllo generali utilizzano le tecniche PWM che producono il tempo di accensione. Questa tecnica presenta vantaggi come il controllo semplice con modulazione sigma-delta e la corrente di ingresso continua. Di seguito vengono presentate le caratteristiche della configurazione circuitale proposta e dei modelli a taglio PWM.

PWM