Circuito PWM a onda sinusoidale (SPWM) che utilizza Opamp

SPWM si riferisce alla modulazione della larghezza di impulso dell'onda sinusoidale che è una disposizione della larghezza di impulso in cui gli impulsi sono più stretti all'inizio, che diventano gradualmente più ampi al centro, e poi di nuovo più stretti alla fine della disposizione. Questo insieme di impulsi, quando implementato in un'applicazione induttiva come l'inverter, consente di trasformare l'uscita in una forma d'onda sinusoidale esponenziale, che può sembrare esattamente identica a una forma d'onda sinusoidale di rete convenzionale,

L'acquisizione di un'uscita sinusoidale da un inverter può essere la caratteristica più cruciale e più vantaggiosa per rendere la massima efficienza all'unità, in termini di qualità dell'uscita. Impariamo come creare un PWM a onda sinusoidale o un SPWM usando un opamp.

Simulare una forma d'onda sinusoidale non è facile

Il raggiungimento di un'uscita a onda sinusoidale potrebbe essere piuttosto complesso e potrebbe non essere raccomandato per gli inverter, poiché i dispositivi elettronici normalmente non 'amano' le correnti o le tensioni in aumento esponenziale. Poiché gli inverter sono essenzialmente realizzati utilizzando dispositivi elettronici a stato solido, normalmente si evita una forma d'onda sinusoidale.

I dispositivi elettronici di potenza quando forzati a funzionare con onde sinusoidali producono risultati inefficienti poiché i dispositivi tendono a diventare relativamente più caldi rispetto a quando funzionano con impulsi ad onda quadra.

Quindi la prossima migliore opzione per l'implementazione di un file onda sinusoidale da un inverter è a proposito di PWM, che sta per Pulse width modulation.

PWM è un modo avanzato (variante digitale) di produrre una forma d'onda esponenziale attraverso una larghezza di impulso quadrato che varia proporzionalmente il cui valore netto viene calcolato per corrispondere esattamente al valore netto di una forma d'onda esponenziale selezionata, qui il valore 'netto' si riferisce al valore RMS. Pertanto un PWM perfettamente calcolato con riferimento a una data onda sinusoidale può essere utilizzato come equivalente perfetto per replicare l'onda sinusoidale data.

Inoltre, i PWM diventano idealmente compatibili con i dispositivi di alimentazione elettronica (mosfet, BJT, IGBTS) e consentono a questi di funzionare con una dissipazione di calore minima.

Tuttavia, la generazione o la creazione di forme d'onda PWM sinusoidali è normalmente considerata complessa, e questo perché l'implementazione non è facile da simulare nella mente di qualcuno.

Anche io ho dovuto fare un po 'di brainstorming prima di poter simulare correttamente la funzione attraverso un intenso pensiero e immaginazione.

Cos'è SPWM

Il metodo più semplice noto per generare un PWM sinusoidale (SPWM) consiste nel fornire una coppia di segnali che variano esponenzialmente all'ingresso di un amplificatore operazionale per l'elaborazione richiesta. Tra i due segnali di ingresso uno deve essere molto più alto nella sua frequenza rispetto all'altro.

Il L'IC 555 può anche essere utilizzato efficacemente per generare PWM sinusoidali equivalenti , incorporando i suoi amplificatori operazionali integrati e un circuito generatore di rampa triangolare R / C.

La seguente discussione ti aiuterà a comprendere l'intera procedura.

I nuovi hobbisti e persino i professionisti ora troveranno abbastanza facile capire come vengono implementati i PWM a onda sinusoidale (SPWM) elaborando un paio di segnali usando un opamp, scopriamolo con l'aiuto del seguente diagramma e simulazione.

Utilizzo di due segnali di ingresso

Come accennato nella sezione precedente, la procedura prevede l'alimentazione di due forme d'onda che variano esponenzialmente agli ingressi di un opamp.

Qui l'opamp è configurato come un tipico comparatore, quindi possiamo supporre che l'opamp inizierà immediatamente a confrontare i livelli di tensione istantanei di queste due forme d'onda sovrapposte nel momento in cui queste appaiono o vengono applicate ai suoi ingressi.

Per consentire all'opamp di implementare correttamente i PWM a onda sinusoidale richiesti alla sua uscita, è imperativo che uno dei segnali abbia una frequenza molto più alta dell'altro. La frequenza più lenta qui è quella che dovrebbe essere l'onda sinusoidale campione che deve essere imitata (replicata) dai PWM.

Idealmente, entrambi i segnali dovrebbero essere sinusoidali (uno con una frequenza più alta dell'altro), tuttavia lo stesso può essere implementato anche incorporando un'onda triangolare (alta frequenza) e un'onda sinusoidale (onda campione con bassa frequenza).

Come si può vedere nelle immagini seguenti, il segnale ad alta frequenza viene applicato invariabilmente all'ingresso invertente (-) dell'amplificatore operazionale, mentre l'altra onda sinusoidale più lenta viene applicata all'ingresso non invertente (+) dell'amplificatore operazionale.

Nella peggiore delle ipotesi, entrambi i segnali possono essere onde triangolari con i livelli di frequenza consigliati come discusso sopra. Tuttavia questo ti aiuterebbe a ottenere un PWM equivalente a onda sinusoidale ragionevolmente buono.

Il segnale con la frequenza più alta è definito come segnale portante, mentre il segnale campione più lento è chiamato ingresso modulante.

Creazione di un SPWM con onda triangolare e onda sinusoidale

Facendo riferimento alla figura sopra, possiamo visualizzare chiaramente attraverso punti tracciati i vari punti di tensione coincidenti o sovrapposti dei due segnali in un dato arco di tempo.

L'asse orizzontale indica il periodo di tempo della forma d'onda, mentre l'asse verticale indica i livelli di tensione delle due forme d'onda sovrapposte simultaneamente in esecuzione.

La figura ci informa su come l'opamp risponderebbe ai livelli di tensione istantanei coincidenti mostrati delle due forme d'onda e produrrebbe un'onda sinusoidale PWM corrispondente alla sua uscita.

La procedura in realtà non è così difficile da immaginare. L'amplificatore operazionale confronta semplicemente i livelli di tensione istantanea variabile dell'onda triangolare veloce con l'onda sinusoidale relativamente molto più lenta (anche questa può essere un'onda triangolare) e controlla le istanze durante le quali la tensione della forma d'onda triangolare può essere inferiore alla tensione dell'onda sinusoidale e risponde istantaneamente creando logica alta alle sue uscite.

Questo viene mantenuto fino a quando il potenziale dell'onda triangolare continua a essere inferiore al potenziale dell'onda sinusoidale e nel momento in cui viene rilevato che il potenziale dell'onda sinusoidale è inferiore al potenziale dell'onda triangolare istantanea, le uscite tornano a un valore basso e si mantengono fino a quando la situazione non ritorna .

Questo confronto continuo dei livelli di potenziale istantaneo delle due forme d'onda sovrapposte sui due ingressi degli amplificatori operazionali si traduce nella creazione di PWM corrispondenti che possono essere esattamente la replica della forma d'onda sinusoidale applicata sull'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale.

Opamp in processione alla SPWM

L'immagine seguente mostra la simulazione slo-mo dell'operazione precedente:

Qui possiamo assistere all'implementazione pratica della spiegazione di cui sopra, ed è proprio così che l'opamp eseguirà lo stesso (sebbene a una velocità molto più bassa, in ms).

La figura in alto mostra una rappresentazione SPWM leggermente più accurata rispetto al secondo diagramma a scorrimento, questo perché nella prima figura avevo il comfort del layout del grafico in background mentre nel secondo diagramma simulato dovevo tracciare lo stesso senza l'aiuto di le coordinate del grafico, quindi potrei aver perso alcuni punti coincidenti e quindi le uscite sembrano un po 'imprecise rispetto al primo.

Tuttavia, l'operazione è abbastanza evidente e mette chiaramente in evidenza come un amplificatore operazionale dovrebbe elaborare un'onda sinusoidale PWM confrontando due segnali che variano simultaneamente ai suoi ingressi come spiegato nelle sezioni precedenti.

In realtà un amplificatore operazionale elaborerebbe i PWM a onda sinusoidale in modo molto più accurato rispetto alla simulazione mostrata sopra, potrebbe essere 100 volte migliore, producendo PWM estremamente uniformi e ben dimensionati corrispondenti al campione alimentato. onda sinusoidale.

Schema elettrico