Penggunaan PWM sebagai teknik menukar
Pulse Width Modulation (PWM) adalah teknik yang biasa digunakan untuk secara amnya mengawal kuasa DC ke peranti elektrik, dibuat praktikal oleh suis kuasa elektronik moden. Namun ia juga mendapat tempat di mesin pencincang AC. Nilai purata arus yang dibekalkan ke beban dikendalikan oleh kedudukan suis dan jangka masa keadaannya. Sekiranya tempoh hidup suis lebih lama dibandingkan dengan tempoh mati, beban akan menerima kuasa yang lebih tinggi. Oleh itu frekuensi pensuisan PWM harus lebih cepat.
Biasanya peralihan perlu dilakukan beberapa kali seminit di dapur elektrik, 120 Hz dalam lampu redup, dari beberapa kilohertz (kHz) hingga puluhan kHz untuk pemacu motor. Tukar frekuensi untuk penguat audio dan bekalan kuasa komputer adalah sekitar sepuluh hingga ratusan kHz. Nisbah masa ON hingga jangka masa nadi dikenali sebagai cycle cycle. Sekiranya kitaran tugas rendah, ini menyiratkan daya rendah.
Kehilangan daya pada peranti pensuisan sangat rendah, kerana jumlah arus yang hampir tidak dapat diuraikan dalam keadaan mati peranti dan jumlah penurunan voltan yang tidak dapat diabaikan dalam keadaan MATI. Kawalan digital juga menggunakan teknik PWM. PWM juga telah digunakan dalam sistem komunikasi tertentu di mana kitaran tugasnya telah digunakan untuk menyampaikan maklumat melalui saluran komunikasi.
PWM dapat digunakan untuk menyesuaikan jumlah daya yang dikirimkan ke beban tanpa kerugian yang biasanya terjadi ketika pemindahan daya dibatasi dengan cara resistif. Kekurangannya adalah denyutan yang ditentukan oleh kitaran tugas, frekuensi beralih dan sifat beban. Dengan frekuensi pensuisan yang cukup tinggi dan, bila perlu, menggunakan penapis elektronik pasif tambahan kereta nadi dapat dilancarkan dan bentuk gelombang analog rata-rata pulih. Sistem kawalan PWM frekuensi tinggi dapat dilaksanakan dengan mudah menggunakan suis semikonduktor.
Seperti yang telah dinyatakan di atas hampir tidak ada daya yang hilang oleh suis dalam keadaan hidup atau mati. Walau bagaimanapun, semasa peralihan antara keadaan hidup dan mati kedua-dua voltan dan arus tidak sifar dan dengan itu daya yang besar akan hilang dalam suis. Nasib baik, perubahan keadaan antara aktif sepenuhnya dan mati sepenuhnya cukup cepat (biasanya kurang dari 100 nanodetik) berbanding dengan waktu hidup atau mati biasa, dan oleh itu rata-rata pelesapan daya agak rendah berbanding dengan daya yang dihantar walaupun ketika frekuensi beralih tinggi digunakan.
Penggunaan PWM untuk memberikan daya DC untuk dimuat
Sebilangan besar proses perindustrian perlu dijalankan berdasarkan parameter tertentu yang berkaitan dengan kelajuan pemacu. Sistem pemacu elektrik yang digunakan dalam banyak aplikasi industri memerlukan prestasi, kebolehpercayaan, kelajuan berubah yang lebih tinggi kerana kemudahan kawalannya. The kawalan kelajuan motor DC penting dalam aplikasi di mana ketepatan dan perlindungan penting. Tujuan pengawal kelajuan motor adalah untuk mengambil isyarat yang mewakili kelajuan yang diperlukan dan menggerakkan motor pada kelajuan tersebut.
Modulasi lebar denyut (PWM), seperti yang berlaku untuk pengendalian motor, adalah cara untuk menyampaikan tenaga melalui urutan nadi dan bukannya isyarat (analog) yang terus berubah. Dengan meningkatkan atau mengurangkan lebar nadi, pengawal mengatur aliran tenaga ke batang motor. Induktansi motor itu sendiri bertindak seperti penapis, menyimpan tenaga semasa kitaran 'ON' sambil melepaskannya pada kadar yang sepadan dengan input atau isyarat rujukan. Dengan kata lain, tenaga mengalir ke beban tidak begitu banyak frekuensi beralih, tetapi pada frekuensi rujukan.
Litar digunakan untuk mengawal kelajuan Motor DC dengan menggunakan teknik PWM. Series Variable Speed DC Motor Controller 12V menggunakan IC timer 555 sebagai penjana denyut PWM untuk mengatur kelajuan motor DC12 Volt. IC 555 adalah Timer Chip yang popular digunakan untuk membuat litar pemasa. Ia diperkenalkan pada tahun 1972 oleh para Signetics. Ia dipanggil sebagai 555 kerana terdapat tiga perintang 5 K di dalamnya. IC terdiri daripada dua pembanding, rantai perintang, Flip Flop dan tahap output. Ia berfungsi dalam 3 mod asas- Astable, Monostable (di mana ia bertindak sebagai generator denyut satu pukulan dan mod Bistable. Iaitu apabila ia dicetuskan outputnya akan tinggi untuk jangka masa berdasarkan nilai-nilai perintang dan kapasitor masa. Mod Astable (AMV), IC berfungsi sebagai multivibrator berjalan bebas. Output bertukar tinggi dan rendah secara berterusan untuk memberikan output berdenyut sebagai pengayun. Dalam mod Bistable juga dikenali sebagai pencetus Schmitt, IC beroperasi sebagai Flip-Flop dengan tinggi atau output rendah pada setiap pencetus dan tetapkan semula.
Dalam litar ini, IRF540 MOSFET digunakan. Ini adalah MOSFET peningkatan N-Channel. Ini adalah kekuatan maju MOSFET yang dirancang, diuji, dan dijamin dapat menahan tahap tenaga yang ditentukan dalam mod operasi longsoran runtuh. Kekuatan MOSFET ini direka untuk aplikasi seperti pengatur beralih, penukar pensuisan, pemacu motor, pemacu geganti, dan pemacu untuk transistor pensuisan bipolar berkuasa tinggi yang memerlukan daya pemacu gerbang berkelajuan tinggi dan rendah. Jenis ini boleh dikendalikan secara langsung dari litar bersepadu. Voltan kerja litar ini dapat disesuaikan mengikut keperluan motor DC yang digerakkan. Litar ini boleh berfungsi dari 5-18VDC.
Litar di atas iaitu Kawalan kelajuan motor DC oleh PWM teknik mengubah kitaran tugas yang seterusnya mengawal kelajuan motor. IC 555 disambungkan dalam mod astable multi getar bebas. Litar terdiri daripada susunan potensiometer dan dua dioda, yang digunakan untuk mengubah kitaran tugas dan menjaga frekuensi tetap. Oleh kerana rintangan pemboleh ubah perintang atau potensiometer bervariasi, putaran tugas denyutan yang dikenakan pada MOSFET berbeza-beza dan dengan itu daya DC ke motor berubah-ubah dan dengan itu kelajuannya meningkat ketika kitaran tugas meningkat.
Penggunaan PWM untuk menyampaikan daya AC untuk dimuat
Suis semikonduktor moden seperti MOSFET atau transistor bipolar gerbang bertebat (IGBT) adalah komponen yang cukup ideal. Oleh itu pengawal kecekapan tinggi dapat dibina. Biasanya penukar frekuensi yang digunakan untuk mengawal motor AC mempunyai kecekapan yang lebih baik daripada 98%. Bekalan kuasa pensuisan mempunyai kecekapan yang lebih rendah kerana tahap voltan keluaran yang rendah (selalunya kurang dari 2 V untuk mikropemproses diperlukan) tetapi kecekapan lebih dari 70-80% dapat dicapai.
Jenis kawalan untuk AC ini adalah kaedah sudut penembakan tertunda yang terkenal. Ia lebih murah dan menghasilkan banyak bunyi dan harmonik elektrik berbanding dengan kawalan PWM sebenar yang menghasilkan bunyi yang tidak dapat diabaikan.
Dalam banyak aplikasi, seperti pemanasan industri, kawalan lampu, motor induksi permulaan lembut dan pengawal kelajuan untuk kipas dan pam memerlukan voltan AC yang berubah-ubah dari sumber AC tetap. Kawalan sudut fasa pengatur telah digunakan secara meluas untuk keperluan ini. Ia menawarkan beberapa kelebihan seperti kesederhanaan dan kemampuan mengawal sejumlah besar kuasa secara ekonomi. Walau bagaimanapun, sudut tembakan yang tertunda menyebabkan ketidakselarasan dan harmoni yang banyak dalam arus beban dan faktor daya ketinggalan berlaku di sisi AC apabila sudut penembakan meningkat.
Masalah-masalah ini dapat diperbaiki dengan menggunakan mesin pencincang AC PWM. Pencincang AC PWM ini menawarkan beberapa kelebihan seperti arus input sinusoidal dengan faktor daya perpaduan hampir. Namun, untuk mengurangkan ukuran filter dan meningkatkan kualiti pengatur output, frekuensi pensuisan harus ditingkatkan. Ini menyebabkan kehilangan suis tinggi. Masalah lain ialah pergantian antara suis pemindah S1 dengan suis freewheeling S2. Ini menyebabkan lonjakan arus jika kedua-dua suis dihidupkan pada masa yang sama (litar pintas), dan lonjakan voltan jika kedua-dua suis dimatikan (tidak ada jalan bebas putar). Untuk mengelakkan masalah ini, RC snubber digunakan. Walau bagaimanapun, ini meningkatkan kehilangan kuasa di litar dan sukar, mahal, besar dan tidak cekap untuk aplikasi berkuasa tinggi. Pencincang AC dengan pensuisan voltan arus sifar (ZCS-ZVS) dicadangkan. Pengatur voltan keluarannya perlu berbeza-beza masa mematikan yang dikawal oleh isyarat PWM. Oleh itu, diperlukan untuk menggunakan kawalan frekuensi untuk mencapai peralihan lembut dan sistem kawalan umum menggunakan teknik PWM menghasilkan masa beralih. Teknik ini mempunyai kelebihan seperti kawalan sederhana dengan modulasi sigma-delta dan arus input berterusan. Ciri-ciri konfigurasi litar yang dicadangkan dan corak cincang PWM ditunjukkan di bawah.
