استخدام PWM كأسلوب تبديل
تعديل عرض النبضة (Pulse Width Modulation (PWM)) هو أسلوب شائع الاستخدام للتحكم بشكل عام في طاقة التيار المستمر إلى جهاز كهربائي ، أصبح عمليًا بواسطة مفاتيح الطاقة الإلكترونية الحديثة. ومع ذلك ، فإنها تجد مكانها أيضًا في فرامات التيار المتردد. يتم التحكم في متوسط قيمة التيار الموفر للحمل من خلال موضع التبديل ومدة حالته. إذا كانت فترة تشغيل المفتاح أطول مقارنة بفترة إيقاف تشغيله ، فإن الحمل يتلقى طاقة أعلى نسبيًا. وبالتالي يجب أن يكون تردد تبديل PWM أسرع.
عادةً ما يجب إجراء التبديل عدة مرات في الدقيقة في موقد كهربائي ، 120 هرتز في مصباح باهت ، من بضعة كيلوهرتز (كيلو هرتز) إلى عشرات كيلو هرتز لمحرك محرك. يتراوح تردد التبديل لمكبرات الصوت وإمدادات طاقة الكمبيوتر من عشرة إلى مئات كيلوهرتز. تُعرف نسبة وقت التشغيل إلى الفترة الزمنية للنبضة بدورة العمل. إذا كانت دورة العمل منخفضة ، فهذا يعني انخفاض الطاقة.
يعتبر فقدان الطاقة في جهاز التبديل منخفضًا جدًا ، نظرًا للكمية الضئيلة تقريبًا من تدفق التيار في حالة إيقاف تشغيل الجهاز وكمية ضئيلة من انخفاض الجهد في حالة إيقاف التشغيل. تستخدم الضوابط الرقمية أيضًا تقنية PWM. كما تم استخدام PWM في بعض أنظمة الاتصالات حيث تم استخدام دورة عملها لنقل المعلومات عبر قناة اتصالات.
يمكن استخدام PWM لضبط المقدار الإجمالي للطاقة المسلمة إلى حمل دون خسائر يتم تكبدها عادةً عندما يكون نقل الطاقة محدودًا بوسائل مقاومة. العيوب هي النبضات التي تحددها دورة العمل وتردد التبديل وخصائص الحمل. مع تردد تبديل عالٍ بما فيه الكفاية ، وعند الضرورة ، باستخدام مرشحات إلكترونية سلبية إضافية ، يمكن تنعيم قطار النبض واستعادة متوسط شكل الموجة التماثلية. يمكن تنفيذ أنظمة التحكم PWM عالية التردد بسهولة باستخدام مفاتيح تبديل أشباه الموصلات.
كما سبق ذكره أعلاه ، لا يتم تبديد أي طاقة تقريبًا بواسطة المفتاح في حالة التشغيل أو الإيقاف. ومع ذلك ، أثناء التحولات بين حالات التشغيل والإيقاف ، يكون كل من الجهد والتيار غير صفري وبالتالي يتم تبديد طاقة كبيرة في المفاتيح. لحسن الحظ ، يكون تغيير الحالة بين التشغيل الكامل والإيقاف الكامل سريعًا جدًا (عادةً أقل من 100 نانوثانية) بالنسبة إلى أوقات التشغيل أو الإيقاف النموذجية ، وبالتالي فإن متوسط تبديد الطاقة منخفض جدًا مقارنة بالطاقة التي يتم توفيرها حتى عند ترددات التبديل العالية يستخدم.
استخدام PWM لتوصيل طاقة التيار المستمر للتحميل
تتطلب معظم العمليات الصناعية أن يتم تشغيلها وفقًا لمعايير معينة تتعلق بسرعة محرك الأقراص. تتطلب أنظمة القيادة الكهربائية المستخدمة في العديد من التطبيقات الصناعية أداءً أعلى وموثوقية وسرعة متغيرة نظرًا لسهولة التحكم فيها. ال التحكم في سرعة محرك DC مهم في التطبيقات التي تكون فيها الدقة والحماية جوهرية. الغرض من جهاز التحكم في سرعة المحرك هو أخذ إشارة تمثل السرعة المطلوبة وقيادة المحرك بهذه السرعة.
يعد تعديل عرض النبضة (PWM) ، كما ينطبق على التحكم في المحرك ، وسيلة لتوصيل الطاقة من خلال سلسلة من النبضات بدلاً من الإشارة المتغيرة باستمرار (التناظرية). من خلال زيادة عرض النبضة أو تقليله ، يقوم جهاز التحكم بتنظيم تدفق الطاقة إلى عمود المحرك. يعمل الحث الخاص بالمحرك كمرشح ، حيث يقوم بتخزين الطاقة أثناء دورة 'ON' أثناء إطلاقها بمعدل يتوافق مع إشارة الإدخال أو الإشارة المرجعية. بعبارة أخرى ، لا تتدفق الطاقة إلى الحمل بقدر تردد التبديل ، ولكن عند التردد المرجعي.
الدائرة تستخدم للتحكم في سرعة محرك بتيار مستمر باستخدام تقنية PWM. تستخدم وحدة التحكم في المحرك DC متغيرة السرعة من سلسلة 12V IC المؤقت 555 كمولد نبض PWM لتنظيم سرعة المحرك DC12 Volt. IC 555 هي شريحة Timer الشائعة المستخدمة في صنع دوائر المؤقت. تم تقديمه في عام 1972 من قبل Signetics. يطلق عليه 555 لأن هناك ثلاثة مقاومات 5 K بالداخل. يتكون IC من مقارنين وسلسلة مقاومة و Flip Flop ومرحلة إخراج. يعمل في 3 أوضاع أساسية - مستقر ، أحادي (حيث يعمل مولد نبضي طلقة واحدة ووضع ثنائي الاستقرار. أي عندما يتم تشغيله ، يرتفع الناتج لفترة بناءً على قيم مقاوم التوقيت والمكثف. في الوضع المستقر (AMV) ، يعمل IC كجهاز هزاز متعدد التشغيل. يتحول الناتج إلى ارتفاع ومنخفض بشكل مستمر لإعطاء خرج نابض كمذبذب. أو انخفاض الناتج على كل مشغل وإعادة تعيين.
في هذه الدائرة ، يتم استخدام IRF540 MOSFET. هذا هو N- قناة تحسين MOSFET. إنها لوحة MOSFET ذات طاقة متقدمة تم تصميمها واختبارها ومضمونة لتحمل مستوى معين من الطاقة في وضع التشغيل الانهيار الجليدي. تم تصميم وحدات MOSFET للطاقة هذه لتطبيقات مثل تبديل المنظمين ومحولات التبديل ومحركات المحركات ومحركات الترحيل ومحركات ترانزستورات التحويل ثنائية القطب عالية الطاقة التي تتطلب سرعة عالية وقوة محرك بوابة منخفضة. يمكن تشغيل هذه الأنواع مباشرة من الدوائر المتكاملة. يمكن تعديل جهد العمل لهذه الدائرة وفقًا لاحتياجات محرك التيار المستمر. يمكن أن تعمل هذه الدائرة من 5-18VDC.
فوق الدائرة أي التحكم في سرعة محرك DC بواسطة PWM تعمل التقنية على تغيير دورة العمل التي بدورها تتحكم في سرعة المحرك. IC 555 متصل في وضع مستقر يعمل بدون هزاز متعدد. تتكون الدائرة من ترتيب مقياس الجهد واثنين من الصمامات الثنائية ، والتي تستخدم لتغيير دورة العمل والحفاظ على التردد ثابتًا. نظرًا لتنوع مقاومة المقاوم المتغير أو مقياس الجهد ، تختلف دورة عمل النبضات المطبقة على MOSFET وبالتالي تختلف طاقة التيار المستمر للمحرك وبالتالي تزداد سرعته مع زيادة دورة العمل.
استخدام PWM لتوصيل طاقة التيار المتردد للتحميل
تعد محولات أشباه الموصلات الحديثة مثل MOSFETs أو الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة (IGBTs) مكونات مثالية تمامًا. وبالتالي يمكن بناء وحدات تحكم عالية الكفاءة. عادةً ما يكون لمحولات التردد المستخدمة للتحكم في محركات التيار المتردد كفاءة أفضل من 98٪. يكون تبديل مصادر الطاقة بكفاءة أقل بسبب انخفاض مستويات جهد الخرج (غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى أقل من 2 فولت للمعالجات الدقيقة) ولكن لا يزال من الممكن تحقيق كفاءة تزيد عن 70-80٪.
هذا النوع من التحكم في التيار المتردد هو طريقة معروفة بزاوية إطلاق النار المتأخر. إنه أرخص ويولد الكثير من الضوضاء والتوافقيات الكهربائية مقارنة بالتحكم الحقيقي في PWM الذي ينتج عنه ضوضاء لا تذكر.
في العديد من التطبيقات ، مثل التدفئة الصناعية ، والتحكم في الإضاءة ، والمحركات الحثية ذات البداية الناعمة ووحدات التحكم في السرعة للمراوح والمضخات تتطلب جهد تيار متردد متغير من مصدر تيار متردد ثابت. تم استخدام التحكم في زاوية الطور للمنظمين على نطاق واسع لهذه المتطلبات. يوفر بعض المزايا مثل البساطة والقدرة على التحكم في كمية كبيرة من الطاقة اقتصاديًا. ومع ذلك ، تسبب زاوية إطلاق النار المتأخرة انقطاعًا وتوافقيات وفيرة في تيار الحمل ويحدث عامل قدرة متأخر في جانب التيار المتردد عندما تزداد زاوية إطلاق النار.
يمكن تحسين هذه المشاكل باستخدام PWM AC chopper. توفر مفرمة التيار المتردد PWM العديد من المزايا مثل تيار الإدخال الجيبي مع عامل طاقة قريب من الوحدة. ومع ذلك ، لتقليل حجم المرشح وتحسين جودة منظم الإخراج ، يجب زيادة تردد التبديل. هذا يسبب فقدان تبديل عالية. هناك مشكلة أخرى وهي التبديل بين مفتاح التحويل S1 بمفتاح التدوير الحر S2. يتسبب في ارتفاع التيار إذا تم تشغيل كلا المفتاحين في نفس الوقت (دائرة كهربائية قصيرة) ، وارتفاع الجهد إذا تم إيقاف تشغيل كلا المفتاحين (لا يوجد مسار حر). لتجنب هذه المشاكل ، تم استخدام RC snubber. ومع ذلك ، فإن هذا يزيد من فقدان الطاقة في الدائرة ويكون صعبًا ومكلفًا وضخمًا وغير فعال لتطبيقات الطاقة العالية. تم اقتراح قاطع التيار المتردد بجهد كهربائي بتيار صفر (ZCS-ZVS). يحتاج منظم جهد الخرج إلى تغيير وقت التبديل الذي يتم التحكم فيه بواسطة إشارة PWM. وبالتالي ، من الضروري استخدام التحكم في التردد لتحقيق التبديل الناعم وأنظمة التحكم العامة تستخدم تقنيات PWM التي تنتج وقت التبديل. تتمتع هذه التقنية بمزايا مثل التحكم البسيط مع تعديل سيجما دلتا واستمرار الإدخال الحالي. يتم عرض ميزات تكوين الدائرة المقترحة وأنماط PWM المقطوعة أدناه.
