ШИМ или переменный резистор [закрыто]

Одна вещь, не рассмотренная в видео, это то, как нагрузка реагирует на импульсы напряжения и тока, создаваемые ШИМ. В зависимости от типа нагрузки результат может быть не таким эффективным и линейным, как ожидалось.

В случае двигателя постоянного тока частота ШИМ является важной переменной, которая может иметь существенное влияние. При очень низких частотах ШИМ двигатель будет ускоряться и замедляться при включении и выключении. По мере повышения частоты скорость двигателя становится более равномерной, но он по-прежнему будет производить заметную вибрацию и шум во всем звуковом диапазоне. Использование ультразвуковой частоты (выше 20 кГц) устраняет слышимый шум, но увеличивает потери в переключающем транзисторе и цепи драйвера.

Еще одним эффектом ШИМ является увеличение действующих значений тока и напряжения относительно их средних значений. Это вызывает дополнительные потери в резистивных компонентах нагрузки.

Рассмотрим эту упрощенную эквивалентную схему двигателя постоянного тока 12 В, питаемого от источника питания 6 В для получения половинной скорости:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

R1 представляет собой сопротивление обмоток якоря и щеток двигателя, а V2 представляет собой напряжение, которое двигатель генерирует при вращении на половинной скорости. R1 сбрасывает разницу между напряжением питания и напряжением генератора, 6В-5В=1В. Закон Ома говорит нам, что ток = напряжение / сопротивление, поэтому двигатель должен потреблять 1 В / 1 Ом = 1 А. Мощность = Вольты * Амперы, поэтому в двигателе теряется 1 Вт мощности.

Теперь рассмотрим, что произойдет, если вместо плавного источника постоянного тока мы подадим 12 В с ШИМ. Это быстро включает и выключает двигатель, снижая среднее напряжение, чтобы получить тот же эффект, что и 6 В постоянного тока. Логически вы можете подумать, что применение 12 В с коэффициентом ШИМ 50% подойдет. Однако на самом деле происходит то, что во время «включенной» части цикла ШИМ двигатель получает полные 12 В, поэтому ток подскакивает до (12–5 В) / 1 Ом = 7 А. Поскольку этот ток течет 50% времени, средний ток составляет 7А * 50% = 3,5А, а не 1А, который мы хотели. Этот дополнительный ток увеличивает скорость двигателя.

Чтобы получить половинную скорость, мы должны уменьшить коэффициент ШИМ до тех пор, пока двигатель не будет потреблять средний ток 1 А, генерируя 5 В. Для этого требуется коэффициент ШИМ 1A/7A = 14,3%. Во время включения ШИМ R1 падает 7 В и пропускает 7 А, поэтому он теряет 7 * 7 = 49 Вт мощности. Во время выключения ШИМ ток равен 0 А, поэтому потери мощности нет. Средняя потеря мощности теперь составляет 49 Вт * 14,3% = 7 Вт, что намного выше ожидаемого нами 1 Вт!

К счастью, большинство двигателей также имеют значительную индуктивность , которая препятствует изменению тока. Если частоту ШИМ сделать достаточно высокой, то колебания тока будут сглажены, а отношение ШИМ к кривой скорости двигателя станет линейным (т. е. 50 % ШИМ = 50 % скорости).

Из-за этого эффекта, чтобы правильно сравнить ШИМ и резистивное управление скоростью, вы должны измерить скорость двигателя, а не просто предполагать, что она будет пропорциональна среднему напряжению. Попробовав разные частоты ШИМ, вы увидите, как это влияет на эффективность и линейность управления скоростью.