PWM hit och PWM dit, det här med pedagogiken blev bara skit!

Både vi och Mobackenkillarna slänger nog oss med en del kryptiska ord i samband med det vi gör. Ett sådant (eller snarare en förkortning) är PWM, vilket står för Pulse Width Modulation, eller pulsbreddsmodulering.

Vad handlar det om egentligen då? PWM kan användas för flera slutgiltiga syften, men i vårt fall handlar det om effektreglering. Vi har ju snackat en del om våra bränslepumpar, och det ”problem” som uppstår när batterispänningen vi matar dem med inte är konstant utan sjunker allt eftersom batteriet laddas ur. Nu är det förvisso så att med de nya fina gel-batterierna vi skaffade i vintras så blev problemet betydligt mindre, men det bästa vore förstås att ha en helt konstant spänning till pumparna.

Tanken är alltså att seriekoppla två batterier till 24V och sedan reglera ner spänningen till 13-14 volt. Det finns flera sätt att reglera spänning på.

Linjär reglering

Ett av de vanligaste är med en s.k. linjär regulator. Där låter man helt enkelt regulatorn omvandla en del effekt till värme. Detta funkar för små effektuttag, men blir väldigt opraktiskt för högre sådana.

Enligt tidigare mätningar ligger effektförbrukningen för våra pumpar på c:a 600 watt vid 13 volts matningsspänning. Enligt ohms lag drar går då 600 / 13 = ~46 ampere genom pumparna. Om vi vill reglera ner spänningen från 26 volt till 13 volt, vilket är precis hälften så kommer vi att ha exakt samma effektutveckling i regulatorn. Detta kräver en maffig kylfläns! Dessutom så förbrukas ju batterierna i dubbelt så hög takt.

Verkningsgraden är alltså väldigt låg, och varierar med hur mycket man vill sänka spänningen. I fallet ovan är verkningsgraden 50%. Vi tillför totalt 1200w (600 till regulatorn och 600 till pumparna), men får bara ut 600w som gör någon verklig nytta.

PWM

Ponera att vi kopplar pumparna till två batterier (c:a 26v vid full laddning) och använder en strömbrytare för att starta/stoppa dem. Om vi i jämn takt slår strömbrytaren till, från, till, från där den är till precis lika lång tid som den är från så kommer förstås pumparna att gå väldigt ojämnt. Det viktiga är dock att medeleffekten som tillförs är precis hälften så stor som om strömbrytaren varit tillslagen hela tiden.

Om vi nu slår till/från strömbrytaren väldigt snabbt. Säg 1000 gånger per sekund. Medeleffekten är fortfarande hälften, men skillnaden är att nu går pumparna jämnt och fint. Utan att gå in på detaljer allt för mycket så beror detta på flera faktorer varav dessa två kanske är de mest utmärkande:

1. Pumparna har ett masströghetsmoment. D.v.s. rotorn i varje pump stannar inte hur snabbt som helst när strömmen bryts.

2. Lindningarna i pumpmotorerna har en induktans som agerar lågpassfilter. När man matar en signal (en fyrkantvåg i detta fall) genom ett lågpassfilter så filtreras högfrekvenskomponenterna (switchfrekvensen) bort.

Om vi nu byter ut strömbrytaren mot en transistor, och styr den med en mikrokontroller så kan vi reglera effekten till pumparna på ett smidigt sätt. I fallet nedan så slås transistorn till och från 3906 gånger per sekund. Den tid som utsignalen är till i förhållande till när den är från kallas för duty cycle. Vid 50% duty cycle är utsignalen till precis lika länge som den är från. Vid 0% duty är den aldrig till och vid 100% duty är den till hela tiden.

100% duty cycle

Ovan ser ni utsignalen vid 100% duty cycle. Utspänningen är ungefär 9.6 volt, och är precis densamma som inspänningen.

60% duty cycle

Vid 60% duty cycle ser utsignalen ut som ovan. Vi ser också att Vavg, d.v.s. genomsnittsspänningen är ~6v – vilket är ungefär 60% av 9.5 volt (hade kunnat få en exaktare mätning om jag låtit oscilloskopet mäta på fler än knappt två cykler).

Den stora finessen med PWM-reglering är de mycket låga effektförlusterna. I den bästa av världar, där man hade en switchtransistor med noll inre resistans så skulle man inte ha några förluster alls, förutom i lasten (pumparna), men sådana transistorer finns tyvärr inte. De transistorer vi har använt (PSMN5R5-60YS) har en inre resistans på max 8mOhm (milliohm), vilket är förhållandevis lågt för att minimera förlusterna.

Ponera att vi använder endast en transistor: Vi kommer att leverera en ström genom denna på 46 A. Vid konstant tillslag (100% duty cycle) kommer då spänningsfallet genom denna att vara (U = I * R) 46 A * 0.008 Ohm = 0.368 V. Effektutvecklingen (P = U * I) blir då 0.368 V * 46 A = 16.9 Watt. Förhållandet mellan ström (I), resistans (R) och effekt (P) är således som följer:

P = I^2 * R

Då medelströmmen genom transistorn vid 50% duty cycle är hälften så stor, d.v.s. 23 A blir effektutvecklingen vid 50% duty: 23^2 * 0.008 = ~4.2 watt. Om vi nu levererar 600 watt till pumparna så blir verkningsgraden 600 / (600 + 6.2) = ~99%. Lite bättre än med en linjär regulator!

4.2 watt låter inte så mycket, men 4.2 watt i ren värme på den jättelilla ytan som en effekttransistor har är faktiskt ganska respektingivande. I alla fall utan kylfläns. Vi valde medvetet att slopa kylflänsar, då dessa både är stora och tunga. Det är dessutom svårt att montera dessa så att de tål alla vibrationer som uppstår när vidundret är igång (saker har skakat sönder förut). Kopparytorna på kretskortet som transistorn sitter på är tilltagen för att ge en viss kylning, men vi kommer inte att klara av att kyla bort 4.2 watt från en så liten yta. Vad gör man då? Jo vi monterar flera transistorer parallellt och låter dem dela på belastningen. Tre transistorer kommer då att ta en tredjedel var av strömmen. vid 50% duty blir medelströmmen runt 23 / 3 = 7.7 A. Effektutvecklingen i varje transistor blir då 7.7^2 * 0.008 = ~0.47 watt. Mycket bättre!

På bilden nedan ser man vårt kretskort som ska sköta detta. Just nu är bara en effekttransistor monterad. Den är inringad med lila. De röda pilarna visar strömmens väg genom kortet. Övrig elektronik är till för att styra effekttransistorerna.

Transistorkort

Någon helg framöver ska vi tukta det här kortet rejält. Då matar vi det från två fulladdade gel-batterier och använder ett gammal härdugnsvärmeelement som konstlast. Jag har förberett lite idag och gjort i ordning lite elektronik som genererar pulserna som styr kortet ovan.

Transistorkort (höger) samt pulsgenerator (vänster)

Klass D-förstärkare

I ljudsammanhang så stöter man nu för tiden ofta på begreppet klass D. Många kallar dessa även lite missvisande för digitala förstärkare (utsignalen är precis lika analog som hos alla andra förstärkare). Principen för dessa är faktiskt precis som ovan, fast lite mer komplicerad. Skillnaden är att här vill man inte ha en konstant utsignal, utan precis de vågformer som man vill få ut genom högtalarna. Man använder här en switchfrekvens som ligger långt över det hörbara området (20kHz).

Bilden nedan visar generering av en ren sinusvåg.

Utsignal i en klass D-förstärkare före och efter lågpassfiltrering

Klass D-förstärkare har precis som vår regulator ovan mycket hög verkningsgrad, och är därför populära i batteridrivna applikationer som mobiltelefoner, MP3-spelare etc. De har även börjat ta en del plats inom HIFI, men ännu har de inte riktigt slagit igenom. Det finns trots fördelarna flera svårigheter att tygla för att få väldigt bra ljudkvalité. Undertecknad har faktiskt valt att gå flera steg bakåt när det gäller ljudbyggandet och har knåpat ihop ett schabrak med gamla vakuumrör på 35 kg, 25 watt och 30-40% verkningsgrad vid full volym.

Som titeln antyder – det här blev inte ens nästan så pedagogiskt som jag tänkt mig och istället för att inspirera kanske man lyckades skrämma någon från att någonsin vilja hålla på med elektronik. Det var i alla fall inte mitt syfte!

(Som vanligt så är saker och ting lite förenklade här och var så ta inte alla siffror på högsta allvar…)