{"id":2054,"date":"2013-10-16T20:52:59","date_gmt":"2013-10-16T19:52:59","guid":{"rendered":"http:\/\/svarthaletracing.se\/?p=2054"},"modified":"2013-10-16T20:52:59","modified_gmt":"2013-10-16T19:52:59","slug":"pwm-hit-och-pwm-dit-det-har-med-pedagogiken-blev-bara-skit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/svarthaletracing.se\/?p=2054","title":{"rendered":"PWM hit och PWM dit, det h\u00e4r med pedagogiken blev bara skit!"},"content":{"rendered":"

B\u00e5de vi och Mobackenkillarna<\/a> sl\u00e4nger nog oss med en del kryptiska ord i samband med det vi g\u00f6r. Ett s\u00e5dant (eller snarare en f\u00f6rkortning) \u00e4r PWM, vilket st\u00e5r f\u00f6r Pulse Width Modulation, eller pulsbreddsmodulering.<\/p>\n

Vad handlar det om egentligen d\u00e5? PWM kan anv\u00e4ndas f\u00f6r flera slutgiltiga syften, men i v\u00e5rt fall handlar det om effektreglering. Vi har ju snackat en del om v\u00e5ra br\u00e4nslepumpar, och det ”problem” som uppst\u00e5r n\u00e4r batterisp\u00e4nningen vi matar dem med inte \u00e4r konstant utan sjunker allt eftersom batteriet laddas ur. Nu \u00e4r det f\u00f6rvisso s\u00e5 att med de nya fina gel-batterierna<\/a> vi skaffade i vintras s\u00e5 blev problemet betydligt mindre, men det b\u00e4sta vore f\u00f6rst\u00e5s att ha en helt konstant sp\u00e4nning till pumparna.<\/p>\n

Tanken \u00e4r allts\u00e5 att seriekoppla tv\u00e5 batterier till 24V och sedan reglera ner sp\u00e4nningen till 13-14 volt. Det finns flera s\u00e4tt att reglera sp\u00e4nning p\u00e5.<\/p>\n

Linj\u00e4r reglering<\/strong><\/p>\n

Ett av de vanligaste \u00e4r med en s.k. linj\u00e4r regulator. D\u00e4r l\u00e5ter man helt enkelt regulatorn omvandla en del effekt till v\u00e4rme. Detta funkar f\u00f6r sm\u00e5 effektuttag, men blir v\u00e4ldigt opraktiskt f\u00f6r h\u00f6gre s\u00e5dana.<\/p>\n

Enligt tidigare m\u00e4tningar ligger effektf\u00f6rbrukningen f\u00f6r v\u00e5ra pumpar p\u00e5 c:a 600 watt vid 13 volts matningssp\u00e4nning. Enligt ohms lag drar g\u00e5r d\u00e5 600 \/ 13 = ~46 ampere genom pumparna. Om vi vill reglera ner sp\u00e4nningen fr\u00e5n 26 volt till 13 volt, vilket \u00e4r precis h\u00e4lften s\u00e5 kommer vi att ha exakt samma effektutveckling i regulatorn. Detta kr\u00e4ver en maffig kylfl\u00e4ns! Dessutom s\u00e5 f\u00f6rbrukas ju batterierna i dubbelt s\u00e5 h\u00f6g takt.<\/p>\n

Verkningsgraden<\/em> \u00e4r allts\u00e5 v\u00e4ldigt l\u00e5g, och varierar med hur mycket man vill s\u00e4nka sp\u00e4nningen. I fallet ovan \u00e4r verkningsgraden 50%. Vi tillf\u00f6r totalt 1200w (600 till regulatorn och 600 till pumparna), men f\u00e5r bara ut 600w som g\u00f6r n\u00e5gon verklig nytta.<\/p>\n

PWM<\/strong><\/p>\n

Ponera att vi kopplar pumparna till tv\u00e5 batterier (c:a 26v vid full laddning) och anv\u00e4nder en str\u00f6mbrytare f\u00f6r att starta\/stoppa dem. Om vi i j\u00e4mn takt sl\u00e5r str\u00f6mbrytaren till, fr\u00e5n, till, fr\u00e5n d\u00e4r den \u00e4r till precis lika l\u00e5ng tid som den \u00e4r fr\u00e5n s\u00e5 kommer f\u00f6rst\u00e5s pumparna att g\u00e5 v\u00e4ldigt oj\u00e4mnt. Det viktiga \u00e4r dock att medeleffekten som tillf\u00f6rs \u00e4r precis h\u00e4lften s\u00e5 stor som om str\u00f6mbrytaren varit tillslagen hela tiden.<\/p>\n

Om vi nu sl\u00e5r till\/fr\u00e5n str\u00f6mbrytaren v\u00e4ldigt snabbt. S\u00e4g 1000 g\u00e5nger per sekund. Medeleffekten \u00e4r fortfarande h\u00e4lften, men skillnaden \u00e4r att nu g\u00e5r pumparna j\u00e4mnt och fint. Utan att g\u00e5 in p\u00e5 detaljer allt f\u00f6r mycket s\u00e5 beror detta p\u00e5 flera faktorer varav dessa tv\u00e5 kanske \u00e4r de mest utm\u00e4rkande:<\/p>\n

1. Pumparna har ett masstr\u00f6ghetsmoment. D.v.s. rotorn i varje pump stannar inte hur snabbt som helst n\u00e4r str\u00f6mmen bryts.<\/p>\n

2. Lindningarna i pumpmotorerna har en induktans som agerar l\u00e5gpassfilter. N\u00e4r man matar en signal (en fyrkantv\u00e5g i detta fall) genom ett l\u00e5gpassfilter s\u00e5 filtreras h\u00f6gfrekvenskomponenterna (switchfrekvensen) bort.<\/p>\n

Om vi nu byter ut str\u00f6mbrytaren mot en transistor, och styr den med en mikrokontroller s\u00e5 kan vi reglera effekten till pumparna p\u00e5 ett smidigt s\u00e4tt. I fallet nedan s\u00e5 sl\u00e5s transistorn till och fr\u00e5n 3906 g\u00e5nger per sekund. Den tid som utsignalen \u00e4r till i f\u00f6rh\u00e5llande till n\u00e4r den \u00e4r fr\u00e5n kallas f\u00f6r duty cycle<\/em>. Vid 50% duty cycle \u00e4r utsignalen till precis lika l\u00e4nge som den \u00e4r fr\u00e5n. Vid 0% duty \u00e4r den aldrig till och vid 100% duty \u00e4r den till hela tiden.<\/p>\n

\"\"<\/a>

100% duty cycle<\/p><\/div>\n

Ovan ser ni utsignalen vid 100% duty cycle. Utsp\u00e4nningen \u00e4r ungef\u00e4r 9.6 volt, och \u00e4r precis densamma som insp\u00e4nningen.<\/p>\n

\"\"<\/a>

60% duty cycle<\/p><\/div>\n

Vid 60% duty cycle ser utsignalen ut som ovan. Vi ser ocks\u00e5 att Vavg, d.v.s. genomsnittssp\u00e4nningen \u00e4r ~6v – vilket \u00e4r ungef\u00e4r 60% av 9.5 volt (hade kunnat f\u00e5 en exaktare m\u00e4tning om jag l\u00e5tit oscilloskopet m\u00e4ta p\u00e5 fler \u00e4n knappt tv\u00e5 cykler).<\/p>\n

Den stora finessen med PWM-reglering \u00e4r de mycket l\u00e5ga effektf\u00f6rlusterna. I den b\u00e4sta av v\u00e4rldar, d\u00e4r man hade en switchtransistor med noll inre resistans s\u00e5 skulle man inte ha n\u00e5gra f\u00f6rluster alls, f\u00f6rutom i lasten (pumparna), men s\u00e5dana transistorer finns tyv\u00e4rr inte. De transistorer vi har anv\u00e4nt (PSMN5R5-60YS) har en inre resistans p\u00e5 max 8mOhm (milliohm), vilket \u00e4r f\u00f6rh\u00e5llandevis l\u00e5gt f\u00f6r att minimera f\u00f6rlusterna.<\/p>\n

Ponera att vi anv\u00e4nder endast en transistor: Vi kommer att leverera en str\u00f6m genom denna p\u00e5 46 A. Vid konstant tillslag (100% duty cycle) kommer d\u00e5 sp\u00e4nningsfallet genom denna att vara (U = I * R) 46 A * 0.008 Ohm = 0.368 V. Effektutvecklingen (P = U * I) blir d\u00e5 0.368 V * 46 A = 16.9 Watt. F\u00f6rh\u00e5llandet mellan str\u00f6m (I), resistans (R) och effekt (P) \u00e4r s\u00e5ledes som f\u00f6ljer:<\/p>\n

P = I^2 * R<\/p>\n

D\u00e5 medelstr\u00f6mmen genom transistorn vid 50% duty cycle \u00e4r h\u00e4lften s\u00e5 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 s\u00e5 blir verkningsgraden 600 \/ (600 + 6.2) = ~99%. Lite b\u00e4ttre \u00e4n med en linj\u00e4r regulator!<\/p>\n

4.2 watt l\u00e5ter inte s\u00e5 mycket, men 4.2 watt i ren v\u00e4rme p\u00e5 den j\u00e4ttelilla ytan som en effekttransistor har \u00e4r faktiskt ganska respektingivande. I alla fall utan kylfl\u00e4ns. Vi valde medvetet att slopa kylfl\u00e4nsar, d\u00e5 dessa b\u00e5de \u00e4r stora och tunga. Det \u00e4r dessutom sv\u00e5rt att montera dessa s\u00e5 att de t\u00e5l alla vibrationer som uppst\u00e5r n\u00e4r vidundret \u00e4r ig\u00e5ng (saker har skakat s\u00f6nder f\u00f6rut). Kopparytorna p\u00e5 kretskortet som transistorn sitter p\u00e5 \u00e4r tilltagen f\u00f6r att ge en viss kylning, men vi kommer inte att klara av att kyla bort 4.2 watt fr\u00e5n en s\u00e5 liten yta. Vad g\u00f6r man d\u00e5? Jo vi monterar flera transistorer parallellt och l\u00e5ter dem dela p\u00e5 belastningen. Tre transistorer kommer d\u00e5 att ta en tredjedel var av str\u00f6mmen. vid 50% duty blir medelstr\u00f6mmen runt 23 \/ 3 = 7.7 A. Effektutvecklingen i varje transistor blir d\u00e5 7.7^2 * 0.008 = ~0.47 watt. Mycket b\u00e4ttre!<\/p>\n

P\u00e5 bilden nedan ser man v\u00e5rt kretskort som ska sk\u00f6ta detta. Just nu \u00e4r bara en effekttransistor monterad. Den \u00e4r inringad med lila. De r\u00f6da pilarna visar str\u00f6mmens v\u00e4g genom kortet. \u00d6vrig elektronik \u00e4r till f\u00f6r att styra effekttransistorerna.<\/p>\n

\"\"<\/a>

Transistorkort<\/p><\/div>\n

N\u00e5gon helg fram\u00f6ver ska vi tukta det h\u00e4r kortet rej\u00e4lt. D\u00e5 matar vi det fr\u00e5n tv\u00e5 fulladdade gel-batterier och anv\u00e4nder ett gammal h\u00e4rdugnsv\u00e4rmeelement som konstlast. Jag har f\u00f6rberett lite idag och gjort i ordning lite elektronik som genererar pulserna som styr kortet ovan.<\/p>\n

\"\"<\/a>

Transistorkort (h\u00f6ger) samt pulsgenerator (v\u00e4nster)<\/p><\/div>\n

Klass D-f\u00f6rst\u00e4rkare<\/strong><\/p>\n

I ljudsammanhang s\u00e5 st\u00f6ter man nu f\u00f6r tiden ofta p\u00e5 begreppet klass D. M\u00e5nga kallar dessa \u00e4ven lite missvisande f\u00f6r digitala f\u00f6rst\u00e4rkare (utsignalen \u00e4r precis lika analog som hos alla andra f\u00f6rst\u00e4rkare). Principen f\u00f6r dessa \u00e4r faktiskt precis som ovan, fast lite mer komplicerad. Skillnaden \u00e4r att h\u00e4r vill man inte ha en konstant utsignal, utan precis de v\u00e5gformer som man vill f\u00e5 ut genom h\u00f6gtalarna. Man anv\u00e4nder h\u00e4r en switchfrekvens som ligger l\u00e5ngt \u00f6ver det h\u00f6rbara omr\u00e5det (20kHz).<\/p>\n

Bilden nedan visar generering av en ren sinusv\u00e5g.<\/p>\n

\"\"<\/a>

Utsignal i en klass D-f\u00f6rst\u00e4rkare f\u00f6re och efter l\u00e5gpassfiltrering<\/p><\/div>\n

Klass D-f\u00f6rst\u00e4rkare har precis som v\u00e5r regulator ovan mycket h\u00f6g verkningsgrad, och \u00e4r d\u00e4rf\u00f6r popul\u00e4ra i batteridrivna applikationer som mobiltelefoner, MP3-spelare etc. De har \u00e4ven b\u00f6rjat ta en del plats inom HIFI, men \u00e4nnu har de inte riktigt slagit igenom. Det finns trots f\u00f6rdelarna flera sv\u00e5righeter att tygla f\u00f6r att f\u00e5 v\u00e4ldigt bra ljudkvalit\u00e9. Undertecknad har faktiskt valt att g\u00e5 flera steg bak\u00e5t n\u00e4r det g\u00e4ller ljudbyggandet och har kn\u00e5pat ihop ett schabrak med gamla vakuumr\u00f6r p\u00e5 35 kg, 25 watt och 30-40% verkningsgrad vid full volym.<\/p>\n

Som titeln antyder – det h\u00e4r blev inte ens n\u00e4stan s\u00e5 pedagogiskt som jag t\u00e4nkt mig och ist\u00e4llet f\u00f6r att inspirera kanske man lyckades skr\u00e4mma n\u00e5gon fr\u00e5n att n\u00e5gonsin vilja h\u00e5lla p\u00e5 med elektronik. Det var i alla fall inte mitt syfte!<\/p>\n

(Som vanligt s\u00e5 \u00e4r saker och ting lite f\u00f6renklade h\u00e4r och var s\u00e5 ta inte alla siffror p\u00e5 h\u00f6gsta allvar…)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

B\u00e5de vi och Mobackenkillarna sl\u00e4nger nog oss med en del kryptiska ord i samband med det vi g\u00f6r. Ett s\u00e5dant (eller snarare en f\u00f6rkortning) \u00e4r PWM, vilket st\u00e5r f\u00f6r Pulse Width Modulation, eller pulsbreddsmodulering. Vad handlar det om egentligen d\u00e5? … Forts\u00e4tt l\u00e4sa →<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":2,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[26,4],"tags":[],"class_list":["post-2054","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-faktarutorguider","category-jetskotern"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/2054","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=2054"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/2054\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2070,"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/2054\/revisions\/2070"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=2054"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=2054"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/svarthaletracing.se\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=2054"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}