PWM + LC-Filter - Spannungswert nicht linear mit Tastverhältnis

Ich experimentiere mit PWM- und LC-Filtern und denke, dass es beim Glätten des Signals richtig funktioniert, aber aus irgendeinem Grund ist die Spannung am Ausgang nicht linear mit dem Arbeitszyklus. Ich verwende eine 56-uH-Induktivität und einen 220-uF-Kondensator (von 1 / (2 * PI * sqrt(L * C))1433 Hz). Das PWM-Signal hat eine Frequenz von 20 kHz. So sieht die Glättung auf dem Oszilloskop mit 50mV/div aus:

Oszilloskopausgang, 50mV/div

Das Problem ist, dass die Spannung nicht linear mit dem Arbeitszyklus ansteigt. Ich verwende einen 5-V-Ausgang von Arduino mit einem 1-k-Widerstand mit einer LED, wodurch ich etwas weniger als 2 V durch die LED bekomme. Nach dem Anschließen einer Induktivität und eines Kondensators beträgt die Spannung bei 100 % Einschaltdauer immer noch etwas weniger als 2 V und fällt für 0 % korrekt auf 0 ab. Doch was dazwischen passiert, ist unerwartet. Die Spannung ist bei etwa 33 % Einschaltdauer fast maximal und ändert sich nur wenig, wenn sie auf 100 % steigt.

Ist es etwas Normales? Wenn das richtig ist, wie berechne ich die Spannung basierend auf dem Arbeitszyklus? Wenn dies nicht erwartet wird, worauf sollte ich in meiner Schaltung achten?

Hier ist ein Schema:

schematisch

Und auch eine Übersicht, wie ich es mit Arduino verbinde, nur für den Fall:

Arduino mit Steckbrett und Anschlüssen

Schema bitte.
Entschuldigung, ich hätte es gleich hinzufügen sollen. Es ist jetzt in der Post.
Ist der PWM-Ausgang Push-Pull von der MCU?
@Andyaka Ich bin mir nicht sicher, was du damit meinst. Die PWM wird von Arduino erzeugt. Die Frequenz wird durch die PWM-Frequenzbibliothek eingestellt . Ich könnte ein Foto einer PWM ohne Filterung einfügen, aber im Grunde ist es das, was Sie erwarten würden - Rechteckwelle mit einer Frequenz von 20 kHz.

Antworten (2)

Wenn der Widerstand in Reihe mit der Induktivität und Ihrem Oszilloskop über der LED liegt, erhalten Sie eine steigende Spannung mit steigendem Tastverhältnis, dann beginnt die LED bei etwa 2 oder 3 Volt zu leiten und Sie werden keinen Anstieg des Spannungsanstiegs feststellen. Versuchen Sie, den Widerstand in Reihe mit der LED zu schalten und über R und LED zu messen, nicht nur über die LED: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wie Sie sehen können, erfordert das Erhöhen der Spannung über der LED auf etwa 1,6 Volt praktisch keinen Strom vom MCU-Pin. Um es auf 2 Volt anzuheben, sind 20 mA erforderlich, und das liegt in der Nähe der Grenze Ihres Geräts. Hey, selbst wenn es 50 mA liefern könnte, würde die LED-Spannung nur auf etwa 2,37 Volt steigen. Sehen Sie sich dies an , wenn Sie mehr Klarheit wünschen.

Stellen Sie außerdem sicher, dass Ihr MCU-Ausgang in der Lage ist, den Rückschlag von der Induktivität ohne Probleme zu verarbeiten. Normalerweise wird eine Freilaufdiode oder eine schwerere Gegentaktstufe verwendet.

Entfernen Sie auch diese bedeutungslosen Oszilloskopbilder - wir wissen, dass sie aufgrund der 220uF-Kappe eine Gleichspannung anzeigen - sagen Sie uns einfach, wie hoch die Spannung ist, indem Sie sie mit einem Multimeter messen.

Danke, es funktioniert jetzt richtig! Entschuldigung für die überschüssigen Bilder vom Oszilloskop, ich dachte, es könnte nützlich sein.
In Bezug auf den Rückschlag werde ich in der realen Schaltung Mosfets verwenden, das wird also eine etwas andere Geschichte sein. Ich wollte zuerst die Filterung ohne Mosfets überprüfen, um zu sehen, ob sie auf einer einfacheren Schaltung richtig funktioniert.
Intuitiv hat der Induktor einen Gleichstromwiderstand von null Ohm (oder nahezu genug), daher ist der durchschnittliche Gleichstromausgang derselbe wie der durchschnittliche Gleichstromeingang, selbst unter ziemlich schweren Lastbedingungen. Zur Arbeit verpflichtet!!

Ich kann es nicht genau wissen, ohne den Schaltplan zu sehen, aber es scheint, dass Sie eine RC-Schaltung erstellt haben, die die Spannung der PWM-Schaltung dämpft.

LEDs arbeiten mit Gleichstrom. Was wahrscheinlich passiert (wiederum abhängig vom Schaltkreis), ist, dass Sie den Kondensator aufladen und die Spannung normalisieren.

Ja. Verschieben Sie zum OP den Widerstand so, dass er direkt mit D1 in Reihe geschaltet ist, und versuchen Sie es erneut. Beachten Sie, dass Dioden keine gute Last für Spannungsregler darstellen, da sie beginnen, sehr große Ströme zu leiten, sobald sie in Durchlassrichtung vorgespannt sind und Sie versuchen, die Spannung zu erhöhen.
Ich habe den Widerstand in Reihe mit D1 verschoben und es hat nichts geändert. Ich bin mir auch nicht sicher, ob Sie ein richtiges Problem sehen - ich habe ein paar weitere Fotos vom Oszilloskop hinzugefügt, um das eigentliche Problem zu zeigen, das erste Foto sollte nur zeigen, dass die Glättung funktioniert.
PWM + LC-Filter - Spannungswert nicht linear mit Tastverhältnis
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