Che cos'è PWM - Modulazione dell'ampiezza di impulso

La modulazione è un processo elettrico non lineare in cui i parametri di un segnale (portante) vengono modificati utilizzando un altro segnale (modulazione, informazione). Nella tecnologia delle comunicazioni, la frequenza, l'ampiezza e la modulazione di fase sono ampiamente utilizzate. Nell'elettronica di potenza e nella tecnologia dei microprocessori, la modulazione della larghezza di impulso si è diffusa.

Che cos'è PWM (modulazione della larghezza di impulso)

Con la modulazione dell'ampiezza di impulso del segnale originale, l'ampiezza, la frequenza e la fase del segnale originale rimangono invariate. La durata (larghezza) dell'impulso rettangolare è soggetta a modifiche sotto l'azione del segnale informativo. Nella letteratura tecnica inglese, è abbreviato in PWM - modulazione di larghezza di impulso.

Come funziona PWM

Il segnale modulato in larghezza di impulso si forma in due modi:

• analogico;
• digitale.

Con il metodo analogico di creazione di un segnale PWM, una portante a forma di dente di sega o segnale triangolare viene inviata a un segnale invertente ingresso del comparatoree informazioni - sulla non inversione. Se il livello di portante istantaneo è superiore al segnale modulante, l'uscita del comparatore è zero, se inferiore a uno. L'uscita è un segnale discreto con una frequenza corrispondente alla frequenza del triangolo portante o della sega e una durata dell'impulso proporzionale al livello della tensione modulante.

Ad esempio, la modulazione dell'ampiezza dell'impulso di un segnale triangolare aumenta linearmente. La durata degli impulsi di uscita è proporzionale al livello del segnale di uscita.

I controller PWM analogici sono disponibili anche sotto forma di microcircuiti già pronti, all'interno dei quali sono installati un comparatore e un circuito di generazione portante. Sono presenti ingressi per il collegamento di elementi esterni di impostazione della frequenza e per la fornitura di un segnale informativo. Un segnale viene rimosso dall'uscita che controlla potenti chiavi esterne. Ci sono anche ingressi per il feedback: sono necessari per mantenere i parametri di controllo impostati. Tale, ad esempio, è il chip TL494. Per i casi in cui la potenza del consumatore è relativamente piccola, sono disponibili controller PWM con tasti integrati. La chiave interna del microcircuito LM2596 è progettata per correnti fino a 3 ampere.

Il metodo digitale viene eseguito utilizzando microcircuiti o microprocessori specializzati. La durata dell'impulso è controllata dal programma interno. Molti microcontrollori, inclusi i popolari PIC e AVR, hanno un modulo integrato per l'implementazione hardware di PWM "on board", per ricevere un segnale PWM, è necessario attivare il modulo e impostarne i parametri di funzionamento.Se un tale modulo non è disponibile, allora PWM può essere organizzato esclusivamente dal software, questo non è difficile. Questo metodo offre maggiore potenza e libertà grazie all'uso flessibile delle uscite, ma utilizza più risorse del controller.

Caratteristiche del segnale PWM

Le caratteristiche importanti del segnale PWM sono:

• ampiezza (U);
• frequenza (f);
• duty cycle (S) o duty cycle D.

L'ampiezza in volt viene impostata in base al carico. Deve fornire la tensione di alimentazione nominale del consumatore.

La frequenza del segnale modulato dall'ampiezza dell'impulso viene selezionata dalle seguenti considerazioni:

1. Maggiore è la frequenza, maggiore è la precisione del controllo.
2. La frequenza non deve essere inferiore al tempo di risposta del dispositivo controllato da PWM, altrimenti si verificheranno notevoli ondulazioni del parametro controllato.
3. Maggiore è la frequenza, maggiori saranno le perdite di commutazione. Nasce dal fatto che il tempo di commutazione della chiave è finito. Nello stato bloccato, tutta la tensione di alimentazione scende sull'elemento chiave, ma non c'è quasi corrente. Nello stato aperto, la corrente a pieno carico scorre attraverso la chiave, ma la caduta di tensione è piccola, poiché la resistenza di trasmissione è di pochi ohm. In entrambi i casi la dissipazione di potenza è trascurabile. Il passaggio da uno stato all'altro avviene rapidamente, ma non istantaneamente. Nel processo di sblocco-blocco, una grande tensione cade su un elemento parzialmente aperto e allo stesso tempo scorre una corrente significativa attraverso di esso. In questo momento la potenza dissipata raggiunge valori elevati. Questo periodo è breve, la chiave non ha il tempo di riscaldarsi in modo significativo.Ma con un aumento della frequenza di tali intervalli di tempo per unità di tempo, aumenta e le perdite di calore aumentano. Pertanto, per costruire chiavi, è importante utilizzare elementi veloci.
4. Durante la guida motore elettrico la frequenza deve essere sottratta all'area udibile da una persona - 25 kHz e oltre. Perché a una frequenza PWM più bassa si verifica uno sgradevole fischio.

Questi requisiti sono spesso in conflitto tra loro, quindi la scelta della frequenza in alcuni casi è un compromesso.

Il valore di modulazione caratterizza il duty cycle. Poiché la frequenza di ripetizione dell'impulso è costante, anche la durata del periodo è costante (T=1/f). Il periodo è costituito da un impulso e da una pausa, di durata rispettivamente t_imp e T_pause, e T_imp+t_pause=T. Il duty cycle è il rapporto tra la durata dell'impulso e il periodo - S \u003d t_imp/T. Ma in pratica si è rivelato più conveniente utilizzare il valore reciproco - il fattore di riempimento: D=1/S=T/t_imp. È ancora più comodo esprimere il fattore di riempimento in percentuale.

Qual è la differenza tra PWM e SIR

Nella letteratura tecnica straniera non c'è differenza tra modulazione di larghezza di impulso e regolazione di larghezza di impulso (PWR). Gli specialisti russi stanno cercando di distinguere tra questi concetti. In effetti, PWM è un tipo di modulazione, cioè cambiamenti nel segnale portante sotto l'influenza di un altro, modulandone uno. Il segnale portante funge da portante di informazioni e il segnale modulante imposta queste informazioni. E la regolazione dell'ampiezza dell'impulso è la regolazione della modalità di carico tramite PWM.

Ragioni e applicazioni di PWM

Il principio della modulazione dell'ampiezza dell'impulso viene utilizzato in regolatori di velocità di potenti motori asincroni. In questo caso, il segnale modulante a frequenza regolabile (monofase o trifase) è generato da un generatore di onde sinusoidali di bassa potenza e sovrapposto alla portante in modo analogico. L'uscita è un segnale PWM, che viene inviato ai tasti della potenza richiesta. Quindi puoi passare la sequenza di impulsi risultante attraverso un filtro passa basso, ad esempio attraverso un semplice circuito RC, e selezionare la sinusoide originale. Oppure puoi farne a meno: la filtrazione avverrà naturalmente a causa dell'inerzia del motore. Ovviamente, maggiore è la frequenza portante, più la forma d'onda di uscita è vicina alla sinusoide originale.

Sorge una domanda naturale: perché è impossibile amplificare immediatamente il segnale del generatore, ad esempio, utilizzando potenti transistor? Perché un elemento di regolazione che opera in modo lineare ridistribuirà la potenza tra il carico e la chiave. In questo caso, viene sprecata una potenza significativa sull'elemento chiave. Se un potente elemento di controllo funziona in una modalità chiave (trinistore, triac, transistor RGBT), la potenza viene distribuita nel tempo. Le perdite saranno molto più basse e l'efficienza sarà molto più alta.

Nella tecnologia digitale non esiste una particolare alternativa alla regolazione della larghezza di impulso. L'ampiezza del segnale è lì costante, la tensione e la corrente possono essere modificate solo modulando la portante lungo l'ampiezza dell'impulso e successivamente calcolandone la media. Pertanto, PWM viene utilizzato per regolare la tensione e la corrente su quegli oggetti che possono calcolare la media del segnale a impulsi. La media avviene in diversi modi:

1. a causa dell'inerzia del carico.Pertanto, l'inerzia termica dei riscaldatori termoelettrici e delle lampade a incandescenza consente agli oggetti regolati di non raffreddarsi notevolmente nelle pause tra gli impulsi.
2. A causa dell'inerzia della percezione. Il LED ha il tempo di passare da un impulso all'altro, ma l'occhio umano non se ne accorge e lo percepisce come un bagliore costante con intensità variabile. Questo principio viene utilizzato per controllare la luminosità dei punti dei monitor LED. Ma l'ammiccamento impercettibile con una frequenza di diverse centinaia di hertz è ancora presente e provoca affaticamento degli occhi.
3. per inerzia meccanica. Questa proprietà viene utilizzata nel controllo dei motori CC con spazzole. Con una frequenza di regolazione correttamente selezionata, il motore non ha il tempo di rallentare nei punti morti.

Pertanto, PWM viene utilizzato dove il valore medio della tensione o della corrente gioca un ruolo decisivo. Oltre ai casi comuni citati, il metodo PWM regola la corrente media in saldatrici e caricabatteria, ecc.

Se la media naturale non è possibile, in molti casi questo ruolo può essere assunto dal già citato filtro passa-basso (LPF) sotto forma di catena RC. Ai fini pratici, questo è sufficiente, ma è necessario comprendere che è impossibile isolare il segnale originale dal PWM utilizzando un filtro passa basso senza distorsioni. Dopotutto, lo spettro PWM contiene un numero infinito di armoniche che inevitabilmente cadranno nella banda passante del filtro. Pertanto, non si dovrebbero costruire illusioni sulla forma della sinusoide ricostruita.

Controllo LED RGB PWM molto efficiente ed efficace. Questo dispositivo ha tre giunzioni p-n: rosso, blu, verde.Modificando separatamente la luminosità del bagliore di ciascun canale, puoi ottenere quasi tutti i colori del bagliore del LED (ad eccezione del bianco puro). Le possibilità di creare effetti luminosi con PWM sono infinite.

L'applicazione più comune di un segnale digitale modulato a larghezza di impulso è il controllo della corrente o tensione media che scorre attraverso un carico. Ma è anche possibile un uso non standard di questo tipo di modulazione. Tutto dipende dall'immaginazione dello sviluppatore.

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