Modulazione dell'ampiezza dell'impulso

PWM o PWM (Pulse Width Modulation) è un modo per controllare l'alimentazione di un carico. Il controllo consiste nel modificare la durata dell'impulso a una frequenza di ripetizione dell'impulso costante. Pulse Width Modulation è disponibile in analogico, digitale, binario e ternario.

L'uso della modulazione di larghezza di impulso consente di aumentare l'efficienza dei convertitori elettrici, in particolare per i convertitori di impulsi, che oggi costituiscono la base degli alimentatori secondari per vari dispositivi elettronici. I convertitori flyback e forward single, push-pull e half-bridge, nonché i convertitori di commutazione a ponte sono controllati oggi con la partecipazione di PWM, questo vale anche per i convertitori risonanti.

La modulazione dell'ampiezza dell'impulso consente di regolare la luminosità della retroilluminazione dei display a cristalli liquidi di telefoni cellulari, smartphone, laptop. PWM è implementato in saldatrici, negli inverter per auto, nei caricabatterie, ecc. Ogni caricabatterie oggi utilizza PWM nel suo funzionamento.

I transistor bipolari e ad effetto di campo in modalità chiave sono utilizzati come elementi di commutazione nei moderni convertitori ad alta frequenza. Ciò significa che parte del periodo il transistor è completamente aperto e parte del periodo è completamente chiuso.

E poiché in stati transitori che durano solo decine di nanosecondi, la potenza rilasciata dall'interruttore è piccola rispetto alla potenza commutata, di conseguenza la potenza media rilasciata sotto forma di calore sull'interruttore risulta essere trascurabile. In questo caso, nello stato chiuso, la resistenza del transistor come interruttore è molto piccola e la caduta di tensione ai suoi capi si avvicina allo zero.

Nello stato aperto, la conduttività del transistor è prossima allo zero e la corrente praticamente non lo attraversa. Ciò consente di realizzare convertitori compatti ad alta efficienza, ovvero con basse dispersioni termiche. I convertitori risonanti ZCS (Zero Current Switching) riducono al minimo queste perdite.

Nei generatori PWM di tipo analogico, il segnale di controllo viene generato da un comparatore analogico quando, ad esempio, all'ingresso invertente del comparatore viene applicato un segnale triangolare o triodo e all'ingresso non invertente viene applicato un segnale continuo modulante.

Gli impulsi di uscita vengono ricevuti rettangolare, la loro frequenza di ripetizione è uguale alla frequenza della sega (o forma d'onda triangolare), e la durata della parte positiva dell'impulso è correlata al tempo durante il quale il livello del segnale DC modulante applicato all'ingresso non invertente di il comparatore è superiore al livello del segnale di sega che viene inviato all'ingresso invertente.Quando la tensione della sega è superiore al segnale modulante, l'uscita sarà la parte negativa dell'impulso.

Se la sega viene applicata all'ingresso non invertente del comparatore e il segnale modulante viene applicato a quello invertente, allora gli impulsi di uscita dell'onda quadra avranno un valore positivo quando la tensione della sega è superiore al valore del segnale modulante applicato all'ingresso invertente e negativo - quando la tensione della sega è inferiore al segnale modulante. Un esempio di generazione PWM analogica è il chip TL494, oggi ampiamente utilizzato nella costruzione di alimentatori switching.

Il PWM digitale è utilizzato nella tecnologia digitale binaria. Anche gli impulsi di uscita assumono solo uno dei due valori (acceso o spento) e il livello di uscita medio si avvicina a quello desiderato, qui il segnale a dente di sega è ottenuto utilizzando un contatore a N bit.

I dispositivi digitali PWM operano anche a frequenza costante, superando necessariamente il tempo di risposta del dispositivo controllato, questo approccio è chiamato sovracampionamento. Tra i fronti di clock, l'uscita PWM digitale rimane stabile, alta o bassa, a seconda dello stato corrente dell'uscita del comparatore digitale, che confronta i livelli del segnale del contatore e quello digitale approssimativo.

L'uscita è sincronizzata come una sequenza di impulsi con stati 1 e 0, ogni stato dell'orologio può o non può essere invertito. La frequenza degli impulsi è proporzionale al livello del segnale in avvicinamento e le unità successive possono formare un impulso più ampio e più lungo.

Gli impulsi di ampiezza variabile risultanti saranno multipli del periodo di clock e la frequenza sarà pari a 1/2NT, dove T è il periodo di clock, N è il numero di cicli di clock. Qui è possibile ottenere una frequenza inferiore in termini di frequenza di clock. Lo schema di generazione digitale descritto è PWM a un bit oa due livelli, modulazione PCM codificata a impulsi.

Questa modulazione codificata a impulsi a due stadi è essenzialmente una sequenza di impulsi con una frequenza di 1/T e un'ampiezza di T o 0. Il sovracampionamento viene utilizzato per calcolare la media su un periodo di tempo più lungo. Il PWM di alta qualità è ottenuto dalla modulazione a densità di impulsi a bit singolo, chiamata anche modulazione della frequenza degli impulsi.

Nella modulazione digitale dell'ampiezza dell'impulso, i sottoimpulsi rettangolari che riempiono il periodo possono apparire ovunque nel periodo, e quindi solo il loro numero influisce sul valore medio del segnale per il periodo. Quindi, se dividiamo il periodo in 8 parti, le combinazioni di impulsi 11001100, 11110000, 11000101, 10101010, ecc. darà la stessa media del periodo, ma le singole unità rendono più pesante il ciclo di lavoro del transistor chiave.

I luminari dell'elettronica, parlando di PWM, danno un'analogia simile alla meccanica. Se si gira un volano pesante con il motore dopo che il motore può essere acceso o spento, il volano girerà e continuerà a girare o si fermerà a causa dell'attrito quando il motore è spento.

Ma se il motore viene acceso per pochi secondi al minuto, la rotazione del volano verrà mantenuta per inerzia a una certa velocità. E più a lungo il motore è acceso, maggiore è la velocità di rotazione del volano.Quindi con PWM, un segnale di accensione e spegnimento (0 e 1) arriva all'uscita e il risultato è un valore medio. Integrando la tensione degli impulsi nel tempo, otteniamo l'area sotto gli impulsi e l'effetto sul corpo di lavoro sarà identico al lavoro con un valore medio della tensione.

È così che funzionano i convertitori, dove la commutazione avviene migliaia di volte al secondo e le frequenze raggiungono unità di megahertz. Speciali controller PWM sono ampiamente utilizzati per controllare i reattori di lampade a risparmio energetico, alimentatori, convertitori di frequenza per motori eccetera.

Il rapporto tra la durata totale del periodo dell'impulso e il tempo di attivazione (parte positiva dell'impulso) è chiamato duty cycle. Quindi, se il tempo di accensione è di 10 μs e il periodo dura 100 μs, quindi a una frequenza di 10 kHz, il ciclo di lavoro sarà 10 e scrivono che S = 10. Il ciclo di lavoro inverso è chiamato dovere cycle, in inglese Duty cycle o DC in breve.

Quindi, per l'esempio dato, DC = 0,1 poiché 10/100 = 0,1. Con la modulazione dell'ampiezza dell'impulso, regolando il ciclo di lavoro dell'impulso, cioè modificando la corrente continua, si ottiene il valore medio richiesto all'uscita di un dispositivo elettronico o di altro tipo, come un motore.