Modulacja szerokości impulsów

PWM lub PWM (modulacja szerokości impulsu) to sposób kontrolowania zasilania obciążenia. Sterowanie polega na zmianie czasu trwania impulsu ze stałą częstotliwością powtarzania impulsu. Modulacja szerokości impulsu jest dostępna w trybie analogowym, cyfrowym, binarnym i trójskładnikowym.

Zastosowanie modulacji szerokości impulsu umożliwia zwiększenie wydajności przetwornic elektrycznych, zwłaszcza przetwornic impulsowych, które dziś stanowią podstawę wtórnych zasilaczy różnych urządzeń elektronicznych. Przetwornice flyback i forward single, push-pull i half-bridge, a także przełączające mostki są dziś sterowane przy udziale PWM, dotyczy to również przetwornic rezonansowych.

Modulacja szerokości impulsu pozwala dostosować jasność podświetlenia wyświetlaczy ciekłokrystalicznych telefonów komórkowych, smartfonów, laptopów. PWM jest zaimplementowany w spawarki, w falownikach samochodowych, w ładowarkach itp. Każda ładowarka wykorzystuje dziś w swoim działaniu PWM.

Tranzystory bipolarne i polowe w trybie klucza są stosowane jako elementy przełączające w nowoczesnych przetwornicach wysokiej częstotliwości. Oznacza to, że przez część okresu tranzystor jest całkowicie otwarty, a przez część okresu całkowicie zamknięty.

A ponieważ w stanach nieustalonych trwających zaledwie kilkadziesiąt nanosekund moc uwalniana przez przełącznik jest niewielka w porównaniu z mocą przełączaną, w rezultacie średnia moc uwalniana w postaci ciepła na przełączniku okazuje się znikoma. W tym przypadku w stanie zamkniętym rezystancja tranzystora jako przełącznika jest bardzo mała, a spadek napięcia na nim zbliża się do zera.

W stanie otwartym przewodność tranzystora jest bliska zeru, a prąd praktycznie przez niego nie przepływa. Umożliwia to tworzenie kompaktowych przetwornic o wysokiej sprawności, czyli o małych stratach ciepła. Przetwornice rezonansowe ZCS (Zero Current Switching) minimalizują te straty.

W analogowych generatorach PWM sygnał sterujący jest generowany przez komparator analogowy, gdy na przykład sygnał trójkątny lub triodowy jest doprowadzany do wejścia odwracającego komparatora, a ciągły sygnał modulujący jest doprowadzany do wejścia nieodwracającego.

Impulsy wyjściowe są odbierane prostokątny, ich częstotliwość powtarzania jest równa częstotliwości piły (lub kształtu fali trójkątnej), a czas trwania dodatniej części impulsu jest związany z czasem, w którym poziom modulującego sygnału DC przyłożonego do nieodwracającego wejścia komparator jest wyższy niż poziom sygnału piły podawanego na wejście odwracające.Gdy napięcie piły jest wyższe niż sygnał modulujący, wyjście będzie ujemną częścią impulsu.

Jeżeli piła zostanie przyłożona do wejścia nieodwracającego komparatora, a sygnał modulujący do wejścia odwracającego, to impulsy wyjściowe fali prostokątnej będą miały wartość dodatnią, gdy napięcie piły będzie wyższe niż wartość sygnału modulującego przykładane do wejścia odwracającego i ujemne — gdy napięcie piły jest niższe niż sygnał modulujący. Przykładem analogowej generacji PWM jest układ TL494, który jest dziś szeroko stosowany w budowie zasilaczy impulsowych.

Cyfrowy PWM jest używany w binarnej technologii cyfrowej. Impulsy wyjściowe również przyjmują tylko jedną z dwóch wartości (włączony lub wyłączony), a średni poziom wyjściowy zbliża się do pożądanego.Tutaj sygnał piłokształtny uzyskuje się za pomocą licznika N-bitowego.

Urządzenia cyfrowe PWM działają również ze stałą częstotliwością, koniecznie przekraczając czas odpowiedzi sterowanego urządzenia, takie podejście nazywa się oversamplingiem. Pomiędzy zboczami zegara cyfrowe wyjście PWM pozostaje stabilne, wysokie lub niskie, w zależności od aktualnego stanu wyjścia komparatora cyfrowego, który porównuje poziomy sygnału licznika i przybliżonego sygnału cyfrowego.

Wyjście jest taktowane jako sekwencja impulsów o stanach 1 i 0, każdy stan zegara może być odwrócony lub nie. Częstotliwość impulsów jest proporcjonalna do poziomu zbliżającego się sygnału, a kolejne jednostki mogą tworzyć szerszy, dłuższy impuls.

Otrzymane impulsy o zmiennej szerokości będą wielokrotnościami okresu zegara, a częstotliwość będzie równa 1/2NT, gdzie T to okres zegara, N to liczba cykli zegara. Niższa częstotliwość pod względem częstotliwości zegara jest tutaj osiągalna. Opisany schemat generowania cyfrowego to jednobitowa lub dwupoziomowa modulacja PWM z kodowaniem impulsowym PCM.

Ta dwustopniowa modulacja z kodowaniem impulsowym jest zasadniczo sekwencją impulsów o częstotliwości 1/T i szerokości T lub 0. Nadpróbkowanie służy do uśredniania w dłuższym okresie czasu. Wysokiej jakości modulację PWM uzyskuje się za pomocą jednobitowej modulacji o dużej gęstości impulsów, zwanej również modulacją częstotliwości impulsów.

W cyfrowej modulacji szerokości impulsu prostokątne podimpulsy wypełniające okres mogą pojawić się w dowolnym miejscu okresu i wtedy tylko ich liczba wpływa na średnią wartość sygnału dla okresu. Jeśli więc podzielimy okres na 8 części, to kombinacje impulsów 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 itd. da średnią z tego samego okresu, ale poszczególne jednostki powodują, że cykl pracy kluczowego tranzystora jest cięższy.

Podobną analogię do mechaniki podają luminarze elektroniki, mówiąc o PWM. Jeśli obracasz ciężkim kołem zamachowym wraz z silnikiem po tym, jak silnik można włączyć lub wyłączyć, koło zamachowe będzie się obracać i nadal obracać lub zatrzyma się z powodu tarcia, gdy silnik jest wyłączony.

Ale jeśli silnik jest włączony przez kilka sekund na minutę, wówczas obrót koła zamachowego zostanie utrzymany z powodu bezwładności przy określonej prędkości. A im dłużej silnik jest włączony, tym większa jest prędkość obrotowa koła zamachowego.Tak więc w przypadku PWM sygnał włączania i wyłączania (0 i 1) dociera do wyjścia, a wynikiem jest wartość średnia. Całkując napięcie impulsów po czasie, otrzymujemy pole pod impulsami, a efekt na pracującym ciele będzie identyczny jak praca przy średniej wartości napięcia.

Tak działają konwertery, w których przełączanie odbywa się tysiące razy na sekundę, a częstotliwości sięgają jednostek megaherców. Specjalne kontrolery PWM są szeroko stosowane do sterowania statecznikami lamp energooszczędnych, zasilaczy, przetwornice częstotliwości do silników itp.

Stosunek całkowitego czasu trwania impulsu do czasu włączenia (dodatnia część impulsu) nazywany jest cyklem pracy. Tak więc, jeśli czas włączenia wynosi 10 μs, a okres trwa 100 μs, to przy częstotliwości 10 kHz cykl pracy wyniesie 10 i piszą, że S = 10. Odwrotny cykl pracy nazywa się obowiązkiem cykl, w języku angielskim Cykl pracy lub w skrócie DC.

Tak więc dla podanego przykładu DC = 0,1, ponieważ 10/100 = 0,1. W przypadku modulacji szerokości impulsu, poprzez regulację współczynnika wypełnienia impulsu, czyli zmianę prądu stałego, uzyskuje się wymaganą wartość średnią na wyjściu urządzenia elektronicznego lub innego urządzenia elektrycznego, takiego jak silnik.