Czym jest Modulacja Szerokości Impulsów (PWM)?

Modulacja Szerokości Impulsów to inteligentna technika używana do sterowania urządzeniami analogowymi za pomocą sygnału cyfrowego. Wyobraź sobie próbę kontrolowania jasności żarówki za pomocą zwykłego włącznika. Nie możesz jej przyciemnić; jest albo w pełni włączona, albo całkowicie wyłączona. Jednakże, gdybyś mógł włączać i wyłączać przełącznik bardzo szybko, średnia jasność, którą postrzegasz, zależałaby od tego, jak długo przełącznik pozostaje włączony w porównaniu do czasu, w którym jest wyłączony. To jest sedno idei PWM.

W PWM informacja jest zakodowana w szerokości (lub czasie trwania) serii impulsów. Podczas gdy wysokość (amplituda) impulsów pozostaje stała, ich czas trwania jest zmieniany zgodnie z sygnałem informacyjnym, który chcemy reprezentować. Jest to rodzaj Modulacji Impulsowej.

Jak Generowany Jest Sygnał PWM

Prosta i powszechna metoda generowania sygnału PWM polega na porównywaniu dwóch sygnałów:

• Sygnał Modulujący: To jest oryginalna informacja, którą chcemy zakodować (np. próbka analogowego sygnału mowy, pożądana prędkość silnika).
• Sygnał Nośny: Sygnał o wysokiej częstotliwości i stałym kształcie, zazwyczaj fala piłokształtna lub trójkątna.

Te dwa sygnały są podawane na wejścia urządzenia zwanego komparatorem. Wyjście komparatora staje się sygnałem PWM:

• Gdy chwilowa wartość sygnału modulującego jest większa niż sygnału nośnego, wyjście komparatora jest WYSOKIE ('1').
• Gdy sygnał modulujący jest mniejszy niż sygnał nośny, wyjście komparatora jest NISKIE ('0').

Rezultatem jest seria prostokątnych impulsów, których szerokość jest wprost proporcjonalna do wartości sygnału modulującego w danym momencie. Wyższa wartość sygnału modulującego skutkuje szerszym impulsem, a niższa wartość - węższym.

Kluczowy Parametr: Cykl Wypełnienia

Najważniejszym parametrem opisującym sygnał PWM jest jego cykl wypełnienia (lub współczynnik wypełnienia). Jest to stosunek czasu trwania impulsu w stanie włączenia $(T_{\text{on}})$ do całkowitego okresu sygnału $(T)$, zwykle wyrażany w procentach.

• 0% cyklu wypełnienia oznacza, że sygnał jest zawsze wyłączony.
• 100% cyklu wypełnienia oznacza, że sygnał jest zawsze włączony.
• 50% cyklu wypełnienia oznacza, że sygnał jest włączony przez połowę czasu i wyłączony przez drugą połowę. Średnie napięcie wynosi 50% poziomu WYSOKIEGO.

Zmieniając cykl wypełnienia od 0% do 100%, możemy precyzyjnie kontrolować średnią moc dostarczaną do urządzenia.

Interaktywna Demonstracja PWM

Zastosowania PWM

Chociaż PWM może być używane do komunikacji, jego głównym obszarem zastosowań jest sterowanie mocą ze względu na wyjątkową wydajność.

1. Sterowanie i Regulacja Mocy

PWM jest szeroko stosowane do kontrolowania mocy dostarczanej do urządzeń elektrycznych. Jego kluczową zaletą jest wydajność. Tranzystory przełączające używane do generowania sygnału są albo w pełni WŁĄCZONE (działają jak zamknięty przełącznik o bardzo niskiej rezystancji), albo w pełni WYŁĄCZONE (działają jak otwarty przełącznik bez przepływu prądu). W obu tych stanach moc rozpraszana jako ciepło w tranzystorze jest minimalna ($P = I^2R$ lub $P = VI$), co czyni PWM bardzo wydajnym sposobem sterowania mocą.

Popularne przykłady to:

• Regulacja prędkości silników: Kontrolowanie prędkości silników prądu stałego we wszystkim, od elektroniki użytkowej po robotykę przemysłową.
• Ściemnianie diod LED: Wydajne sterowanie jasnością oświetlenia LED w domach, samochodach i wyświetlaczach.
• Przetwornice mocy: Stanowią podstawę nowoczesnych zasilaczy impulsowych (jak ładowarka do telefonu), aby efektywnie konwertować napięcia.

2. Telekomunikacja

PWM może być również wykorzystywane do przesyłania danych. W tym kontekście, wartość każdej próbki oryginalnego sygnału analogowego jest przypisywana do unikalnej szerokości impulsu. Odbiornik następnie mierzy szerokość każdego nadchodzącego impulsu, aby odtworzyć wartość próbki, a tym samym zrekonstruować oryginalny sygnał.