Modulacja Szerokości Impulsów (PWM)

Modulacja szerokości impulsów i sterowanie wartością średnią

Modulacja szerokości impulsów (PWM) to technika sterowania wartością średnią za pomocą cyfrowego przebiegu prostokątnego. Przykład ściemniania lampy pokazuje zasadę. Szybkie przełączanie między stanem włączenia i wyłączenia daje jasność zależną od udziału czasu, w którym wyjście pozostaje w stanie wysokim. Obciążenie lub filtr uśrednia przebieg w skali czasu właściwej dla danego układu.

W PWM informacja jest zakodowana w szerokości (czyli czasie trwania) kolejnych impulsów. Poziom wysoki i częstotliwość pozostają ustalone w danym trybie pracy, natomiast czas trwania stanu wysokiego zmienia się zgodnie z sygnałem sterującym. PWM należy do .

Jak generowany jest sygnał PWM

Prosty i często stosowany generator PWM porównuje dwa sygnały:

Sygnał modulujący: Wartość, którą chcemy odwzorować, na przykład próbka analogowego sygnału mowy albo zadana prędkość silnika.
Sygnał nośny: Przebieg o stałej częstotliwości i znanym kształcie, zwykle piłokształtnym lub trójkątnym.

Te dwa sygnały są podawane na wejścia urządzenia zwanego . Wyjście komparatora tworzy sygnał PWM:

Gdy chwilowa wartość sygnału modulującego jest większa od wartości nośnej, wyjście komparatora jest WYSOKIE ('1').
Gdy sygnał modulujący jest mniejszy od sygnału nośnego, wyjście komparatora jest NISKIE ('0').

Rezultatem jest seria prostokątnych impulsów. Przy stałym przebiegu nośnym i zakresie sygnału sterującego wyższa wartość modulująca daje większy czas stanu wysokiego, czyli szerszy impuls, a niższa wartość daje impuls węższy.

Cykl wypełnienia

Parametrem opisującym sygnał PWM jest jego cykl wypełnienia (współczynnik wypełnienia). To stosunek czasu stanu wysokiego $(T_{\text{on}})$ do okresu sygnału $(T)$ , zwykle podawany w procentach.

\text{Cykl Wypełnienia} = \frac{T_{\text{on}}}{T} = \frac{T_{\text{on}}}{T_{\text{on}} + T_{\text{off}}}

0% cyklu wypełnienia oznacza, że sygnał jest zawsze wyłączony.
100% cyklu wypełnienia oznacza, że sygnał jest zawsze włączony.
50% cyklu wypełnienia oznacza stan wysoki przez połowę okresu i stan niski przez drugą połowę. Dla poziomów 0 V i $V_H$ oraz idealnego uśredniania średnie napięcie wynosi $\overline{V}=0{,}5V_H$ .

Zmiana cyklu wypełnienia od 0% do 100% zmienia wartość średnią. Dla idealnego wyjścia przełączanego między 0 V i $V_H$ zachodzi $\overline{V}=D V_H$ , gdzie $D$ oznacza cykl wypełnienia. Średnia moc zależy dodatkowo od rodzaju obciążenia, filtru i parametrów przełącznika.

Zastosowania PWM

PWM przenosi informacje o wartości próbki i najczęściej steruje mocą oraz wartością średnią w układach przełączanych. Sprawność układu wynika z tego, że tranzystor przez większość czasu pracuje w stanie włączenia albo wyłączenia, a przez obszar pośredni przechodzi krótko podczas przełączania.

1. Sterowanie i regulacja mocy

PWM jest szeroko stosowane do sterowania mocą urządzeń elektrycznych. Tranzystor przełączający pracuje w stanie WŁĄCZONYM, z małym spadkiem napięcia i rezystancją, albo w stanie WYŁĄCZONYM, z prądem bliskim zeru. Straty przewodzenia można opisać przez $P = I^2R$ , a chwilową moc przez $P = VI$ . Straty przełączania i przewodzenia oraz straty w elementach pasożytniczych zależą od częstotliwości i obciążenia.

Popularne przykłady to:

Regulacja prędkości silników: Zmiana napięcia średniego wpływa na prędkość silników prądu stałego w elektronice użytkowej i robotyce przemysłowej.
Ściemnianie diod LED: Przy stałym prądzie LED udział czasu przewodzenia wpływa na jasność oświetlenia LED w domach, samochodach i wyświetlaczach.
Przetwornice mocy: Sterowanie kluczami i elementami magazynującymi energię tworzy podstawę zasilaczy impulsowych, takich jak ładowarki telefonów.

2. Telekomunikacja

PWM może również przenosić dane. W takim zastosowaniu wartość każdej próbki sygnału analogowego jest przypisywana do szerokości impulsu, a odbiornik mierzy tę szerokość przy znanym okresie i skali. Odtworzenie próbki wymaga synchronizacji, odpowiedniej liniowości toru oraz filtracji, gdy wynik ma być sygnałem analogowym.