Modulația PWM - (Pulse Width Modulation)

Introducere
PWM, (Pulse Width Modulation) este cel mai eficient mod de a controla circuitele analogice folosind ieșirile numerice, prin modificarea duratei și frecvenței semnalului.
Cum arată un semnal dreptunghiular ?

Cam așa.
Ce putem modifica la acest semnal ?

Durata fiecarei stări t1 și t2, deci factorul de umplere, undeT= t1 + t2 = constant. Dacă se variază numai unul din timpi (t1 sau t2) atunci perioada T a unui ciclu variază, deci frecvența f=1/T variază.
Din imaginea de mai sus se poate observa ca semnalul PWM este de fapt un semnal dreptunghiular modulat în durată prin modificarea duratei fiecărei perioade t1, t2 ai ciclului precum și eventual modificarea frecvenței. Ambii parametrii vor fi explicați în cele ce urmează. Frecvența ciclului ceas este măsurată în Hz iar factorul de umplere este masurat în valori procentuale (%).
Amplitudinea semnalului de ieșire este constantă chiar dacă amplitudinea unor semnale ce produc modificarea factorului de umplere variază.
Ciclul ceas și parametrii factorului de umplere
Primul parametru este ușor de înțeles, este durata totală a semnalulului repetitiv cu durata t1 ce reprezintă timpul cât semnalul este pozitiv și durata t2 ce reprezintă timpul cât semnalul stă în nivel logic 0, dupa care începe un nou ciclu. Durata ciclului este deci: T= t1 + t2
Privind semnalele de mai jos observăm că suma celor două perioade este constantă deși t1 și t2 variază. Raportul t1/Tx100 îl vom numi factor de umplere (duty cycle).

Observăm că perioada unui ciclu este constantă. Conform formulei de mai jos :
Perioada (T)=
1

Frecvență (F)
perioada unui ciclu este invers proportională cu frecvența. Așadar, în exemplul de mai sus,

• frecvența este constantă, deși perioadele t1 și t2 sunt variabile, întrucat suma lor este constantă.
  
• factorul de umplere este valoarea procentuală a duratei de timp, cât semnalul are valoare pozitivă, din durata totală unui ciclu complet.

Controlul tensiunii și puterii
Una dintre cele mai banale utilizari ale PWM-ului este controlul tensiunii livrate pe sarcina, controlând astfel turația unui motor, lumina generată de LED-uri. Cum poate controla tensiunea un PWM? Simplu. Un semnal PWM cu factorul de umplere 100% ar livra 100% din tensiune. Prin modificarea factorului de umplere, rezultatul este de a reduce zona puterii furnizate pe sarcină, care este suprafața totală a impulsurilor pozitive generate de PWM.:

Prin modificarea factorului de umplere, putem modifica puterea debitată pe sarcină.
P livrata = P sursei x Factorul de umplere
Să presupunem acum că frecvența este mare, iar la ieșirea generatorului PWM este conectat un condensator, ca în schema de mai jos:

Se pot observa diferențele dintre tensiunea de ieșire rezultată în cazul în care circuitele operează cu un factor de umplere de 10%
și tensiunea de ieșire rezultată pentru un factor de umplere de 90%


Exemplul de mai sus relevă principiul general de funcționare pentru sursele de alimentare în comutație.
Semnale utilizate la transmisiile de date
Iată un mod simplu de a transmite date digitale folosind PWM:

Se observă din graficul de timp de mai sus că, prin modificarea factorului de umplere, putem distinge cele două stări diferite, 0 și
1. Astfel, pentru factorul de umplere de 10% va corespunde bitul 0 iar pentru factorul de umplere de 90% corespunde bitul 1.
Unul dintre marile avantaje folosind această metodă este că putem transmite și furniza date concomitent prin doar două fire precum și o tensiune de alimentare a dispozitivului receptor, la mică distanță, (exemplu: proiect EP0046) Analizați circuitul de mai jos:

Starea logică și nivelul semnalelor
Semnalul este aplicat pe baza a unui tranzistor de comutație ce îl va inversa și ridica nivelul de tensiune la 15V pentru a permite transmisia la distanțe mai mari.
Receptorul, realizat cu un singur tranzistor, va inversa semnalul și ii reduce nivelul de tensiune la 5V (compatibil TTL) . Tensiunea de alimentare este formată din semnalele recepționate, prin redresarea cu ajutorul diodei 1N4001 și filtrarea lor cu condensatorul de 16µF, tensiunea rezultată fiind limitată la 5.1V cu o diodă zener.
Transmisia semnalelor analogice
PWM-ul este utilizat pe scară largă pentru a modula, transmite și demodula semnalele analogice. Modularea se face în principal folosind o metoda numita PWM intersective. Conform acestei metode, semnalul analogic de intrare și cel în formă de dinți de fierastrău, sunt aplicate pe intrările unui comparator. Când nivelul de tensiune al dintelui de fierastrău este mai mic decât semnalul de intrare, iesirea PWM-ului trece în nivel mare de tensiune și invers. În figura de mai jos este exemplificat modul de generare a semnalelor PWM.

Semnalul analogic (portocaliu) este comparat cu forma de undă dinți de fierăstrău (albastru). Comparatorul va genera semnalul modulat PWM pentru a fi transmis.
Alte aplicatii pentru PWM
Datorită eficienței și simplității PWM-ului, precum și flexibilității acestui tip de modulație, există un număr nelimitat de aplicații. Astfel, folosind semnale PWM putem modula, transmite și stoca semnale analogice în telecomunicații audio/voice, muzică.
Sursele de alimentare în comutație ce folosesc aceasta tehnologie sunt mult mai eficiente energetic decât sursele de alimentare clasice, ajungând la o economisire a energiei de până la 60% . Controlul puterii, tensiunii se poate face atât digital prin utilizarea un microcontroller cât și cu clasicul potențiometru.
Motoarele pas cu pas precum și motoarele de curent continuu pot fi ușor controlate prin PWM. Cuplul și turația unui motor de curent continuu pot fi controlate prin modificarea de tensiunii aplicate sau a factorului de umplere a semnalului PWM.
PWM este utilizat pe scară larga în circuitele variator (dimmer) de comandă a lămpilor cu LED-uri.
Soluții :
Pentru a crea un semnal de 3V dat de o sursă de 0-5V putem utiliza un PWM cu un ciclu de 60 %, care scoate 60% din 5V. Dacă semnalul digital este repetat suficient de repede, atunci tensiunea la ieșire pare a fi o tensiune medie. Tensiunea medie poate fi calculată înmulțind tensiunea cu ciclul de lucru, sau 5V x 0,6 = 3V . Selectarea unui ciclu de 80% ar duce la 4V , 20 % ar duce la 1V și așa mai departe.
Pentru controlul motoarelor de curent continuu, valvelor, pompelor hidraulice, frecvența semnalului PWM trebuie să fie stabilită funcție de aplicație și de timpul de răspuns al sistemului care este alimentat. Mai jos sunt câteva aplicații și unele frecvențe
minime tipice PWM necesare :
Elemente de încălzire sau sisteme cu timp de răspuns lent : 10-100 Hz sau mai mare Motoare electrice c.c. : 5-10 kHz sau mai mare
Surse de alimentare sau amplificatoare audio : 20-200 kHz sau mai mare
Anumite sisteme pot necesita frecvențe mai ridicate decât ceea ce apare aici, în funcție de tipul de răspuns dorit . Mai jos sunt câteva grafice pentru semnalele PWM cu diferite cicluri de funcționare.

Factor de umplere 25%

Factor de umplere 50%

Factor de umplere 75%