Apa itu PWM - modulasi lebar pulsa

Modulasi adalah proses listrik non-linier di mana parameter dari satu sinyal (pembawa) diubah oleh sinyal lain (modulasi, informasi). Frekuensi, amplitudo, dan modulasi fase banyak digunakan dalam teknik komunikasi. Dalam elektronika daya dan teknologi mikroprosesor modulasi lebar pulsa tersebar luas.

Apa itu PWM (modulasi lebar pulsa)

Dalam modulasi lebar pulsa amplitudo, frekuensi dan fase dari sinyal asli tetap tidak berubah. Di bawah pengaruh sinyal informasi dapat mengubah durasi (lebar) pulsa persegi panjang. Dalam literatur teknis bahasa Inggris, ini dilambangkan dengan singkatan PWM - modulasi lebar-pulsa.

Prinsip kerja PWM

Sinyal termodulasi lebar pulsa dibentuk dalam dua cara:

• analog;
• digital.

Metode pembangkitan sinyal analog PWM menggunakan gigi gergaji atau sinyal pembawa segitiga di pembalik masukan komparatordan sinyal informasi dikirim ke input non-pembalik dari komparator. Jika level pembawa sesaat lebih tinggi dari sinyal modulasi, output komparator adalah nol, jika lebih rendah - satu.Outputnya adalah sinyal diskrit dengan frekuensi yang sesuai dengan frekuensi segitiga pembawa atau gigi gergaji, dan panjang pulsa sebanding dengan level tegangan modulasi.

Sebagai contoh, modulasi lebar pulsa dari sinyal segitiga dengan sinyal peningkatan linier ditunjukkan. Durasi pulsa keluaran sebanding dengan tingkat sinyal keluaran.

Kontroler PWM analog juga tersedia sebagai sirkuit terpadu siap pakai yang berisi sirkuit pembanding dan pembangkit pembawa. Ada input untuk menghubungkan elemen encoder frekuensi eksternal dan memasok sinyal informasi. Dari output, sinyal diambil yang mengontrol sakelar eksternal yang kuat. Ada juga masukan untuk umpan balik - mereka diperlukan untuk mempertahankan parameter regulasi yang ditetapkan. Ini, misalnya, chip TL494. Untuk kasus di mana daya konsumen relatif rendah, pengontrol PWM dengan kunci bawaan tersedia. Untuk arus hingga 3 amp, sakelar internal chip LM2596 dirancang.

Metode digital dilakukan dengan menggunakan chip khusus atau mikroprosesor. Panjang pulsa dikendalikan oleh program internal. Banyak mikrokontroler, termasuk PIC dan AVR populer, memiliki modul onboard untuk implementasi perangkat keras PWM. Untuk mendapatkan sinyal PWM perlu mengaktifkan modul dan mengatur parameter operasinya. Jika tidak ada modul seperti itu, Anda dapat mengatur PWM dengan metode perangkat lunak murni, itu tidak sulit. Metode ini memberikan lebih banyak kemungkinan dan memberikan lebih banyak kebebasan karena penggunaan output yang fleksibel, tetapi melibatkan lebih banyak sumber daya pengontrol.

Karakteristik sinyal PWM

Karakteristik penting dari sinyal PWM adalah:

• amplitudo (U);
• frekuensi (f);
• Siklus tugas (S) atau faktor pengisian D.

Amplitudo dalam volt diatur tergantung pada beban. Ini harus memberikan tegangan suplai nominal konsumen.

Frekuensi sinyal termodulasi lebar pulsa dipilih dari pertimbangan berikut:

1. Semakin tinggi frekuensi, semakin besar akurasi regulasi.
2. Frekuensi tidak boleh lebih rendah dari waktu respons perangkat, yang dikendalikan oleh PWM, jika tidak, akan ada denyut yang nyata dari parameter yang diatur.
3. Semakin tinggi frekuensi, semakin tinggi kerugian switching. Ini disebabkan oleh fakta bahwa waktu peralihan kunci terbatas. Dalam keadaan terkunci, seluruh tegangan suplai jatuh pada elemen kunci, tetapi hampir tidak ada arus. Dalam keadaan terbuka, arus beban penuh mengalir melalui kunci, tetapi jatuh tegangannya kecil karena hambatan tembusnya beberapa ohm. Dalam kedua kasus, disipasi daya dapat diabaikan. Transisi dari satu keadaan ke keadaan lain berlangsung cepat, tetapi tidak seketika. Selama proses buka-tutup, tegangan besar turun pada elemen yang sebagian terbuka dan pada saat yang sama arus yang signifikan mengalir melaluinya. Pada saat ini disipasi daya mencapai nilai tinggi. Periode ini singkat, kuncinya tidak punya waktu untuk melakukan pemanasan secara signifikan. Tetapi ketika frekuensi meningkat, ada lebih banyak interval waktu per satuan waktu dan kehilangan panas meningkat. Oleh karena itu, penting untuk menggunakan elemen kerja cepat untuk konstruksi kunci.
4. Saat mengendalikan dari sebuah motor frekuensi harus mengarah di luar jangkauan yang dapat didengar oleh manusia - 25 kHz ke atas. Karena pada frekuensi PWM yang lebih rendah, terjadi siulan yang tidak menyenangkan.

Persyaratan ini sering bertentangan satu sama lain, sehingga pilihan frekuensi dalam beberapa kasus adalah mencari kompromi.

Besarnya modulasi ditandai dengan siklus kerja. Karena laju pengulangan pulsa konstan, durasi periode juga konstan (T=1/f). Sebuah periode terdiri dari pulsa dan jeda, yang memiliki durasi, masing-masing, t_imp dan T_{berhenti sebentar}, dimana t_imp+t_{berhenti sebentar}= . Rasio adalah rasio durasi pulsa ke periode - S=t_imp/T.Tetapi dalam praktiknya ternyata lebih mudah menggunakan nilai terbalik - faktor pengisian: D=1/S=T/t_hal.. Bahkan lebih mudah untuk mengekspresikan faktor pengisian sebagai persentase.

Apa perbedaan antara PWM dan PWM

Dalam literatur teknis asing, tidak ada perbedaan antara modulasi lebar pulsa dan kontrol lebar pulsa (PWM). Pakar Rusia mencoba membedakan antara konsep-konsep ini. Faktanya, PWM adalah jenis modulasi, yaitu, perubahan sinyal pembawa di bawah aksi sinyal modulasi lainnya. Sinyal pembawa bertindak sebagai pembawa informasi, dan sinyal modulasi mengatur informasi ini. Dan kontrol lebar pulsa adalah pengaturan mode beban melalui PWM.

Alasan dan aplikasi untuk PWM

Prinsip modulasi lebar pulsa digunakan dalam Pengontrol kecepatan untuk motor induksi yang kuat. Dalam hal ini, sinyal modulasi frekuensi yang dapat disesuaikan (fase tunggal atau tiga fase) dibentuk oleh generator gelombang sinus daya rendah dan ditumpangkan pada pembawa dengan cara analog. Outputnya adalah sinyal PWM, yang diumpankan ke tombol permintaan daya. Kemudian Anda dapat melewatkan urutan pulsa yang dihasilkan melalui filter low-pass, seperti rantai RC sederhana, dan mengisolasi sinusoid asli. Atau Anda dapat melakukannya tanpanya - penyaringan akan terjadi secara alami karena inersia motor. Jelas, semakin tinggi frekuensi pembawa, semakin banyak bentuk sinyal keluaran mendekati sinusoidal asli.

Sebuah pertanyaan alami muncul - mengapa Anda tidak dapat memperkuat sinyal osilator sekaligus, misalnya, menggunakan transistor daya tinggi? Karena elemen pengatur, yang beroperasi dalam mode linier, akan mendistribusikan kembali daya antara beban dan sakelar. Ini berarti banyak daya yang terbuang pada elemen kunci. Jika, di sisi lain, elemen pengatur yang kuat bekerja dalam mode kunci (trinistor, triac, transistor RGBT), daya didistribusikan dari waktu ke waktu.Kerugian akan jauh lebih rendah dan efisiensi akan jauh lebih tinggi.

Dalam teknologi digital, tidak ada alternatif khusus untuk kontrol lebar pulsa. Amplitudo sinyal konstan di sana, dan satu-satunya cara untuk mengubah tegangan dan arus adalah dengan memodulasi pembawa lebar pulsa dan kemudian meratakannya. Oleh karena itu, PWM digunakan untuk mengatur tegangan dan arus pada objek-objek yang dapat meratakan sinyal pulsa. Rata-rata terjadi dengan cara yang berbeda:

1. Dengan inersia beban. Dengan demikian, inersia termal pemanas termoelektrik dan lampu pijar memungkinkan objek kontrol tidak mendingin secara nyata di jeda antara pulsa.
2. Karena inersia persepsi. LED memiliki waktu untuk memudar dari pulsa ke pulsa, tetapi mata manusia tidak memperhatikan ini dan melihatnya sebagai cahaya konstan dengan intensitas yang bervariasi. Kontrol kecerahan monitor LED didasarkan pada prinsip ini. Tapi kedipan tak terlihat dengan frekuensi beberapa ratus hertz masih ada dan menyebabkan kelelahan mata.
3. Karena inersia mekanik. Properti ini digunakan untuk mengontrol motor kolektor DC. Jika frekuensi kontrol dipilih dengan benar, motor tidak memiliki waktu untuk berhenti di jeda waktu mati.

Oleh karena itu, PWM digunakan di mana nilai rata-rata tegangan atau arus memainkan peran yang menentukan. Selain kasus umum yang disebutkan, metode PWM mengatur arus rata-rata pada mesin las dan pengisi daya baterai, dll.

Jika rata-rata alami tidak memungkinkan, dalam banyak kasus peran ini dapat diasumsikan oleh filter lolos-rendah yang telah disebutkan (LPF) dalam bentuk rantai RC. Untuk tujuan praktis ini sudah cukup, tetapi harus dipahami bahwa tidak mungkin untuk mengisolasi sinyal asli dari PWM dengan LPF tanpa distorsi. Bagaimanapun, spektrum PWM mengandung sejumlah besar harmonik, yang pasti akan masuk ke bandwidth filter.Karena itu, tidak ada ilusi tentang bentuk sinusoid yang dipulihkan.

Kontrol PWM LED RGB sangat efektif dan efisien. Perangkat ini memiliki tiga sambungan p-n - merah, biru, hijau. Dengan mengubah kecerahan setiap saluran secara terpisah, Anda bisa mendapatkan hampir semua warna cahaya LED (kecuali putih murni). Kemungkinan untuk membuat efek cahaya dengan PWM tidak terbatas.

Aplikasi yang paling umum dari sinyal modulasi lebar pulsa digital adalah untuk mengontrol arus atau tegangan rata-rata yang mengalir melalui beban. Tetapi penggunaan non-standar dari jenis modulasi ini juga dimungkinkan. Itu semua tergantung pada imajinasi desainer.

Artikel terkait: