Apa itu PWM - Modulasi Lebar Pulsa

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

Apa itu PWM (Pulse Width Modulation)

Dengan modulasi lebar pulsa dari sinyal asli, amplitudo, frekuensi dan fase dari sinyal asli tetap tidak berubah. Durasi (lebar) pulsa persegi panjang dapat berubah di bawah aksi sinyal informasi. Dalam literatur teknis bahasa Inggris, disingkat PWM - modulasi lebar-pulsa.

Cara kerja PWM

Sinyal termodulasi lebar pulsa dibentuk dalam dua cara:

• analog;
• digital.

Dengan metode analog membuat sinyal PWM, pembawa dalam bentuk gigi gergaji atau sinyal segitiga diumpankan ke pembalik masukan pembanding, dan informasi - tentang non-pembalik. Jika level pembawa sesaat lebih tinggi dari sinyal modulasi, maka output komparator adalah nol, jika lebih rendah - satu. Outputnya adalah sinyal diskrit dengan frekuensi yang sesuai dengan frekuensi segitiga pembawa atau gergaji, dan panjang pulsa sebanding dengan tingkat tegangan modulasi.

Sebagai contoh, modulasi lebar pulsa dari sinyal segitiga meningkat secara linier. Durasi pulsa keluaran sebanding dengan level sinyal keluaran.

Pengontrol PWM analog juga tersedia dalam bentuk sirkuit mikro siap pakai, di mana komparator dan sirkuit pembangkit pembawa dipasang di dalamnya. Ada input untuk menghubungkan elemen pengaturan frekuensi eksternal dan memasok sinyal informasi. Sinyal dihapus dari output yang mengontrol kunci asing yang kuat. Ada juga masukan untuk umpan balik - mereka diperlukan untuk mempertahankan parameter kontrol yang ditetapkan. Seperti, misalnya, adalah chip TL494. Untuk kasus di mana daya konsumen relatif kecil, pengontrol PWM dengan kunci bawaan tersedia. Kunci internal sirkuit mikro LM2596 dirancang untuk arus hingga 3 ampere.

Metode digital dilakukan dengan menggunakan sirkuit mikro atau mikroprosesor khusus. Panjang pulsa dikendalikan oleh program internal. Banyak mikrokontroler, termasuk PIC dan AVR yang populer, memiliki modul bawaan untuk implementasi perangkat keras PWM "on board", untuk menerima sinyal PWM, Anda perlu mengaktifkan modul dan mengatur parameter operasinya.Jika modul seperti itu tidak tersedia, maka PWM dapat diatur murni oleh perangkat lunak, ini tidak sulit. Metode ini memberikan lebih banyak kekuatan dan kebebasan melalui penggunaan output yang fleksibel, tetapi menggunakan lebih banyak sumber daya pengontrol.

Karakteristik sinyal PWM

Karakteristik penting dari sinyal PWM adalah:

• amplitudo (U);
• frekuensi (f);
• duty cycle (S) atau duty cycle D.

Amplitudo dalam volt diatur tergantung pada beban. Itu harus memberikan tegangan suplai pengenal konsumen.

Frekuensi sinyal yang dimodulasi oleh lebar pulsa dipilih dari pertimbangan berikut:

1. Semakin tinggi frekuensinya, semakin tinggi akurasi kontrolnya.
2. Frekuensi tidak boleh lebih rendah dari waktu respons perangkat yang dikendalikan oleh PWM, jika tidak, riak nyata dari parameter yang dikontrol akan terjadi.
3. Semakin tinggi frekuensi, semakin tinggi kerugian switching. Itu muncul dari fakta bahwa waktu peralihan kunci terbatas. Dalam keadaan terkunci, semua tegangan suplai turun pada elemen kunci, tetapi hampir tidak ada arus. Dalam keadaan terbuka, arus beban penuh mengalir melalui kunci, tetapi penurunan tegangan kecil, karena resistansi keluaran beberapa ohm. Dalam kedua kasus, disipasi daya dapat diabaikan. Transisi dari satu keadaan ke keadaan lain terjadi dengan cepat, tetapi tidak secara instan. Dalam proses membuka-mengunci, tegangan besar turun pada elemen yang sebagian terbuka dan pada saat yang sama arus yang signifikan mengalir melaluinya. Pada saat ini, daya yang hilang mencapai nilai tinggi. Periode ini singkat, kuncinya tidak punya waktu untuk pemanasan secara signifikan.Tetapi dengan peningkatan frekuensi interval waktu seperti itu per satuan waktu, itu menjadi lebih banyak, dan kehilangan panas meningkat. Oleh karena itu, untuk membangun kunci, penting untuk menggunakan elemen cepat.
4. Ketika berkendara motor listrik frekuensi harus diambil dari area yang dapat didengar oleh seseorang - 25 kHz ke atas. Karena pada frekuensi PWM yang lebih rendah, peluit yang tidak menyenangkan terjadi.

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

Nilai modulasi mencirikan siklus kerja. Karena laju pengulangan pulsa konstan, durasi periode juga konstan (T=1/f). Periode terdiri dari impuls dan jeda, memiliki durasi, masing-masing, t_imp dan T_jeda, dan T_imp+t_jeda=T. Siklus tugas adalah rasio durasi pulsa dengan periode - S \u003d t_imp/T. Tetapi dalam praktiknya ternyata lebih nyaman menggunakan nilai timbal balik - faktor pengisian: D=1/S=T/t_imp. Bahkan lebih mudah untuk menyatakan faktor pengisian sebagai persentase.

Apa perbedaan antara PWM dan SIR?

Dalam literatur teknis asing tidak ada perbedaan antara modulasi lebar pulsa dan regulasi lebar pulsa (PWR). Spesialis Rusia mencoba membedakan antara konsep-konsep ini. Faktanya, PWM adalah jenis modulasi, yaitu, perubahan sinyal pembawa di bawah pengaruh yang lain, memodulasi satu. Sinyal pembawa bertindak sebagai pembawa informasi, dan sinyal modulasi mengatur informasi ini. Dan pengaturan lebar pulsa adalah pengaturan mode beban menggunakan PWM.

Alasan dan aplikasi PWM

Prinsip modulasi lebar pulsa digunakan dalam pengontrol kecepatan motor asinkron yang kuat. Dalam hal ini, sinyal modulasi frekuensi yang dapat disesuaikan (fase tunggal atau tiga fase) dihasilkan oleh generator gelombang sinus berdaya rendah dan ditumpangkan pada pembawa dengan cara analog. Outputnya adalah sinyal PWM, yang diumpankan ke kunci daya yang diperlukan. Kemudian Anda dapat melewatkan urutan pulsa yang dihasilkan melalui filter low-pass, misalnya, melalui rangkaian RC sederhana, dan memilih sinusoidal asli. Atau Anda dapat melakukannya tanpanya - filtrasi akan terjadi secara alami karena inersia mesin. Jelas, semakin tinggi frekuensi pembawa, semakin dekat bentuk gelombang keluaran dengan sinusoidal asli.

Muncul pertanyaan alami - mengapa tidak mungkin untuk segera memperkuat sinyal generator, misalnya, menggunakan transistor yang kuat? Karena elemen pengatur yang beroperasi dalam mode linier akan mendistribusikan kembali daya antara beban dan kunci. Dalam hal ini, daya yang signifikan terbuang pada elemen kunci. Jika elemen kontrol yang kuat beroperasi dalam mode kunci (trinistor, triac, transistor RGBT), maka 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 pengaturan lebar pulsa. Amplitudo sinyal konstan di sana, tegangan dan arus dapat diubah hanya dengan memodulasi pembawa sepanjang lebar pulsa dan kemudian rata-rata. 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. karena inersia beban.Dengan demikian, inersia termal pemanas termoelektrik dan lampu pijar memungkinkan objek yang diatur tidak terlalu dingin dalam jeda di antara pulsa.
2. Karena inersia persepsi. LED memiliki waktu untuk keluar dari pulsa ke pulsa, tetapi mata manusia tidak memperhatikan ini dan menganggapnya sebagai cahaya konstan dengan intensitas yang bervariasi. Prinsip ini digunakan untuk mengontrol kecerahan titik-titik monitor LED. Tapi kedipan tak terlihat dengan frekuensi beberapa ratus hertz masih ada dan menyebabkan kelelahan mata.
3. karena inersia mekanik. Properti ini digunakan dalam kontrol motor DC yang disikat. Dengan frekuensi pengaturan yang dipilih dengan benar, motor tidak memiliki waktu untuk melambat dalam jeda mati.

Oleh karena itu, PWM digunakan di mana nilai rata-rata tegangan atau arus memainkan peran yang menentukan. Selain kasus-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 diambil alih 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 menggunakan filter low-pass tanpa distorsi. Lagi pula, spektrum PWM mengandung harmonik dalam jumlah tak terbatas yang pasti akan jatuh ke dalam passband filter. Oleh karena itu, seseorang tidak boleh membuat ilusi tentang bentuk sinusoid yang direkonstruksi.

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

Aplikasi yang paling umum dari sinyal digital termodulasi lebar pulsa 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 pengembang.

Artikel serupa: