Modulació d'amplada de pols

PWM o PWM (Pulse Width Modulation) és una manera de controlar la font d'alimentació d'una càrrega. El control consisteix a canviar la durada del pols a una freqüència de repetició del pols constant. La modulació d'amplada de pols està disponible en analògic, digital, binari i ternari.

L'ús de la modulació d'amplada de pols fa possible augmentar l'eficiència dels convertidors elèctrics, especialment per als convertidors d'impulsos, que avui constitueixen la base de fonts d'alimentació secundàries per a diversos dispositius electrònics. Flyback i forward single, push-pull i half-bridge, així com els convertidors de commutació de pont es controlen avui amb la participació de PWM, això també s'aplica als convertidors ressonants.

La modulació d'amplada de pols us permet ajustar la brillantor de la llum de fons de les pantalles de cristall líquid de telèfons mòbils, telèfons intel·ligents i ordinadors portàtils. PWM està implementat a màquines de soldadura, en inversors de cotxes, en carregadors, etc. Avui dia, cada carregador utilitza PWM en el seu funcionament.

Els transistors bipolars i d'efecte de camp en mode clau s'utilitzen com a elements de commutació en els convertidors d'alta freqüència moderns. Això vol dir que part del període el transistor està totalment obert i part del període està totalment tancat.

I com que en estats transitoris que només duren desenes de nanosegons, la potència alliberada per l'interruptor és petita en comparació amb la potència commutada, com a resultat, la potència mitjana alliberada en forma de calor a l'interruptor resulta ser insignificant. En aquest cas, en estat tancat, la resistència del transistor com a interruptor és molt petita i la caiguda de tensió a través d'ell s'acosta a zero.

En estat obert, la conductivitat del transistor és propera a zero i el corrent pràcticament no hi passa. Això permet crear convertidors compactes d'alta eficiència, és a dir, amb baixes pèrdues de calor. Els convertidors ressonants ZCS (Zero Current Switching) minimitzen aquestes pèrdues.

En els generadors PWM de tipus analògic, el senyal de control és generat per un comparador analògic quan, per exemple, s'aplica un senyal de triangle o triode a l'entrada inversora del comparador i s'aplica un senyal continu modulant a l'entrada no inversora.

Es reben polsos de sortida rectangular, la seva velocitat de repetició és igual a la freqüència de la serra (o forma d'ona triangular), i la durada de la part positiva del pols està relacionada amb el temps durant el qual el nivell del senyal de corrent continu modulant aplicat a l'entrada no inversora de el comparador és superior al nivell del senyal de serra que s'alimenta a l'entrada inversora.Quan la tensió de la serra és superior al senyal de modulació, la sortida serà la part negativa del pols.

Si la serra s'aplica a l'entrada no inversora del comparador i el senyal modulador s'aplica a la inversora, els polsos de sortida d'ona quadrada tindran un valor positiu quan la tensió de la serra sigui superior al valor del senyal modulador. aplicat a l'entrada inversora i negatiu, quan la tensió de la serra és inferior al senyal de modulació. Un exemple de generació de PWM analògic és el xip TL494, que s'utilitza àmpliament avui en dia en la construcció de fonts d'alimentació de commutació.

El PWM digital s'utilitza en tecnologia digital binària. Els polsos de sortida també prenen només un dels dos valors (activat o desactivat) i el nivell mitjà de sortida s'aproxima al desitjat. Aquí, el senyal de dents de serra s'obté mitjançant un comptador de N bits.

Els dispositius digitals PWM també funcionen a una freqüència constant, superant necessàriament el temps de resposta del dispositiu controlat, aquest enfocament s'anomena sobremostreig. Entre les vores del rellotge, la sortida digital PWM es manté estable, alta o baixa, depenent de l'estat actual de la sortida del comparador digital, que compara els nivells del senyal del comptador i el digital aproximat.

La sortida es registra com una seqüència d'impulsos amb els estats 1 i 0, cada estat del rellotge es pot invertir o no. La freqüència dels polsos és proporcional al nivell del senyal que s'acosta, i les unitats successives poden formar un pols més ampli i més llarg.

Els polsos d'amplada variable resultants seran múltiples del període de rellotge i la freqüència serà igual a 1 / 2NT, on T és el període de rellotge, N és el nombre de cicles de rellotge. Aquí es pot aconseguir una freqüència més baixa en termes de freqüència de rellotge. L'esquema de generació digital descrit és una modulació PCM codificada per polsos PWM d'un bit o dos nivells.

Aquesta modulació codificada per polsos de dues etapes és essencialment una seqüència de polsos amb una freqüència d'1/T i una amplada de T o 0. El sobremostreig s'utilitza per a la mitjana durant un període de temps més llarg. El PWM d'alta qualitat s'aconsegueix mitjançant una modulació densa de pols d'un sol bit, també anomenada modulació de freqüència de pols.

En la modulació digital d'amplada de pols, els subpols rectangulars que omplen el període poden aparèixer a qualsevol part del període, i només el seu nombre afecta el valor mitjà del senyal per al període. Així, si dividim el període en 8 parts, les combinacions de polsos 11001100, 11110000, 11000101, 10101010, etc. donarà la mateixa mitjana de període, però les unitats individuals fan que el cicle de treball del transistor clau sigui més pesat.

Les lluminàries de l'electrònica, parlant de PWM, donen una analogia similar a la mecànica. Si feu girar un volant pesat amb el motor després que el motor es pugui encendre o apagar, el volant girarà i continuarà girant o aturant-se a causa de la fricció quan el motor està apagat.

Però si el motor s'encén uns segons per minut, la rotació del volant es mantindrà a causa de la inèrcia a una velocitat determinada. I com més temps estigui encès el motor, més gran serà la velocitat de gir del volant.Així, amb PWM, un senyal d'encesa i apagat (0 i 1) arriba a la sortida i el resultat és un valor mitjà. Integrant la tensió dels polsos al llarg del temps, obtenim l'àrea sota els polsos, i l'efecte sobre el cos de treball serà idèntic al treball amb un valor mitjà de la tensió.

Així funcionen els convertidors, on la commutació es produeix milers de vegades per segon i les freqüències arriben a unitats de megahertz. Els controladors PWM especials s'utilitzen àmpliament per controlar els balasts de llums d'estalvi d'energia, fonts d'alimentació, convertidors de freqüència per a motors etc.

La relació entre la durada total del període de pols i el temps d'encesa (part positiva del pols) s'anomena cicle de treball. Així, si el temps d'encesa és de 10 μs i el període dura 100 μs, aleshores a una freqüència de 10 kHz, el cicle de treball serà 10, i escriuen que S = 10. El cicle de treball invers s'anomena deure. cicle, en anglès Duty cycle o DC per abreviar.

Així, per a l'exemple donat, DC = 0,1 ja que 10/100 = 0,1. Amb la modulació de l'amplada del pols, ajustant el cicle de treball del pols, és a dir, canviant el corrent continu, s'aconsegueix el valor mitjà requerit a la sortida d'un dispositiu electrònic o un altre dispositiu elèctric, com ara un motor.