Modulația lățimii impulsurilor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un exemplu de PWM în conducerea unui motor de curent alternativ. Tensiunea în albastru este secvența impulsurilor de durată variabilă, în timp ce tensiunea în roșu (similară cu o undă sinusoidală) este rezultatul densității impulsurilor din circuitul magnetic al motorului.

În electronică și telecomunicații , modularea lățimii impulsului (sau PWM, acronim al modului în limba engleză de modulare a lățimii impulsurilor ) este un tip de modulație digitală care permite obținerea unei variabile de medie tensiune dependentă de raportul dintre durata impulsului pozitiv și întreaga perioadă ( ciclul de funcționare ). În mod similar, este utilizat în principiu pentru protocoale de comunicații în care informațiile sunt codificate sub forma duratei în timp a fiecărui impuls. Datorită microcontrolerelor moderne, este posibil să activați sau să dezactivați un comutator de înaltă frecvență și, în același mod, să detectați starea și perioada unui impuls.

Descriere

Durata fiecărui impuls poate fi exprimată în raport cu perioada dintre două impulsuri succesive, implicând conceptul ciclului de lucru . Un ciclu de funcționare de 0% indică un impuls de durată zero, în practică fără semnal, în timp ce o valoare de 100% indică faptul că pulsul se termină când începe următorul.

Un exemplu de modulație pe 2 biți este prezentat mai jos.

 _ __ ____ ____ _
Semnal | | | | | | | | | |
             | | | | | | | | | |
        _____ | | ____ | | ___ | | ________ | | _ | | ___________
Valoare 0 1 2 4 0 4 1 0

Un semnal de ceas este uneori folosit pentru a determina poziția impulsurilor, dar de multe ori nu este necesar, deoarece la semnal se adaugă o valoare minimă care garantează că există un impuls mic chiar și pentru valoarea zero.

 _ _ _ _ _ _ _ _
Ceas | | | | | | | | | | | | | | | |
         | | | | | | | | | | | | | | | |
       __ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____

Aplicații

Reglarea puterii electrice

Semnal sinusoidal modulat de lățimea impulsului. Modulația semnalului este obținută prin compararea semnalului de intrare (suma sinusoidelor cu valoare de la 0 la Vmax) cu un semnal din dinte de ferăstrău cu o frecvență mai mare (de cel puțin zece ori) decât lățimea de bandă a semnalului. Acest lucru este posibil folosind un comparator (de exemplu, un declanșator Schmitt realizat cu un amplificator operațional ). Impulsurile obținute vor fi de amplitudine proporțională cu cea a semnalului.

Modulația lățimii impulsurilor este utilizată pentru a varia tensiunea și, prin urmare, puterea, la o sarcină generică: este utilizată, de exemplu, pentru a varia viteza unui motor electric cu curent continuu , pentru a controla funcționarea modelelor pe șine (a trenurilor, mașini etc.), pentru a varia luminozitatea becurilor , în special a LED-urilor , și pentru construcția de balasturi de mare putere, unde puterea disipată pentru reglare trebuie să fie foarte mică dacă se dorește un sistem de înaltă eficiență.

După cum puteți ghici, cu un ciclu de funcționare egal cu zero, puterea transferată este zero, în timp ce la 100% puterea corespunde valorii maxime transferate dacă circuitul de modulație nu este prezent. Fiecare valoare intermediară determină o sursă de alimentare corespunzătoare.

Avantajul acestei tehnici este de a reduce drastic puterea disipată de circuitul de limitare în comparație cu utilizarea tranzistoarelor controlate analogic sau a MOSFET-urilor . Într-un semiconductor, puterea disipată este determinată de curentul care circulă prin el datorită diferenței de potențial prezente în acesta. Într-un circuit PWM, tranzistorul conduce complet într-o clipă, minimizând căderea peste el, sau nu conduce deloc, anulând curentul și, în ambele cazuri, puterea disipată este aproape zero.

În sursele de alimentare electronice, invertoarele și sursele de alimentare neîntreruptibile , modulația poate fi ajustată în funcție de tensiunea de ieșire, astfel încât să introducă un feedback care stabilizează tensiunea pe măsură ce tensiunea de intrare variază.

La variatoarele de acasă, se utilizează un sistem PWM special în care modulația este aplicată tensiunii sinusoidale a rețelei electrice. Când tensiunea traversează zero, un circuit determină o întârziere între aproximativ zero și o jumătate de perioadă, în funcție de poziția unui potențiometru . După această întârziere, se declanșează un Triac care începe să conducă din acest moment până la următoarea trecere zero. Această reglare a tensiunii produce o formă de undă puternic distorsionată și nu este lipsită de perturbări, dar este foarte simplu de obținut, iar sarcina (de obicei un bec ) este insensibilă la forma de undă care o alimentează.

În controlul supapelor proporționale (în sistemele de fluid , cum ar fi sistemele hidraulice , sistemele pneumatice, sistemele hidraulice și altele asemenea), se utilizează un control de tip PWM în care o modulație a taxei este suprapusă valului principal, la o frecvență de puțini kHz. -ciclul ( dithering ) la frecvență joasă (de la 50 la 200 Hz) pentru a menține miezul în vibrații ușoare și pentru a reduce astfel histerezisul supapei. Alternativ, se utilizează un PWM cu frecvență joasă (50-200 Hz), astfel încât ondularea curentului să ofere vibrațiile necesare. Cu toate acestea, în acest caz, vibrația nu rămâne constantă pe întreaga gamă de reglare curentă, cu performanțe ușor mai mici.

Conversie digital-analog

În unele circuite digitale (în special cele cu microcontrolere), tehnica PWM poate fi utilizată, cu ajutorul unui filtru RC simplu, pentru a transforma o valoare digitală într-o tensiune directă corespunzătoare. Majoritatea microcontrolerelor de pe piață au, de fapt, unul sau mai multe temporizatoare capabile să genereze unde dreptunghiulare cu ciclu de funcționare variabil. Prin programarea adecvată a temporizatorului, este posibil să variați ciclul de funcționare al undei dreptunghiulare și, în consecință, valoarea tensiunii obținute la ieșirea filtrului RC .

Aplicații în sinteza sunetului și reproducerea audio

Sinteza sunetului

Modulația lățimii pulsului este utilizată în sinteza sunetului , în special în sinteza subtractivă , unde produce un efect asemănător corului sau două oscilatoare ușor deconectate. Raportul dintre nivelul înalt și cel scăzut este la rândul său modulat de un oscilator de joasă frecvență.

Amplificarea sunetului „Clasa D”

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: T-Amp .

O clasă de amplificatoare audio, numită clasa D (sau clasa S ), exploatează principiul modulației PWM. Un curent este modulat în funcție de semnalul audio primit și apoi trimis difuzoarelor printr-o rețea de filtrare low-pass care elimină componenta de înaltă frecvență și reconstruiește semnalul sonor.

Comercializat pentru prima dată în anii 1960 (unul dintre primii care au ieșit la vânzare, în 1964 , a fost modelul „X-10” de la Sinclair Radionics [1] [2], aceste amplificatoare au câștigat mult interes, deoarece operațiunea de comutare le permite eficiență energetică excelentă în comparație cu amplificatoarele audio analogice tradiționale din clasa A, B și AB, cu un consum redus de energie cuplat cu greutăți și dimensiuni foarte limitate, chiar și pentru aplicații care necesită o putere de ieșire mare [1] .

Un exemplu este oferit de modelul T-Amp , produs de Sonic Impact , care utilizează cipul Tripath TA2024 , a cărui implementare specială este denumită Clasa T.

Direct Stream Digital

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Direct Stream Digital .

Codificarea sunetului numită Direct Stream Digital , dezvoltată de Philips și Sony , folosește o formă generalizată de modulație a lățimii impulsurilor, numită Modulație Pulse-Density Modulation (PDM), cu o frecvență de eșantionare de ordinul megahertzului, suficient de mare pentru a permite acoperirea întregului spectru de frecvențe acustice cu suficientă fidelitate . Această metodă este utilizată în produsele în format Super Audio CD (SACD), a căror reproducere a semnalelor audio este în esență similară cu metoda utilizată în amplificatoarele de clasă D.

Notă

  1. ^ a b ( EN ) Wim de Haan, The Pragmatic Class D Amplifier ( PDF ), în audioXpress , iunie 2009, p. 26. Adus la 1 iunie 2017 (arhivat din original la 8 octombrie 2016) .
  2. ^ (EN) X-10 (1964) , de la Sinclair Planet. Adus la 1 iunie 2017 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe