Qu'est-ce que PWM - Modulation de largeur d'impulsion

La modulation est un processus électrique non linéaire dans lequel les paramètres d'un signal (porteuse) sont modifiés à l'aide d'un autre signal (modulation, information). Dans les technologies de communication, la modulation de fréquence, d'amplitude et de phase est largement utilisée. Dans l'électronique de puissance et la technologie des microprocesseurs, la modulation de largeur d'impulsion s'est généralisée.

Qu'est-ce que le PWM (modulation de largeur d'impulsion)

Avec la modulation de largeur d'impulsion du signal d'origine, l'amplitude, la fréquence et la phase du signal d'origine restent inchangées. La durée (largeur) de l'impulsion rectangulaire est susceptible de changer sous l'action du signal d'information. Dans la littérature technique anglaise, il est abrégé en PWM - modulation de largeur d'impulsion.

Comment fonctionne PWM

Le signal modulé en largeur d'impulsion est formé de deux manières :

• analogique;
• numérique.

Avec la méthode analogique de création d'un signal PWM, une porteuse sous la forme d'un signal en dents de scie ou triangulaire est envoyée à un inverseur entrée comparateur, et des informations - sur la non-inversion. Si le niveau de porteuse instantané est supérieur au signal de modulation, la sortie du comparateur est nulle, si inférieure - un. La sortie est un signal discret avec une fréquence correspondant à la fréquence du triangle porteur ou de la scie, et une longueur d'impulsion proportionnelle au niveau de la tension de modulation.

A titre d'exemple, la modulation de largeur d'impulsion d'un signal triangulaire augmente linéairement. La durée des impulsions de sortie est proportionnelle au niveau du signal de sortie.

Les contrôleurs PWM analogiques sont également disponibles sous la forme de microcircuits prêts à l'emploi, à l'intérieur desquels un comparateur et un circuit de génération de porteuse sont installés. Des entrées permettent de connecter des éléments de réglage de fréquence externes et de fournir un signal d'information. Un signal est retiré de la sortie qui contrôle de puissantes clés étrangères. Il existe également des entrées pour la rétroaction - elles sont nécessaires pour maintenir les paramètres de contrôle définis. Telle est, par exemple, la puce TL494. Pour les cas où la puissance du consommateur est relativement faible, des contrôleurs PWM avec touches intégrées sont disponibles. La clé interne du microcircuit LM2596 est conçue pour un courant jusqu'à 3 ampères.

La méthode numérique est réalisée à l'aide de microcircuits ou de microprocesseurs spécialisés. La durée d'impulsion est contrôlée par le programme interne. De nombreux microcontrôleurs, y compris les populaires PIC et AVR, ont un module intégré pour la mise en œuvre matérielle de PWM "à bord", pour recevoir un signal PWM, vous devez activer le module et définir ses paramètres de fonctionnement.Si un tel module n'est pas disponible, alors PWM peut être organisé uniquement par logiciel, ce n'est pas difficile. Cette méthode donne plus de puissance et de liberté grâce à une utilisation flexible des sorties, mais utilise plus de ressources de contrôleur.

Caractéristiques du signal PWM

Les caractéristiques importantes du signal PWM sont :

• amplitude (U);
• fréquence (f);
• rapport cyclique (S) ou rapport cyclique D.

L'amplitude en volts est réglée en fonction de la charge. Il doit fournir la tension d'alimentation nominale du consommateur.

La fréquence du signal modulé par la largeur d'impulsion est choisie parmi les considérations suivantes :

1. Plus la fréquence est élevée, plus la précision de contrôle est élevée.
2. La fréquence ne doit pas être inférieure au temps de réponse de l'appareil contrôlé par PWM, sinon des ondulations notables du paramètre contrôlé se produiront.
3. Plus la fréquence est élevée, plus les pertes de commutation sont élevées. Elle provient du fait que le temps de commutation de la clé est fini. A l'état verrouillé, toute la tension d'alimentation chute sur l'élément clé, mais il n'y a presque pas de courant. À l'état ouvert, le courant à pleine charge traverse la clé, mais la chute de tension est faible, car la résistance de passage est de quelques ohms. Dans les deux cas, la puissance dissipée est négligeable. Le passage d'un état à un autre se produit rapidement, mais pas instantanément. Lors du processus de déverrouillage-verrouillage, une tension importante chute sur un élément partiellement ouvert et, en même temps, un courant important le traverse. A ce moment, la puissance dissipée atteint des valeurs élevées. Cette période est courte, la clé n'a pas le temps de se réchauffer de manière significative.Mais avec une augmentation de la fréquence de tels intervalles de temps par unité de temps, cela devient plus important et les pertes de chaleur augmentent. Par conséquent, pour construire des clés, il est important d'utiliser des éléments rapides.
4. En conduisant moteur électrique la fréquence doit être éloignée de la zone audible par une personne - 25 kHz et plus. Parce qu'à une fréquence PWM inférieure, un sifflement désagréable se produit.

Ces exigences sont souvent en conflit les unes avec les autres, de sorte que le choix de la fréquence dans certains cas est un compromis.

La valeur de modulation caractérise le rapport cyclique. Le taux de répétition des impulsions étant constant, la durée de la période est également constante (T = 1/f). La période se compose d'une impulsion et d'une pause, ayant une durée, respectivement, t_lutin et T_pauses, et T_lutin+t_pauses=T. Le rapport cyclique est le rapport de la durée d'impulsion à la période - S \u003d t_lutin/T. Mais en pratique, il s'est avéré plus pratique d'utiliser la valeur réciproque - le facteur de remplissage : D=1/S=T/t_lutin. Il est encore plus pratique d'exprimer le facteur de remplissage en pourcentage.

Quelle est la différence entre PWM et SIR

Dans la littérature technique étrangère, il n'y a pas de différence entre la modulation de largeur d'impulsion et la régulation de largeur d'impulsion (PWR). Les spécialistes russes tentent de faire la distinction entre ces concepts. En fait, PWM est un type de modulation, c'est-à-dire des changements dans le signal porteur sous l'influence d'un autre, modulant. Le signal porteur agit comme un porteur d'informations et le signal de modulation définit ces informations. Et la régulation de la largeur d'impulsion est la régulation du mode de charge à l'aide de PWM.

Raisons et applications du PWM

Le principe de la modulation de largeur d'impulsion est utilisé dans variateurs de vitesse de moteurs asynchrones puissants. Dans ce cas, le signal modulant à fréquence réglable (monophasé ou triphasé) est généré par un générateur sinusoïdal de faible puissance et superposé à la porteuse de manière analogique. La sortie est un signal PWM, qui est envoyé aux touches de la puissance requise. Ensuite, vous pouvez faire passer la séquence d'impulsions résultante à travers un filtre passe-bas, par exemple, à travers un simple circuit RC, et sélectionner la sinusoïde d'origine. Ou vous pouvez vous en passer - la filtration se fera naturellement en raison de l'inertie du moteur. Évidemment, plus la fréquence porteuse est élevée, plus la forme d'onde de sortie est proche de la sinusoïde d'origine.

Une question naturelle se pose - pourquoi il est impossible d'amplifier immédiatement le signal du générateur, par exemple, utilisant des transistors puissants? Car un élément réglant fonctionnant en mode linéaire va redistribuer la puissance entre la charge et la clé. Dans ce cas, une puissance importante est gaspillée sur l'élément clé. Si un élément de commande puissant fonctionne en mode clé (trinistor, triac, transistor RGBT), alors la puissance est répartie dans le temps. Les pertes seront beaucoup plus faibles et l'efficacité sera beaucoup plus élevée.

Dans la technologie numérique, il n'y a pas d'alternative particulière à la régulation de la largeur d'impulsion. L'amplitude du signal y est constante, la tension et le courant ne peuvent être modifiés qu'en modulant la porteuse le long de la largeur d'impulsion et en la faisant ensuite la moyenne. Par conséquent, PWM est utilisé pour réguler la tension et le courant sur les objets qui peuvent faire la moyenne du signal d'impulsion. Le calcul de la moyenne se produit de différentes manières :

1. en raison de l'inertie de la charge.Ainsi, l'inertie thermique des radiateurs thermoélectriques et des lampes à incandescence permet aux objets régulés de ne pas se refroidir sensiblement dans les pauses entre les impulsions.
2. En raison de l'inertie de la perception. La LED a le temps de s'éteindre d'impulsion en impulsion, mais l'œil humain ne le remarque pas et le perçoit comme une lueur constante d'intensité variable. Ce principe est utilisé pour contrôler la luminosité des points des moniteurs LED. Mais des clignements imperceptibles d'une fréquence de plusieurs centaines de hertz sont toujours présents et provoquent une fatigue oculaire.
3. en raison de l'inertie mécanique. Cette propriété est utilisée dans le contrôle des moteurs à courant continu à balais. Avec une fréquence de régulation correctement choisie, le moteur n'a pas le temps de ralentir dans les pauses mortes.

Par conséquent, PWM est utilisé lorsque la valeur moyenne de la tension ou du courant joue un rôle décisif. En plus des cas courants mentionnés, la méthode PWM régule le courant moyen dans les machines à souder et les chargeurs de batterie, etc.

Si la moyenne naturelle n'est pas possible, dans de nombreux cas, ce rôle peut être pris en charge par le filtre passe-bas déjà mentionné (FPL) sous la forme d'une chaîne RC. Pour des raisons pratiques, cela suffit, mais il faut comprendre qu'il est impossible d'isoler le signal d'origine du PWM à l'aide d'un filtre passe-bas sans distorsion. Après tout, le spectre PWM contient un nombre infini d'harmoniques qui tomberont inévitablement dans la bande passante du filtre. Par conséquent, il ne faut pas se faire d'illusions sur la forme de la sinusoïde reconstruite.

Contrôle LED RVB PWM très efficace et efficace. Cet appareil a trois jonctions p-n - rouge, bleu, vert.En changeant séparément la luminosité de la lueur de chaque canal, vous pouvez obtenir presque toutes les couleurs de la lueur des LED (à l'exception du blanc pur). Les possibilités de création d'effets d'éclairage avec PWM sont infinies.

L'application la plus courante d'un signal numérique modulé en largeur d'impulsion est de contrôler le courant ou la tension moyenne traversant une charge. Mais une utilisation non standard de ce type de modulation est également possible. Tout dépend de l'imagination du développeur.

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