Di Nick Grillone, Same Sky
Che cosa è la modulazione di larghezza di impulso?
La modulazione di larghezza di impulso (PWM) è un metodo di controllo che riduce la potenza media di un segnale elettrico applicato suddividendolo in maniera efficiente in parti distinte. La PWM controlla l’ampiezza media di un segnale analogico mediante una sorgente digitale.
A un livello più elementare, la modulazione è l’esercizio del controllo o dell’influenza su un dispositivo o un sistema. In elettronica è il processo di conversione dei dati (o codifica delle informazioni) in segnali elettrici allo scopo di controllare la potenza media o l’ampiezza di un segnale elettrico trasmesso a un carico. Può essere utile per attività quali il controllo di motori e potenza, l’amplificazione audio, il controllo dell’illuminazione e la ricarica delle batterie.
La modulazione di larghezza di impulso (PWM), la modulazione di ampiezza (AM) e la modulazione di frequenza (FM) sono i tre metodi più comuni utilizzati per controllare l’ampiezza o la frequenza apparente di un segnale, ma in questo blog ci concentreremo sulla PWM.
Come funziona la modulazione di larghezza di impulso?
Come accennato, la modulazione di larghezza di impulso modifica un segnale controllando la corrente e la tensione medie fornite a un carico. Ciò avviene accendendo e spegnendo rapidamente un transistor (alternando tra stati di alta e bassa tensione) secondo uno schema tra la sorgente e il carico. Le informazioni vengono trasmesse modificando la durata dei segnali alti e bassi.
In effetti, la PWM riduce la quantità di energia elettrica fornita a un dispositivo modificando il tempo in cui il dispositivo riceve la sua piena tensione nominale mentre è acceso e spento. Man mano che il “tempo di attivazione” del segnale aumenta o diminuisce, aumenta anche la tensione media del segnale. La PWM ha due componenti chiave che ne descrivono il comportamento: ciclo di lavoro e frequenza.
Che cos’è un ciclo di lavoro?
Un ciclo di lavoro è la frazione di un periodo, o ciclo completo on-off, in cui un segnale è attivo. Il ciclo di lavoro è espresso come percentuale (%) del tempo in cui un segnale è attivo durante un periodo. Ad esempio, un segnale digitale che si trova nello stato attivo per 3 millisecondi e nello stato disattivo per 1 millisecondo ha un ciclo di lavoro del 75%, un periodo di 4 ms e una frequenza di 250 Hz.
Poiché un ciclo di lavoro determina in modo efficace il tempo di attivazione di un impulso all’interno di un periodo, regolandolo è possibile controllare la potenza fornita a un dispositivo variando la percentuale di tempo in cui il segnale è alto rispetto a quello basso. Ciò significa che la regolazione del ciclo di lavoro consente un controllo preciso dei dispositivi senza dover modificare la tensione. Il ciclo di lavoro è spesso l’unico valore del segnale che può essere controllato, poiché la tensione e la frequenza in un dispositivo sono spesso impostate e rimangono costanti. In un progetto che utilizza la PWM per controllare l’erogazione di potenza, ad esempio un elemento riscaldante, la misurazione del ciclo di lavoro può anche indicare che il sistema sta funzionando al giusto livello di potenza.
Che cos’è la frequenza di commutazione?
La frequenza di commutazione è la velocità con cui qualcosa si ripete in un determinato periodo di tempo. Nel nostro caso, si riferisce essenzialmente alla frequenza con cui l’interruttore viene acceso e spento nel corso di un secondo (velocità di commutazione). La frequenza è solitamente espressa in Hertz (Hz).
Per controllare un carico, la frequenza di commutazione PWM deve essere selezionata con attenzione per adattarla a un carico o a un’applicazione specifici. Una frequenza troppo elevata per l’applicazione può causare il guasto dei componenti di controllo meccanico. Un valore troppo basso per l’applicazione potrebbe causare oscillazioni del carico o generare rumore acustico. Ad esempio, mentre per un motore elettrico la frequenza può essere impostata su un valore basso, per un dispositivo allo stato solido come un LED potrebbe essere necessario impostarla su un valore molto più alto.
Quali sono i vantaggi dell’uso della PWM?
Il vantaggio principale della modulazione di larghezza di impulso è l’elevata efficienza dovuta alla minima perdita di potenza nei dispositivi di commutazione. Poiché non c’è quasi corrente durante lo stato di spegnimento e non c’è caduta di tensione attraverso l’interruttore durante il trasferimento di potenza al carico durante lo stato di accensione, la perdita di potenza è molto bassa. Ulteriori vantaggi dell’utilizzo della PWM includono:
- minore generazione di calore rispetto ai regolatori lineari grazie alla loro natura di commutazione;
- compatibilità con i sistemi digitali;
- miglioramento dell’efficienza energetica nei dispositivi di controllo rispetto ai regolatori lineari;
- controllo preciso della tensione o della corrente media di uscita attraverso la regolazione del ciclo di lavoro;
- minore necessità di circuiti complessi e meccanismi di feedback rispetto ad altri metodi di controllo grazie a un design semplificato;
- ampia gamma di applicazioni per il controllo di molti dispositivi diversi.
Quali sono gli svantaggi dell’uso della PWM?
La modulazione di larghezza di impulso, pur essendo una soluzione di controllo elegante, non è esente da sfide progettuali. Alcuni degli svantaggi dell’uso della PWM sono:
- le frequenze più elevate possono subire perdite di commutazione maggiori;
- la PWM può causare picchi di tensione;
- l’uso della PWM può introdurre EMI, distorsione armonica e rumore elettrico in un circuito;
- per le applicazioni ad alta potenza, i circuiti PWM possono essere complessi.
Frequenze di commutazione campione e cicli di lavoro
Poiché frequenza e ciclo di lavoro sono i due componenti chiave della PWM in un’applicazione di controllo, ognuno di essi deve essere abbinato a quello specifico utilizzo. Gli esempi di aree di prodotto dettagliati nelle sezioni seguenti sono disponibili presso Same Sky. Esistono diverse differenze da notare, a seconda dell’applicazione.
Frequenze di commutazione consigliate e ciclo di lavoro per le ventole
La maggior parte delle applicazioni con ventole utilizza una frequenza PWM compresa tra 20 kHz e 25 kHz e un ciclo di lavoro regolabile dallo 0% (spento) al 100% (velocità massima) per controllare la velocità della ventola. L’utilizzo di una frequenza più alta solitamente comporta un funzionamento più fluido della ventola e un rumore udibile inferiore. Le frequenze PWM consigliate e gli intervalli del ciclo di lavoro sono solitamente specificati dal produttore della ventola per garantire prestazioni ottimali della ventola. Acquista la gamma di ventole CA e CC di Same Sky.
Frequenze di commutazione consigliate e ciclo di lavoro per i cicalini
Nel controllo dei buzzers, la frequenza PWM è solitamente impostata tra 1 kHz e 10 kHz, poiché la gamma di frequenze udibili dall’orecchio umano è in genere compresa tra 20 Hz e 20 kHz. La regolazione del ciclo di lavoro controlla il volume del cicalino, ma un ciclo di lavoro del 50% in genere produce un equilibrio tra volume e distorsione. Ancora una volta, è consigliabile verificare con il produttore del cicalino, poiché la maggior parte dei progetti richiede una gamma di frequenza specifica e ristretta. Per produrre un suono bilanciato è solitamente necessario un ciclo di lavoro del 50%. Acquista la linea completa di cicalini audio di Same Sky.
Il cicalino sulla sinistra, che funziona a un ciclo di lavoro di circa il 15%, produce un’uscita sonora inferiore rispetto al cicalino sulla destra, che funziona a un ciclo di lavoro del 50%
Frequenze di commutazione consigliate e ciclo di lavoro per sensori a ultrasuoni
L’intervallo di frequenza PWM più comune per i sensori a ultrasuoni è compreso tra 20 kHz e 400 kHz con un ciclo di lavoro del 50% per garantire un impulso ultrasonico chiaro. Per ottenere risultati ottimali, assicurati di seguire le raccomandazioni del produttore. Acquista la linea di prodotti di sensori a ultrasuoni di Same Sky.
Frequenze di commutazione e ciclo di lavoro consigliati per i dispositivi Peltier
L’uso della PWM per controllare i dispositivi Peltier per il raffreddamento richiede in genere una frequenza compresa tra 300 Hz e 3 kHz con il ciclo di lavoro impostato per controllare la quantità desiderata di raffreddamento. Ricorda di consultare il produttore per i suoi consigli. Acquista la gamma di dispositivi Peltier di Same Sky, inclusi moduli Peltier monostadio e multistadio, nonché unità di raffreddamento Peltier.
Quali sono le applicazioni più comuni della PWM?
La tecnologia di modulazione di larghezza di impulso può essere utilizzata come metodo di controllo in un’ampia gamma di settori e applicazioni. Abbiamo già menzionato ventole, cicalini, sensori a ultrasuoni e dispositivi Peltier. Altre applicazioni includono, ma non sono limitate a:
- controllo dell’illuminazione a LED e a incandescenza;
- controllo della velocità e dell’angolo del servomotore per la robotica;
- controllo dell’uscita del pannello solare;
- controllo della tensione di uscita dell’alimentatore;
- controllo della velocità del motore CC;
- regolazione dell’elemento riscaldante;
- gestione della carica della batteria;
- generazione del segnale dell’amplificatore audio,
- codifica dei messaggi nelle telecomunicazioni;
- controllo dell’acceleratore e dell’iniettore di carburante nel settore automotive.
Riepilogo
La modulazione è l’applicazione del controllo su un dispositivo o un sistema. In particolare, la modulazione di larghezza di impulso è un metodo efficace ed efficiente utilizzato per controllare la potenza in un’ampia gamma di dispositivi elettronici. Permette un controllo preciso e un funzionamento a basso consumo energetico rispetto ad altre tecnologie di controllo e viene utilizzato in numerose applicazioni per esercitare un controllo di tipo analogico utilizzando un segnale digitale.