Pulse-width modulation

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Un esempio di PWM nel pilotaggio di un motore in AC. La tensione in blu è la sequenza di impulsi a durata variabile mentre la tensione in rosso (simile ad una sinusoide) è il risultato della densità degli impulsi nel circuito magnetico del motore.

La modulazione di larghezza di impulso (o PWM, acronimo del corrispettivo inglese pulse-width modulation), è un tipo di modulazione digitale che permette di ottenere una tensione media variabile dipendente dal rapporto tra la durata dell' impulso positivo e di quello negativo, allo stesso modo è utilizzato per protocolli di comunicazione in cui l'informazione è codificata sotto forma di durata nel tempo di ciascun impulso. Grazie ai moderni microcontrollori è possibile attivare o inattivare un interruttore ad alta frequenza e allo stesso modo rilevare lo stato e il periodo di un impulso.

Descrizione[modifica | modifica sorgente]

La durata di ciascun impulso può essere espressa in rapporto al periodo tra due impulsi successivi, implicando il concetto di ciclo di lavoro. Un ciclo di lavoro utile pari a 0% indica un impulso di durata nulla, in pratica assenza di segnale, mentre un valore del 100% indica che l'impulso termina nel momento in cui inizia il successivo.

Di seguito è mostrato un esempio di modulazione a 2 bit

              _      __     ____          ____   _
Segnale      | |    |  |   |    |        |    | | |
             | |    |  |   |    |        |    | | |
        _____| |____|  |___|    |________|    |_| |___________
Valore   0    1       2      4       0      4    1      0

Un segnale di clock è a volte utilizzato per determinare la posizione degli impulsi, ma spesso non è necessario in quanto al segnale viene aggiunto un valore minimo che garantisce la presenza di un piccolo impulso anche per il valore zero.

          _      _      _      _      _      _      _      _
Clock    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |
         | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |
       __| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Regolazione della potenza elettrica[modifica | modifica sorgente]

Segnale sinusoidale modulato tramite larghezza di impulso. La modulazione del segnale è ottenuta confrontando il segnale di ingresso (somma di sinusoidi di valore da 0 a Vmax) con un segnale a dente di sega di frequenza maggiore (almeno dieci volte) dell'ampiezza di banda del segnale. Questo è possibile usando un comparatore (per es. un trigger di Schmitt realizzato con un Amplificatore operazionale). Gli impulsi ottenuti saranno di ampiezza proporzionale a quella del segnale.

La modulazione a larghezza di impulso è largamente utilizzata anche per regolare la potenza elettrica inviata ad un carico, per esempio negli inverter, per regolare la velocità dei motori in corrente continua e per variare la luminosità delle lampadine.

Come si può intuire, con un duty cycle pari a zero la potenza trasferita è nulla, mentre al 100% la potenza corrisponde al valore massimo trasferito nel caso non sia presente il circuito di modulazione. Ogni valore intermedio determina una corrispondente fornitura di potenza.

Il vantaggio di questa tecnica è di ridurre drasticamente la potenza dissipata dal circuito limitatore rispetto all'impiego di transistor controllati analogicamente. In un semiconduttore la potenza dissipata è determinata dalla corrente che lo attraversa per la differenza di potenziale presente ai suoi capi. In un circuito PWM il transistor in un istante conduce completamente, riducendo al minimo la caduta ai suoi capi, oppure non conduce, annullando la corrente, ed in entrambi i casi la potenza dissipata è minima.

Negli alimentatori elettronici, negli inverter e nei gruppi di continuità la modulazione può essere regolata in funzione della tensione in uscita, in modo da introdurre una retroazione che stabilizza la tensione al variare della tensione di ingresso.

Nei regolatori di luminosità domestici, viene usato un particolare sistema PWM in cui la modulazione viene applicata alla tensione sinusoidale della rete elettrica. Il momento in cui si ha il passaggio per lo zero della tensione, un circuito determina un ritardo temporale compreso tra circa zero e un semiperiodo, in funzione della posizione di un potenziometro. Trascorso tale ritardo viene innescato un Triac che inizia a condurre da questo momento fino al prossimo passaggio per lo zero.

Nel comando di valvole proporzionali (in oleodinamica) si usa utilizzare un comando di tipo PWM in cui si sovrappone all'onda principale, ad una frequenza di qualche kHz, una modulazione del duty-cycle (dithering) a bassa frequenza (da 50 a 200Hz) per mantenere in leggera vibrazione il nucleo e ridurre così l'isteresi della valvola. In alternativa viene usato un PWM a bassa frequenza (50-200Hz) in modo che sia il ripple della corrente a garantire la vibrazione necessaria. In questo caso la vibrazione non rimane però costante su tutto il campo di regolazione della corrente, con prestazioni leggermente inferiori.

Audio[modifica | modifica sorgente]

La modulazione di larghezza di impulso è usata nella sintesi sonora, in particolare nella sintesi sottrattiva, dove produce un effetto simile al coro o a due oscillatori leggermente fuori sintonia. Il rapporto tra il livello alto e basso è a sua volta modulato da un oscillatore a bassa frequenza.

Una recente classe di amplificatori audio, detta classe D, sfrutta il principio della modulazione PWM. Una corrente è modulata in funzione del segnale audio in ingresso e quindi inviata agli altoparlanti attraverso una rete di filtraggio che elimina la componente ad alta frequenza e ricostruisce il segnale sonoro. Questi amplificatori hanno un'ottima efficienza e un peso e ingombro limitati anche per potenze di uscita elevate.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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