Che cos'è PWM, come misurarlo

PWM è l'acronimo di modulazione di larghezza di impulso che indica la natura variabile delle larghezze di impulso che possono essere generate da una particolare sorgente come un IC discreto, un MCU o un circuito transistorizzato.

Cos'è PWM

In termini semplici un processo PWM non è altro che l'accensione e lo spegnimento di una tensione di alimentazione a una determinata velocità con diversi rapporti di temporizzazione ON / OFF, qui la lunghezza di attivazione della tensione può essere maggiore, minore o uguale alla lunghezza dell'interruttore OFF.

Ad esempio un PWM può consistere in una tensione fissa per accendersi e spegnersi al ritmo di 2 secondi ON 1 secondo OFF, 1 secondo ON 2 secondi OFF o 1 secondo ON, 1 secondo OFF.

Quando questo tasso ON / OFF di una tensione di alimentazione è ottimizzato in modo diverso, diciamo che la tensione è una PWM o larghezza di impulso modulata.

Dovete già avere familiarità con il modo in cui appare un potenziale CC costante su un grafico della tensione v / s come mostrato di seguito:

Nell'immagine sopra possiamo vedere una linea retta al livello 9V, questo si ottiene perché il livello 9V non cambia rispetto al tempo e quindi siamo in grado di assistere ad una linea retta.

Ora, se questo 9V viene acceso e spento ogni secondo, il grafico sopra avrà questo aspetto:

Possiamo vedere chiaramente che ora la linea 9V non è più un rater di linea retta sotto forma di blocchi ogni secondo, poiché il 9V viene acceso e spento alternativamente dopo ogni secondo.

Le tracce di cui sopra sembrano blocchi rettangolari perché quando il 9V viene acceso e spento le operazioni sono istantanee, il che fa passare improvvisamente il 9V a livello zero e poi improvvisamente al livello 9V formando così le forme rettangolari sul grafico.

La condizione di cui sopra dà origine ad una tensione pulsante che ha due parametri da misurare e cioè: la tensione di picco e la tensione media o la tensione RMS.

Picco e tensione media

Nella prima immagine la tensione di picco è ovviamente 9V, e anche la tensione media è 9V semplicemente perché la tensione è costante senza interruzioni.

Tuttavia nella seconda immagine, sebbene la tensione sia attivata / disattivata a una frequenza di 1 Hz (1 secondo ON, 1 secondo OFF), il picco sarà ancora uguale a 9V, poiché il picco raggiunge sempre il segno di 9V durante i periodi di ON. Ma la tensione media qui non è di 9 V, piuttosto di 4,5 V perché la chiusura e la rottura della tensione vengono eseguite a un tasso del 50%.

Nelle discussioni PWM questo tasso ON / OFF è chiamato duty cycle del PWM, quindi nel caso precedente è un duty cycle del 50%.

Quando si misura un PWM con un multimetro digitale su una gamma DC, si otterrà sempre la lettura del valore medio sul misuratore.

I nuovi hobbisti spesso si confondono con questa lettura e la prendono come il valore massimo, il che è completamente sbagliato.

Come spiegato sopra, il valore di picco di un PWM sarà per lo più uguale alla tensione di alimentazione alimentata al circuito, mentre il volatge medio sul misuratore sarà la media dei periodi ON / OFF dei PWM.

Cambiare Mosfet con PWM

Quindi, se stai cambiando un mosfet con un PWM e trovi che la tensione di gate sia, ad esempio 3V, non farti prendere dal panico poiché questa potrebbe essere solo la tensione media indicata dal misuratore, la tensione di picco potrebbe essere alta quanto l'alimentazione del tuo circuito voltaggio.

Pertanto ci si potrebbe aspettare che il mosfet conduca bene e completamente attraverso questi valori di picco e la tensione media influirebbe solo sul suo periodo di conduzione, non sulle specifiche di commutazione del dispositivo.

Come abbiamo discusso nelle sezioni precedenti, un PWM implica fondamentalmente la variazione delle ampiezze di impulso, in altre parole i periodi ON e OFF della CC.

Supponiamo ad esempio che tu voglia un'uscita PWM con un tempo ON inferiore del 50% rispetto a quello del tempo ON.

Supponiamo che il tempo di ON selezionato sia 1/2 secondo quindi il tempo di OFF sarebbe pari a 1 secondo, il che darebbe luogo ad un duty cycle di 1/2 secondo ON e 1 secondo OFF, come si può vedere nel diagramma seguente .

Analisi del ciclo di lavoro del PWM

In questo esempio, i PWM sono ottimizzati per produrre una tensione di picco di 9 V ma una tensione media di 3,15 V poiché il tempo di accensione è solo il 35% di un ciclo completo ON / OFF completo.

Un ciclo completo si riferisce al periodo di tempo che consente a un dato impulso di completare il suo tempo pieno ON e un tempo OFF.

Allo stesso modo si può voler ottimizzare l'ampiezza dell'impulso di una frequenza con i seguenti dati:

Qui il tempo di accensione può essere visto aumentato del 65% rispetto al tempo di spegnimento su un ciclo completo, quindi qui il valore medio della tensione diventa 5,85V.

La tensione media sopra discussa è anche chiamata RMS o valore quadratico medio radice della tensione.

Poiché si tratta di impulsi rettangolari o quadrati, il valore RMS può essere calcolato semplicemente moltiplicando la percentuale del ciclo di lavoro per la tensione di picco.

Ottimizzazione del PWM per simulare l'onda sinusoidale

Tuttavia, nei casi in cui il PWM è ottimizzato per simulare un impulso CA, il calcolo per l'RMS diventa un po 'complesso.

Prendiamo l'esempio del seguente PWM che è ottimizzato per variare la sua larghezza corrispondente all'ampiezza variabile o al livello di un segnale AC sinusoidale.

Puoi saperne di più su questo attraverso uno dei miei articoli precedenti in cui ho spiegato come può essere utilizzato l'IC 555 generazione di un'uscita PWM equivalente a onda sinusoidale .

Come possiamo vedere nell'immagine sopra, la larghezza degli impulsi sta cambiando rispetto al livello istantaneo dell'onda sinusoidale. Poiché l'onda sinusoidale tende a raggiungere il picco, la corrispondente larghezza dell'impulso diventa più ampia e viceversa.

Utilizzando SPWM

Ciò indica che poiché il livello di tensione dell'onda sinusoidale cambia costantemente nel tempo, anche i PWM cambiano nel tempo variando costantemente le sue larghezze. Tale PWM è anche indicato come SPWM o Sinewave Pulse Width Modulation.

Quindi nel caso precedente gli impulsi non sono mai costanti, ma cambiano la loro larghezza in modo diverso nel tempo.

Questo rende il suo RMS o il calcolo del valore medio un po 'complesso e non possiamo semplicemente moltiplicare il ciclo di lavoro con la tensione di picco qui per ottenere l'RMS.

Sebbene la formula effettiva per derivare l'espressione RMS sia piuttosto complessa, dopo le derivazioni appropriate l'implementazione finale diventa effettivamente abbastanza semplice.

Calcolo della tensione RMS di un PWM

Pertanto, per calcolare RMS di una tensione PWM variabile in risposta a un'onda sinusoidale può essere acquisita moltiplicando 0,7 (costante) con la tensione di picco.

Quindi per un picco di 9 V otteniamo 9 x 0,7 = 6,3 V, ovvero la tensione RMS o il valore medio di un PWM da picco a picco di 9 V che simula un'onda sinusoidale.

Ruolo del PWM nei circuiti elettronici?

Scoprirai che il concetto PWM è essenzialmente associato a
progetti di circuiti che hanno induttori coinvolti in particolare le topologie buck boost come inverter, SMPS , MPPT, circuiti driver LED ecc.

Senza un induttore una funzione PWM potrebbe non avere alcun valore o ruolo reale in un dato circuito, questo perché solo un induttore ha la caratteristica intrinseca di trasformare una larghezza di impulso variabile in una quantità equivalente di aumento (boost) o abbassamento (bucked) tensione o corrente, che diventa l'idea intera e unica di una tecnologia PWM.

Utilizzo di PWM con induttori

Per capire come il PWM influisce sull'uscita di un induttore in termini di tensione e corrente, sarebbe innanzitutto importante imparare come si comporta un induttore sotto l'influenza di una tensione pulsante.

In uno dei miei post precedenti ho spiegato in merito come funziona un circuito buck boost , questo è un classico esempio per dimostrare come è possibile utilizzare PWM o una larghezza di impulso variabile per dimensionare un'uscita di un induttore.

È noto che per `` natura '' un induttore si oppone sempre a un'improvvisa applicazione di tensione attraverso di esso e gli consente di passare solo dopo un certo periodo di tempo a seconda delle sue specifiche di avvolgimento, e durante questo processo immagazzina una quantità equivalente di energia in esso.

Ora se nel corso del processo di cui sopra la tensione viene improvvisamente disattivata, l'induttore di nuovo non è in grado di far fronte a questa improvvisa scomparsa della tensione applicata e cerca di bilanciarla rilasciando la corrente immagazzinata in esso.

Reazione dell'induttore a PWM

Quindi un induttore tenterà di opporsi a un'accensione di tensione immagazzinando corrente e tenterà di equalizzare in risposta a un improvviso spegnimento di tensione 'respingendo' l'energia immagazzinata nel sistema.

Questo contraccolpo è chiamato EMF posteriore di un induttore e il contenuto di questa energia (tensione, corrente) dipenderà dalle specifiche dell'avvolgimento dell'induttore.

Fondamentalmente il numero di spire decide se l'EMF deve essere più alto di tensione rispetto alla tensione di alimentazione o inferiore alla tensione di alimentazione, e lo spessore del filo decide la quantità di corrente che l'induttore può essere in grado di rendere.

C'è un altro aspetto dell'induttore di cui sopra, che è la tempistica dei periodi di tensione ON / OFF.

È qui che l'uso di un PWM diventa cruciale.

Sebbene il numero di spire determini fondamentalmente i valori di uscita per un particolare, questi possono anche variare a piacere alimentando un'introduzione PWM ottimizzata a un induttore.

Attraverso un PWM variabile possiamo forzare un induttore a generare / convertire tensioni e correnti a qualsiasi velocità desiderata, sia come tensione aumentata (corrente ridotta), o corrente aumentata (tensione ridotta) o viceversa.

In alcune applicazioni un PWM può essere utilizzato anche senza un induttore, come per oscurare una luce LED, o in circuiti temporizzatori MCU, dove l'uscita può essere ottimizzata per generare tensioni a diversi accensioni, periodi di spegnimento per controllare un carico come da le sue specifiche di lavoro previste.