Il PWM

by Davide

 

 

 

 

Nozioni di PWM

La “modulazione di durata di impulsi” (Pulse Width Modulation, ovvero PWM) è usata sostanzialmente per trasmettere informazioni o per pilotare dei carichi parzializzandone la potenza; il primo caso è quello tipico degli efficenti amplificatori in "classe D"; il secondo invece è una cosa con cui abbiamo a che fare più spesso di quanto sembri.. infatti ogni volta che bisogna variare la potenza erogata ad un utilizzatore in corrente continua che assorba almeno quache watt (un motore, una lampadina, una resistenza, ecc..) la soluzione migliore, è spesso il pilotaggio tramite un treno di impulsi in pwm; ma vediamo meglio come funziona la parzializzazione di potenza:

Innanzitutto occorre spiegare alcuni concetti: la modulazione pwm consiste in un treno di impulsi come nell'immagine sopra; quindi da ora in poi sappiamo che abbiamo a che fare con delle "onde quadre".

Nello specifico:

T = periodo del segnale* (espresso in secondi)

Ton = lasso di tempo in cui l'onda quadra rimane a livello alto (espresso in secondi)

Toff = lasso di tempo in cui l'onda quadra rimane a livello basso (espresso in secondi)

Ovviamente Ton + Toff = T.

Il rapporto Ton/Toff è definito come Duty Cicle; si esprime in percentuale e può variare tra 0% (tensione nulla) fino al 100% (corrente continua)

* = periodo del segnale: ogni segnale periodico è definito come la ripetizione all'infinito sempre dello stesso "pezzetto"; il periodo è il pezzetto che si ripete in continuazione; per chi non lo avesse ancora intuito il periodo varia in funzione della frequenza del segnale; infatti T= 1/frequenza

vediamo un paio di esempi:

in questo caso, il segnale ha un periodo di 10us (frequenza 100khz); durante il periodo, il segnale va a livello alto (12 volt in questo caso) per circa 1us (Ton) e per il resto del periodo (Toff) rimane a livello basso (0 volt); questo implica che il DC sarà del 10%.

 

 

In quest'altro caso il periodo è sempre 10us, ma il rapporto Ton/Toff è diverso; nello specifico l'onda rimane a 0 per 3us e va a livello alto per i rimanenti 7us: il DC sarà 70%.

 

Se con un segnale PWM di ampiezza 0-12V alimentiamo un utilizzatore (tipo una lampadina, un motore o una resistenza) scopriamo che possiamo variare la potenza erogata al carico semplicemente variando il Duty Cicle: infatti se il DC fosse 100% la lampadina riceverebbe una tensione continua di 12 volt; se il DC calasse essa riceverebbe tensione solamente in alcuni tratti, di durata proporzionale al DC stesso.

Ora l'energia erogata al carico dall'onda quandra sarebbe uguale a quella erogatagli da una corrente continua con ampiezza pari al VALOR MEDIO dell'onda quara; quindi in linea generale possiamo calcolare l'equivalente in cc del segnale pwm facendo V*DC (con V=ampiezza in volt dell'onda quadra e DC come equivalente decimale del valore percentuale)

Quindi, a questo punto, possiamo affermare che alimentando una lampadina con una onda quadra che va da 0 a 12V con DC=50% è (più o meno) equivalente ad alimentarla con una tensione continua di 6 volt!!

ma ci sono delle eccezioni: se avessimo un segnale PWM che va da -12 a +12 volt con DC = 50% il suo valor medio sarebbe zero, quindi secondo quanto detto non dovrebbe esserci potenza erogata al carico... bene, questa cosa vale solo con i motori in cc, perchè una lampada si accende lo stesso!

cerchiamo di capire meglio questa cosa:

Se un motore in CC riceve questo tipo di onda, nel primo millisecondo farà per ruotare in un verso, il millisecondo dopo in quello opposto, e così via..questo farà si che se (come in questo caso) il DC è 50% il motorino NON si muova (se la freqenza di oscillazione è alta) o al massimo tremi (se la freq è bassa). Se il DC cala il valor medio è negativo; quindi il motorino comincerà a ruotare in un certo senso per arrivare alla massima velocità quando DC=0. Analogamente se il DC è maggiore di 50%; il motorino ruoterà in senso opposto arrivando alla massima velocità se il DC = 100%; ecco così che con un solo segnale possiamo invertire il senso di rotazione di un motore e variarne anche la velocità semplicemnete agendo sul DC.

Una resistenza o una lampadina, invece, se ne "fregano" della polarità e quindi ricevere +12 o -12 volt è del tutto ininfluente...per questo motivo se alimentati da un segnale PWM in alternata (di eguali ampiezze) non è possibile variarne la potenza erogata.

Ecco un semplice circuito che realizza un segnale pwm; questo schema può andare bene per alimentare una lampada o un motore fino a qualche ampere; col trimmer V1 su può variale il DC a nostro piacimento

 

Ok, ma quali vantaggi offre la regolazione PWM?

Volendo variare la potenza erogata ad un carico in CC, apparte il pwm possiamo ricorrere alla classica, vecchia e banale resistenza! Però bisonga stare attenti che buona parte dell'energia che la resistenza impedirà di raggiungere il carico sarà dissipata sulla resistenza stessa!!!

facciamo un esempio; se prendo una motore da 500W 12 volt e decido di farlo andare a metà potenza faccio due conti e scopro che dovrò mettergli in serie una resistenza da circa 0,12 ohm; peccato che la resistenza dissiperebbe circa 100W e quindi sarebbe una vera e propria stufa!! se invece usassi il pwm mi basterebbe un piccolo oscillatore che pilota con DC=50% 3 o 4 mosfet messi in parallelo e collegati ad un piccolo dissipatore.

E' da notare che nel secondo caso NON si butta via potenza, quindi, se il tutto fosse alimentato a batteria avremmo aumentato la sua durata di circa 1,4 volte!!

Inoltre, nel caso dei led, pilotandoli in PWM possiamo aumentarne la luminosita: infatti se un led accetta al massimo 10mA noi magari possiamo pilotarlo a 20mA con DC=50%; in questo modo esso avrà una luminosità doppia ma all'interno di ogni periodo la potenza media erogata sarà sempre 10mA (questa tecnica è solitamente usata nei telecomandi a IR peraumentare il raggio di trasmissione del loro led ir).