La modulazione di larghezza di impulso (PWM) è una tecnica di controllo della potenza che regola l'uscita effettiva dei segnali elettronici commutandoli rapidamente a una frequenza fissa. Regolando il rapporto tra il tempo di "conduzione" e il ciclo totale, la sorgente del segnale digitale può simulare livelli di tensione analogica in costante cambiamento, controllando così l'energia media fornita al carico.
Più in generale, la tecnologia di modulazione si riferisce alla modifica della forma d'onda elettrica o alla codifica delle informazioni in una forma d'onda elettrica per influenzare il comportamento di circuiti o sistemi. Nei prodotti elettronici pratici, ciò significa modellare il segnale per consentirgli di trasmettere dati o gestire l'entità della tensione o della corrente che raggiunge il dispositivo. Questo principio è stato ampiamente applicato negli azionamenti di motori, nell'attenuazione dell'illuminazione, nei sistemi audio, nonché nei circuiti di conversione di potenza o di carica delle batterie.
Sebbene PWM, modulazione di ampiezza (AM) e modulazione di frequenza (FM) siano le principali strategie per controllare la percezione del segnale di ampiezza o frequenza, questo articolo discuterà specificamente del PWM.
Fondamenti PWM: ciclo di lavoro e frequenza di commutazione
Come accennato in precedenza, il PWM forma forme d'onda regolando la tensione e la corrente effettive fornite al carico. Ciò si ottiene pilotando rapidamente i dispositivi di commutazione (solitamente transistor) per passare dallo stato completamente acceso a quello completamente spento. Modificando il tempo di mantenimento del dispositivo di commutazione in ciascuno stato, il sistema codifica le informazioni attraverso la durata relativa degli intervalli di alto livello e di basso livello.
Infatti, il PWM limita la propria potenza elettrica netta modificando il tempo necessario al dispositivo per ottenere la piena tensione di alimentazione in ogni ciclo di commutazione. L'aumento del "tempo di conduzione" aumenterà la tensione di uscita media, mentre la riduzione del "tempo di conduzione" ridurrà il livello di tensione effettiva del carico. Questo comportamento può essere descritto da due parametri principali: duty cycle e frequenza di commutazione.
Il duty cycle rappresenta la proporzione del tempo in cui un segnale si trova in uno stato attivo o di alto livello all'interno di un ciclo completo della forma d'onda. Questo rapporto è solitamente espresso in percentuale (%), indicando per quanto tempo l'uscita rimane nello stato attivo (effettivo) durante ciascun ciclo. Ad esempio, se la forma d'onda digitale mantiene un livello alto per 3 millisecondi e un livello basso per 1 millisecondo, il periodo totale è di 4 millisecondi, il ciclo di lavoro è del 75% e la frequenza di commutazione corrispondente è di 250 Hz.
Poiché il ciclo di lavoro determina direttamente la durata di ciascuna sezione energizzata dall'impulso, la modifica del ciclo di lavoro può controllare la potenza effettiva erogata al carico modificando il rapporto tra tempo di alto livello e tempo di basso livello senza modificare la tensione di alimentazione effettiva. In molti sistemi, la tensione e la frequenza sono parametri fissi e il ciclo di lavoro è la principale variabile di controllo regolabile. In applicazioni come gli elementi riscaldanti azionati da PWM, il monitoraggio del ciclo di lavoro può anche fungere da indicatore affidabile per determinare il livello di potenza previsto fornito dal sistema.
La frequenza di commutazione descrive il numero di volte in cui un evento si ripete in un dato periodo di tempo. In questo caso si riferisce al numero di cicli "on-off" eseguiti al secondo dal dispositivo di commutazione che pilota il segnale PWM. Questa frequenza viene misurata in Hertz (Hz) e rappresenta la velocità di rotazione del livello di potenza durante l'intero ciclo operativo.
Per garantire le prestazioni previste del carico, è necessario scegliere una frequenza di commutazione PWM adeguata. Se la frequenza impostata per un'applicazione specifica è troppo elevata, i componenti meccanici come relè o alcuni tipi di attuatori potrebbero non essere in grado di raggiungere una velocità di commutazione elevata, con conseguente guasto prematuro. Al contrario, una bassa frequenza di commutazione può avere effetti negativi quali rumore, vibrazioni o instabilità dei dispositivi controllati. Ad esempio, sebbene frequenze relativamente basse siano accettabili per l'azionamento dei motori, i carichi a stato solido come i LED richiedono in genere frequenze di commutazione significativamente più elevate per funzionare in modo fluido senza sfarfallio.