Pengantar Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse width modulasi (PWM) adalah teknik yang ampuh untuk mengontrol sirkuit analog dengan output digital prosesor. PWM digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari pengukuran dan komunikasi untuk mengontrol kekuasaan dan konversi.

Analog elektronik

Sebuah sinyal analog memiliki nilai bervariasi terus menerus, dengan resolusi tak terbatas dalam waktu dan besarnya. Sebuah baterai sembilan volt adalah contoh dari perangkat analog, di tegangan output-nya tidak tepat 9V, perubahan dari waktu ke waktu, dan dapat mengambil setiap nilai riil-nomor. Demikian pula, jumlah arus yang ditarik dari baterai tidak terbatas untuk satu set nilai yang mungkin terbatas. Sinyal analog dibedakan dari sinyal digital karena kedua selalu mengambil nilai hanya dari sebuah himpunan berhingga kemungkinan yang telah ditentukan, seperti himpunan {0V, 5V}.

Tegangan analog dan arus dapat digunakan untuk mengontrol hal-hal secara langsung, seperti volume radio mobil. Dalam sebuah radio analog sederhana, tombol yang terhubung ke sebuah resistor variabel. Ketika Anda memutar tombolnya, resistensi naik atau turun.Seperti yang terjadi, arus yang mengalir melalui resistor atau meningkat menurun. Ini perubahan jumlah arus mengemudi speaker, sehingga meningkatkan atau menurunkan volume. Sebuah sirkuit analog adalah satu, seperti radio, yang output linier sebanding dengan input.

Sebagai intuitif dan sederhana seperti kontrol analog mungkin tampak, tidak selalu ekonomis menarik atau sebaliknya praktis. Untuk satu hal, sirkuit analog cenderung melayang dari waktu ke waktu dan bisa, karena itu, sangat sulit untuk menyempurnakan.Sirkuit presisi analog, yang memecahkan masalah itu, bisa sangat besar, berat (hanya berpikir tentang peralatan rumah tua stereo), dan mahal. Sirkuit analog juga bisa menjadi sangat panas, sedangkan daya yang dihamburkan adalah sebanding dengan tegangan elemen aktif dikalikan dengan arus melalui mereka. Sirkuit analog juga bisa sensitif terhadap kebisingan. Karena resolusi yang tak terbatas, setiap gangguan atau noise pada sinyal analog tentu perubahan nilai saat ini.

Kontrol digital

Dengan mengontrol sirkuit analog digital, sistem biaya dan konsumsi daya dapat dikurangi secara drastis. Terlebih lagi, banyak mikrokontroler dan DSP sudah termasuk on-chip pengendali PWM, membuat implementasi yang mudah.

Singkatnya, PWM adalah cara pengkodean digital tingkat sinyal analog. Melalui penggunaan resolusi tinggi counter , dengan siklus tugas dari gelombang persegi dimodulasi untuk mengkodekan tingkat sinyal analog yang spesifik. Sinyal PWM masih digital karena, pada setiap instan waktu tertentu, suplai DC penuh baik lengkap atau sepenuhnya off. Sumber tegangan atau arus yang disuplai ke beban analog dengan cara mengulangi serangkaian on dan off pulsa. Yang waktu- adalah waktu yang diterapkan suplai DC ke beban, dan off-waktuadalah periode di mana pasokan yang dimatikan. Mengingat bandwidth yang cukup, setiap nilai analog dapat dikodekan dengan PWM.

Gambar 1 menunjukkan tiga sinyal PWM yang berbeda. Gambar 1a menunjukkan output PWM pada siklus 10%. Artinya, sinyal selama 10% dari periode dan dari 90%. Gambar 1b dan menunjukkan 1c PWM output pada 50% dan siklus tugas 90%, masing-masing. Ketiga output PWM menyandikan tiga nilai yang berbeda sinyal analog, pada 10%, 50%, dan 90% dari kekuatan penuh. Jika, misalnya, pasokan adalah 9V dan siklus adalah 10%, hasil sinyal analog 0.9V.

Gambar 1. Sinyal PWM dari berbagai siklus tugas

Gambar 2 menunjukkan rangkaian sederhana yang dapat digerakkan menggunakan PWM.Dalam gambar, sebuah baterai 9 V kekuatan sebuah bola lampu pijar. Jika kita menutup saklar yang menghubungkan baterai dan lampu untuk 50 ms, bohlam akan menerima 9 V selama interval tersebut. Jika kita kemudian membuka saklar untuk 50 ms berikutnya, bohlam akan menerima 0 V. Jika kita ulangi siklus ini 10 kali per detik, lampu akan menyala seolah-olah terhubung ke 4,5 V baterai (50% dari 9 V ). Kita mengatakan bahwa siklus adalah 50% dan frekuensi modulasi adalah 10 Hz.

Gambar 2. Sebuah PWM rangkaian sederhana

Sebagian besar beban, induktif dan capacitative sama, memerlukan frekuensi modulasi lebih tinggi dari 10 Hz. Bayangkan bahwa lampu kami dinyalakan selama lima detik, kemudian pergi selama lima detik, lalu hidupkan kembali. Siklus masih akan menjadi 50%, namun bola akan muncul terang benderang selama lima detik pertama dan off untuk berikutnya.Dalam rangka untuk bola untuk melihat tegangan 4,5 volt, periode siklus harus relatif pendek untuk waktu respon beban untuk perubahan di negara saklar. Untuk mencapai efek yang diinginkan dari sebuah dimmer (tapi selalu menyala) lampu, maka perlu untuk meningkatkan frekuensi modulasi. Hal yang sama berlaku dalam aplikasi lain PWM. Frekuensi modulasi yang umum berkisar dari 1 kHz sampai 200 kHz.

PWM controller

Banyak mikrokontroler termasuk on-chip pengendali PWM. Sebagai contoh, Microchip'S PIC16C67 mencakup dua, masing-masing memiliki dipilih tepat waktu dan periode. Siklus adalah rasio dari waktu-ke periode; frekuensi modulasi adalah invers dari periode. Untuk memulai PWM operasi, lembar data menunjukkan perangkat lunak harus:

• Mengatur periode di counter on-chip timer / yang memberikan modulasi gelombang persegi
• Mengatur waktu-di kontrol PWM mendaftar
• Mengatur arah output PWM, yang merupakan salah satu tujuan umum I / O pin
• Mulai timer
• Aktifkan PWM controller

Meskipun khusus PWM pengendali lakukan bervariasi dalam rincian program mereka, ide dasar umumnya sama.

Komunikasi dan kontrol

Salah satu keuntungan dari PWM adalah bahwa sinyal digital semua tetap jalan dari prosesor ke sistem dikendalikan, tidak ada konversi digital-ke-analog diperlukan. Dengan menjaga sinyal digital, efek kebisingan adalah diminimalkan. Kebisingan hanya dapat mempengaruhi sinyal digital jika cukup kuat untuk mengubah logika-1 ke logika-0, atau sebaliknya.

Peningkatan kebisingan imunitas belum manfaat lain memilih alih kontrol PWM analog, dan merupakan alasan utama PWM kadang-kadang digunakan untuk komunikasi. Beralih dari sinyal analog ke PWM dapat meningkatkan panjang saluran komunikasi secara dramatis.Pada akhir penerimaan, cocok RC (resistor-kapasitor) atau LC (induktor-kapasitor) jaringan dapat menghapus modulasi frekuensi gelombang persegi yang tinggi dan kembali sinyal ke bentuk analog.

PWM menemukan aplikasi dalam berbagai sistem. Sebagai contoh konkret, mempertimbangkan rem PWM dikendalikan. Sederhananya, rem adalah perangkat yang turun keras pada sesuatu klem. Dalam banyak rem, jumlah tekanan penjepitan (atau kekuasaan berhenti) dikontrol dengan sinyal input analog. Tegangan lebih atau arus yang diaplikasikan untuk rem, tekanan lebih rem akan mengerahkan.

Output dari PWM controller dapat terhubung ke switch antara pasokan dan rem. Untuk menghasilkan lebih banyak kekuatan berhenti, perangkat lunak hanya perlu meningkatkan siklus tugas dari output PWM. Jika jumlah tertentu tekanan pengereman yang diinginkan, pengukuran akan perlu diambil untuk menentukan hubungan matematika antara siklus dan tekanan. (Dan formula yang dihasilkan atau tabel lookup akan tweak untuk suhu operasi, memakai permukaan, dan sebagainya.)

Untuk mengatur tekanan rem, katakanlah, 100 psi, perangkat lunak akan melakukan reverse lookup untuk menentukan siklus yang harus menghasilkan bahwa jumlah gaya. Ini kemudian akan mengatur siklus tugas PWM ke nilai baru dan rem akan merespons sesuai. Jika sensor tersedia dalam sistem, siklus dapat men-tweak, di bawah kendali loop tertutup , sampai tekanan yang diinginkan justru tercapai.

PWM ekonomis, menghemat ruang, dan kekebalan kebisingan. Dan sekarang di dalam tas Anda trik. Jadi menggunakannya.

---