Modulation de largeur d'impulsion

PWM ou PWM (Pulse Width Modulation) est un moyen de contrôler l'alimentation d'une charge. La commande consiste à modifier la durée d'impulsion à un taux de répétition d'impulsions constant. La modulation de largeur d'impulsion est disponible en analogique, numérique, binaire et ternaire.

L'utilisation de la modulation de largeur d'impulsion permet d'augmenter le rendement des convertisseurs électriques, notamment des convertisseurs d'impulsions, qui constituent aujourd'hui la base des alimentations secondaires de divers appareils électroniques. Les convertisseurs de commutation Flyback et Forward simples, push-pull et demi-pont, ainsi que les ponts sont contrôlés aujourd'hui avec la participation de PWM, cela s'applique également aux convertisseurs résonnants.

La modulation de largeur d'impulsion vous permet de régler la luminosité du rétroéclairage des écrans à cristaux liquides des téléphones portables, smartphones, ordinateurs portables. PWM est implémenté dans machines à souder, dans les onduleurs de voiture, dans les chargeurs, etc. Aujourd'hui, chaque chargeur utilise PWM dans son fonctionnement.

Les transistors bipolaires et à effet de champ en mode clé sont utilisés comme éléments de commutation dans les convertisseurs haute fréquence modernes. Cela signifie qu'une partie de la période où le transistor est complètement ouvert et une partie de la période où il est complètement fermé.

Et comme dans des états transitoires ne durant que quelques dizaines de nanosecondes, la puissance dégagée par l'interrupteur est faible devant la puissance commutée, il en résulte que la puissance moyenne dégagée sous forme de chaleur sur l'interrupteur s'avère négligeable. Dans ce cas, à l'état fermé, la résistance du transistor en tant qu'interrupteur est très faible et la chute de tension à ses bornes se rapproche de zéro.

A l'état ouvert, la conductivité du transistor est proche de zéro et le courant ne le traverse pratiquement pas. Cela permet de créer des convertisseurs compacts à haut rendement, c'est-à-dire avec de faibles pertes de chaleur. Les convertisseurs résonants ZCS (Zero Current Switching) minimisent ces pertes.

Dans les générateurs PWM de type analogique, le signal de commande est généré par un comparateur analogique lorsque, par exemple, un signal triangulaire ou triode est appliqué à l'entrée inverseuse du comparateur et un signal continu modulant est appliqué à l'entrée non inverseuse.

Les impulsions de sortie sont reçues rectangulaire, leur taux de répétition est égal à la fréquence de la scie (ou forme d'onde triangulaire), et la durée de la partie positive de l'impulsion est liée au temps pendant lequel le niveau du signal continu modulant appliqué à l'entrée non inverseuse de le comparateur est supérieur au niveau du signal de scie qui est envoyé à l'entrée inverseuse.Lorsque la tension de scie est supérieure au signal de modulation, la sortie sera la partie négative de l'impulsion.

Si la scie est appliquée à l'entrée non inverseuse du comparateur et que le signal modulant est appliqué à l'inverseur, les impulsions de sortie de l'onde carrée auront une valeur positive lorsque la tension de la scie est supérieure à la valeur du signal modulant appliqué à l'entrée inverseuse et négatif - lorsque la tension de la scie est inférieure au signal de modulation. Un exemple de génération PWM analogique est la puce TL494, qui est largement utilisée aujourd'hui dans la construction d'alimentations à découpage.

Le PWM numérique est utilisé dans la technologie numérique binaire. Les impulsions de sortie prennent également une seule des deux valeurs (on ou off), et le niveau de sortie moyen se rapproche de celui souhaité. Ici, le signal en dents de scie est obtenu en utilisant un compteur N-bit.

Les appareils numériques PWM fonctionnent également à une fréquence constante, dépassant nécessairement le temps de réponse de l'appareil contrôlé, cette approche est appelée suréchantillonnage. Entre les fronts d'horloge, la sortie numérique PWM reste stable, haute ou basse, selon l'état actuel de la sortie du comparateur numérique, qui compare les niveaux du signal de compteur et du signal numérique approximatif.

La sortie est cadencée sous la forme d'une suite d'impulsions aux états 1 et 0, chaque état de l'horloge pouvant être inversé ou non. La fréquence des impulsions est proportionnelle au niveau du signal qui approche, et des unités successives peuvent former une impulsion plus large et plus longue.

Les impulsions à largeur variable résultantes seront des multiples de la période d'horloge, et la fréquence sera égale à 1/2NT, où T est la période d'horloge, N est le nombre de cycles d'horloge. Une fréquence inférieure en termes de fréquence d'horloge est ici réalisable. Le schéma de génération numérique décrit est une modulation PCM codée par impulsions PWM à un bit ou à deux niveaux.

Cette modulation codée par impulsions à deux étages est essentiellement une séquence d'impulsions avec une fréquence de 1/T et une largeur de T ou 0. Le suréchantillonnage est utilisé pour faire la moyenne sur une plus longue période de temps. Une PWM de haute qualité est obtenue par une modulation à densité d'impulsions à un seul bit, également appelée modulation de fréquence d'impulsions.

Dans la modulation de largeur d'impulsion numérique, les sous-impulsions rectangulaires qui remplissent la période peuvent apparaître n'importe où dans la période, et alors seul leur nombre affecte la valeur moyenne du signal pour la période. Donc, si nous divisons la période en 8 parties, alors les combinaisons d'impulsions 11001100, 11110000, 11000101, 10101010, etc. donnera la même période moyenne, mais les unités individuelles alourdissent le rapport cyclique du transistor clé.

Les sommités de l'électronique, parlant de PWM, donnent une analogie similaire à la mécanique. Si vous tournez un volant moteur lourd avec le moteur après que le moteur peut être allumé ou éteint, le volant moteur tournera et continuera à tourner ou s'arrêtera en raison du frottement lorsque le moteur est éteint.

Mais si le moteur est allumé quelques secondes par minute, la rotation du volant sera maintenue en raison de l'inertie à une certaine vitesse. Et plus le moteur est allumé longtemps, plus la vitesse de rotation du volant moteur est élevée.Ainsi, avec PWM, un signal marche/arrêt (0 et 1) arrive à la sortie et le résultat est une valeur moyenne. En intégrant la tension des impulsions dans le temps, on obtient la surface sous les impulsions, et l'effet sur le corps qui travaille sera identique au travail avec une valeur moyenne de la tension.

C'est ainsi que fonctionnent les convertisseurs, où la commutation se produit des milliers de fois par seconde et les fréquences atteignent des unités de mégahertz. Les contrôleurs PWM spéciaux sont largement utilisés pour contrôler les ballasts des lampes à économie d'énergie, des alimentations, convertisseurs de fréquence pour moteurs etc.

Le rapport de la durée totale de la période d'impulsion au temps d'activation (partie positive de l'impulsion) est appelé rapport cyclique. Donc, si le temps d'activation est de 10 μs et que la période dure 100 μs, alors à une fréquence de 10 kHz, le rapport cyclique sera de 10, et ils écrivent que S = 10. Le rapport cyclique inverse est appelé le rapport cyclique cycle, en anglais Duty cycle ou DC en abrégé.

Ainsi, pour l'exemple donné, DC = 0,1 puisque 10/100 = 0,1. Avec la modulation de largeur d'impulsion, en ajustant le rapport cyclique de l'impulsion, c'est-à-dire en modifiant le courant continu, la valeur moyenne requise est obtenue à la sortie d'un appareil électronique ou autre appareil électrique, tel qu'un moteur.