Modulasi Lebar Pulsa

Pulse Width Modulation (PWM) menggunakan sinyal digital untuk mengontrol aplikasi daya, serta cukup mudah untuk mengkonversi kembali ke analog dengan perangkat keras minimum.

Sistem analog, seperti catu daya linier, cenderung menghasilkan banyak panas karena pada dasarnya adalah resistor variabel yang membawa banyak arus. Sistem digital umumnya tidak menghasilkan banyak panas. Hampir semua panas yang dihasilkan oleh perangkat switching adalah selama transisi (yang dilakukan dengan cepat), sedangkan perangkat tidak hidup atau mati, tetapi di antaranya. Ini karena kekuatan mengikuti rumus berikut:

P =E I, atau Watt =Arus X Tegangan

Jika tegangan atau arus mendekati nol maka daya akan mendekati nol. PWM memanfaatkan sepenuhnya fakta ini.

PWM dapat memiliki banyak karakteristik dari sistem kontrol analog, di mana sinyal digital dapat berputar bebas. PWM tidak harus menangkap data, meskipun ada pengecualian untuk ini dengan pengontrol kelas atas.

Siklus Tugas

Salah satu parameter gelombang persegi adalah siklus kerja. Sebagian besar gelombang persegi adalah 50%, ini adalah norma ketika membahasnya, tetapi tidak harus simetris. Waktu AKTIF dapat divariasikan sepenuhnya antara sinyal mati hingga sepenuhnya menyala, 0% hingga 100%, dan semua rentang antara.

Di bawah ini adalah contoh siklus tugas 10%, 50%, dan 90%. Meskipun frekuensinya sama untuk masing-masing, ini bukan keharusan.

Alasan PWM populer adalah sederhana. Banyak beban, seperti resistor, mengintegrasikan daya ke dalam angka yang sesuai dengan persentase. Konversi ke nilai ekuivalen analognya sangat mudah. LED sangat nonlinier dalam menanggapi arus, berikan LED setengah arus pengenalnya dan Anda masih mendapatkan lebih dari setengah cahaya yang dapat dihasilkan LED. Dengan PWM tingkat cahaya yang dihasilkan oleh LED sangat linier. Motor, yang akan dibahas nanti, juga sangat responsif terhadap PWM.

Salah satu cara untuk menghasilkan PWM adalah dengan menggunakan bentuk gelombang gigi gergaji dan komparator. Seperti yang ditunjukkan di bawah, gigi gergaji (atau gelombang segitiga) tidak perlu simetris, tetapi linieritas bentuk gelombang itu penting. Frekuensi bentuk gelombang gigi gergaji adalah laju pengambilan sampel untuk sinyal.

Jika tidak ada perhitungan yang terlibat, PWM bisa cepat. Faktor pembatasnya adalah respon frekuensi pembanding. Ini mungkin tidak menjadi masalah karena beberapa penggunaannya memiliki kecepatan yang cukup rendah. Beberapa mikrokontroler memiliki PWM bawaan dan dapat merekam atau membuat sinyal sesuai permintaan.

Penggunaan untuk PWM sangat bervariasi. Ini adalah inti dari penguat audio Kelas D, dengan meningkatkan voltase Anda meningkatkan output maksimum, dan dengan memilih frekuensi di luar pendengaran manusia (biasanya 44Khz) PWM dapat digunakan. Speaker tidak menanggapi frekuensi tinggi tetapi menduplikasi frekuensi rendah, yang merupakan sinyal audio. Tingkat pengambilan sampel yang lebih tinggi dapat digunakan untuk fidelitas yang lebih baik, dan 100Khz atau jauh lebih tinggi bukanlah hal yang tidak pernah terdengar sebelumnya.

Aplikasi populer lainnya adalah kontrol kecepatan motor. Motor sebagai kelas membutuhkan arus yang sangat tinggi untuk beroperasi. Mampu memvariasikan kecepatan mereka dengan PWM meningkatkan efisiensi sistem total sedikit. PWM lebih efektif dalam mengendalikan kecepatan motor pada RPM rendah daripada metode linier.

H-Bridges

PWM sering digunakan bersama dengan H-Bridge. Konfigurasi ini dinamakan demikian karena menyerupai huruf H, dan memungkinkan tegangan efektif melintasi beban menjadi dua kali lipat karena catu daya dapat dialihkan di kedua sisi beban. Dalam kasus beban induktif, seperti motor, dioda digunakan untuk menekan lonjakan induktif, yang dapat merusak transistor. Induktansi dalam motor juga cenderung menolak komponen frekuensi tinggi dari bentuk gelombang. Konfigurasi ini juga dapat digunakan dengan speaker untuk ampli audio Kelas D.

Meskipun pada dasarnya akurat, skema H-Bridge ini memiliki satu kelemahan serius, adalah mungkin saat transisi antara MOSFET bahwa kedua transistor di atas dan bawah akan menyala secara bersamaan, dan akan mengambil beban penuh dari apa yang dapat disediakan oleh catu daya. Kondisi ini disebut sebagai tembak tembus dan dapat terjadi dengan semua jenis transistor yang digunakan dalam H-Bridge. Jika catu daya cukup kuat, transistor tidak akan bertahan. Ini ditangani dengan menggunakan driver di depan transistor yang memungkinkan satu transistor mati sebelum yang lain menyala.

Mode Beralih Catu Daya

Switching Mode Power Supply (SMPS) juga dapat menggunakan PWM, meskipun metode lain juga ada. Menambahkan topologi yang menggunakan daya yang tersimpan di induktor dan kapasitor setelah komponen switching utama dapat meningkatkan efisiensi perangkat ini cukup tinggi, melebihi 90% dalam beberapa kasus. Di bawah ini adalah contoh konfigurasi tersebut.

Efisiensi, dalam hal ini, diukur sebagai watt. Jika Anda memiliki SMPS dengan efisiensi 90%, dan mengubah 12VDC menjadi 5VDC pada 10 Amps, sisi 12V akan menarik sekitar 4,6 Amps. 10% (5 watt) yang tidak diperhitungkan akan muncul sebagai limbah panas. Meskipun sedikit lebih berisik, jenis regulator ini akan bekerja jauh lebih dingin daripada rekan liniernya.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Proyek Desain:Lembar Kerja Generator Sinyal Pulse-Width Modulation (PWM)

• Lembar Kerja Modulasi Sinyal