Pulzně šířková modulace
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Pulsně šířková modulace, neboli PWM (Pulse Width Modulation) je diskrétní modulace pro přenos analogového signálu pomocí dvouhodnotového signálu. Jako dvouhodnotová veličina může být použito například napětí, proud, nebo světelný tok. Signál je přenášen pomocí střídy. Pro demodulaci takového signálu pak stačí dolnofrekvenční propust. Vzhledem ke svým vlastnostem je pulsně šířková modulace často využívána ve výkonové elektronice pro řízení velikosti napětí nebo proudu. Kombinace PWM modulátoru a dolnofrekvenční propusti bývá rovněž využívána jako levná náhrada D/A převodníku.
[editovat] Princip modulace a demodulace
Představme si, že chceme s využitím PWM přenést analogové napětí pomocí světlovodu. Modulátor srovnává modulační signál (analogové napětí) s nosným signálem tvořeným střídavým napětím konstantní amplitudy (velkosti) a frekvence, jehož průběh je pilový nebo trojúhelníkový. Modulační signál musí mít podstatně nižší frekvenci než nosný signál. Pokud je okamžitá hodnota moduluačního signálu nižší než okamžitá hodnota nosného signálu, modulátor zapne světlo, v opačném případě světlo vypne (výstupním členem bude nejspíše optický vysílač s LED diodou).
Na opačné straně optického vlákna máme optický přijímač, který při rozsvíceném světle připne na výstup kladné napětí, při vypnutém světle záporné napětí o stejné velikosti, jako je amplituda napětí nosného signálu. Pokud toto napětí pustíme přes dolnofrekvenční propust, dostáváme za ní signál podobný modulačnímu signálu na začátku přenosového řetězce.
Modulace se často provádí digitálně, ale základní princip zůstává stejný. Hodnota modulačního signálu se ukládá jako číslo do vstupního registru modulátoru a nosný signál je reprezentován hodnotou čítače modulátoru.
[editovat] Použití PWM ve výkonové elektronice
Tranzistor má nízké ztráty ve dvou provozních stavech. Když je plně vypnutý, nebo když je plně sepnutý. Když je plně vypnutý, je na něm napětí, ale neteče přes něj proud, takže jsou v tomto stavu jeho ztráty nulové. Když je plně sepnutý, může přes něj téct proud, ale je na něm pouze saturační napětí, které je poměrně nízké, takže je ztrátový výkon je v tomto stavu rovněž nízký. Protože při každém zapnutí nebo vypnutí přechází tranzistor přes oblast vysokých ztrát, s frekvencí spínání ztráty rostou. Díky možnosti přenést dvouhodnotově modulovaný signál při dané spínací frekvenci dnes patří puslně šířková modulace k základním technikám, na kterých stojí současná výkonová elektronika.
Téměř všechny současné DC/DC měniče, měniče frekvence nebo střídače využívají nějakou formu pulsně šířkové modulace. Například střídač může připojovat na stejnosměrný elektromotor pulsně-šířkově modulované napětí. Rozptylová indukčnost motoru se pak chová jako dolnofrekvenční propust, takže proud a tedy i moment motoru je spojitý.
Podobně se PWM používá u měničů frekvence s třífázovými elektromotory. Indukčnost motoru zde rovněž působí jako dolnofrekvenční propust, tři fáze motoru jsou připojeny na tři pulsně-šířkově modulovaná napětí. Motor se při dostatečně velké nosné frekvenci modulace chová podobně, jako by na něj přiložená napětí nebyla modulovaná. Vzhledem k tomu, že nulový vodič motoru se nezapojuje, rozhodující jsou pouze rozdíly napětí (tj. okamžitá sdružená napětí) vstupující do modulátorů.
Ve spotřební elektronice mohou využívat PWM tzv. zesilovače třídy D, jejichž hlavní výhodou jsou nízké ztráty, což vede k úspoře energie a ke snížení rozměrů zařízení. To má význam zvláště u přístrojů napájených z baterie.
Nosná frekvence modulace bývá většinou konstatntní, ale nemusí tomu tak být vždy. Například některé střídače pro řízení motoru mohou záměrně každou periodu náhodně měnit frekvenci nosného signálu, aby bylo redukováno nepříjemné pískání motoru souvisící s nosnou frekvencí modulace.
Modulovanou veličinou je většinou napětí - pak mluvíme o měničích s napěťovým meziobvodem. Mnohem řidčeji se používá modulace proudu - pak mluvíme o měničích s proudovým meziobvodem.
