Pulsilaiusmodulatsioon

Allikas: Vikipeedia

Pulsilaiusmodulatsioon (PWM) ehk impulsilaiusmodulatsioon ehk laiusimpulssmodulatsioon on modulatsiooni liik, milles väljundpinge reguleerimiseks muudetakse impulsside laiust. Lühend PWM tuleb inglisekeelsest terminist Pulse Width Modulation.

Joonis 1. Pulsilaiusmodulatsiooni näide: järjestikuste impulssidega moduleeritud pinge vahelduvvoolumootori klemmide vahel (sinine), mille tulemusel tekib mootoris siinusesarnane vahelduv magnetvoog (punane).

Kuigi pulsilaiusmodulatsiooni saab kasutada informatsiooni edastamiseks, on selle peamine kasutusala elektriliste seadmete võimsuse kontrollimine. Kõige rohkem kasutatakse pulsilaiusmodulatsiooni võimsuse kontrollimiseks inertsiga koormistel nagu mootoritel.[1]

Koormisele rakendatavat keskmist pinget (ja voolu) kontrollitakse toitepinge ning koormuse vahelise lüliti kiirel sagedusel sisse- ja väljalülitamisega. Mida kauem on lüliti sisse lülitatud (ehk koormis on ühendatud toitepingega) seda suurem on koormisele rakendatav pinge.[2]

Pulsilaiusmodulatsiooni sisse- ja väljalülitussagedus peab olema nii suur, et see ei mõjutaks rakendatavat koormist soovimatul kujul. Selline sagedus on seadmetel väga erinev. Näiteks peab elektripliidi puhul lülitamine käima vaid paar korda minutis, lambi valgusregulaatoris 120 korda sekundis ning helivõimendites ja mikroskeemides peab lülitussagedus olema kümnetes kuni sadades kilohertsides.[2]

Peamine pulsilaiusmodulatsiooni eelis on see, et lülitusseadmetes on võimsuse kadu väga väike. Kui lüliti on avatud, ei jookse läbi lüliti peaaegu mingit voolu ning kui lüliti on suletud, tarbib voolu ainult rakendatav koormis. Teisisõnu ei lange lüliti peal mingit pinget.[1]

Tööpõhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

PWM-i saab kasutada RGB ledide heleduse muutmiseks või servomootorite pöörlemiskiiruse ja pöörlemissuuna kontrollimiseks. Kõik need kasutusalad on võimalikud, kuna pulsilaiusmodulatsiooniga saab määrata aja, kaua signaal on kõrges olekus. Kui tavaliselt saab signaal olla, kas ainult kõrge (ühendatud toitega) või ainult madal (ühendatud maaga), siis PWM võimaldab määrata kindlas ajaintervallis signaali kõrge ning madala oleku osakaalu.[3]

Joonis 2. Täitetegur on defineeritud pulsi laiuse () ja signaali perioodi () suhtena

Seda, kui pikalt on signaal ühes perioodis kõrges olekus, kirjeldab täitetegur, mis on pulsi laiuse ning signaali perioodi suhe. Protsentides väljendatav täitetegur näitab, kui suure osa ajast on ühes perioodis digitaalne signaal kõrges olekus. Pulsilaiusmodulatsiooni puhul tähendab madal täitetegur madalat pinget.[4]

Täitetegurit saab defineerida järgmiselt:

kus on täitetegur, on pulsi laius ja on signaali periood [4].

Kui digitaalne signaal on pool ajast kõrge ja pool ajast madal, võib öelda, et selle signaali täitetegur on 50%. Selline signaal väljendab ideaalset kastsignaali. Kui täitetegur on suurem kui 50%, on signaal rohkem aega kõrges kui madalas olekus. Kui täitetegur on väiksem kui 50%, on signaal rohkem aega madalas kui kõrges olekus. 100% täitetegur tähendab, et koormisele rakendatav pinge on võrdne toitepingega. 0% täitetegur tähendab, et signaal on ühendatud maaga.[5]

Pulsilaiusmodulatsioon kasutab kastsignaali kujulist lainekuju, mille keskmist väärtust saab arvutada järgmiselt:

Joonis 3. Pulseeriv signaal

kus on signaal, on signaali periood, on täitetegur, on signaali madal väärtus ja on signaali kõrge väärtus [6].

PWM digitaalsetes vooluringides[muuda | muuda lähteteksti]

Paljud digitaalsed vooluringid (nagu mikrokontrollerid) suudavad genereerida PWM signaali. Mikrokontrollerid kasutavad tavaliselt loendurit, mis suureneb perioodiliselt (loendur on vahetult ühendatud kellaga) ja läheb nulli iga PWM-i perioodi lõpus. Programmeerijal on võimalik määrata pulsilaiusmodulatsiooni täitetegur ning sagedus. Kui loenduri väärtus saab suuremaks kui kontrollväärtus, muudetakse PWM-i väljund vastupidiseks (kõrgest madalaks või madalast kõrgeks).[2]

PWMi tüübid[muuda | muuda lähteteksti]

Joonis 4. Kolm PWMi tüüpi (sinine): fikseeritud juhtiv serv, fikseeritud tagumine serv ja fikseeritud keskosa (mõlemaid servi moduleeritakse). Rohelised jooned on saehamba signaal (esimesel ja teisel juhul) ning kolmnurksignaal (kolmandal juhul).

Pulsilaiusmodulatsioonil on kolm tüüpi:

  1. Pulsi keskosa on fikseeritud ning pulsi mõlemaid servi liigutatakse pulsi moduleerimiseks.
  2. Pulsi juhtiv serv on fikseeritud ning moduleerimiseks liigutatakse tagumist serva.
  3. Pulsi tagumine serv on fikseeritud ning moduleerimiseks liigutatakse juhtivat serva.[7]  

Joonisel 4 on näha kõik kolm tüüpi.

Eriliigid[muuda | muuda lähteteksti]

Analoogsignaali teisendus[muuda | muuda lähteteksti]

Kõige lihtsam viis analoogsignaalist PWM signaali saamiseks on võrdlemismeetod. Selle meetodi jaoks on vaja saehammas- või kolmnurksignaali ning komparaatorit. Kui võrdlussignaal (punane siinus joonisel 5) on suurem kui saehammas- või kolmnurksignaal (sinine), siis on PWM signaal kõrge. Vastasel juhul on signaal madal.[1]

Taolise signaali moduleerimisega on PWM-i võimalik kasutada analoogsignaalina esineva heli salvestamiseks digitaalsel kujul.[1]

Kasutus[muuda | muuda lähteteksti]

Pulsilaiusmodulatsioon leiab tänapäeval kasutust väga paljudes kohtades, alates võimsuse kontrollist elektriskeemides, lõpetades info edastamisega [1].

Joonis 5. Lihtne meetod PWM signaali genereerimiseks: võrdlussignaali (siin roheline siinus) võrreldakse saehamba signaaliga (sinine). Kui võrdlussignaal on suurem kui saehamba signaal, on PWM-i (roosa) olek kõrge (1). Vastupidisel juhul on olek madal (0).

Võimsuse kontroll[muuda | muuda lähteteksti]

Pulsilaiusmodulatsioon võimaldab reguleerida koormisele rakendatavat pinget ilma võimsust kaotamata. Sellise tehnoloogia negatiivseks küljeks on see, et koormisele rakendatav pinge ei ole konstantne, vaid katkendlik. Vaatamata sellele on kõrge sageduse ning passiivsete sagedusfiltritega võimalik signaali siluda ning saavutada pidev analoogsignaal.[1]

Pulssi genereeriva vooluringi võimsus ei ole konstantne ning vajab enamikel juhtudel mingit ladustamisvõimalust. Selleks sobib näiteks pulssi genereerivasse vooluringi paigutatud kondensaator.[1]

Kõrge sagedusega töötava pulsilaiusmodulatsiooni võimsuse kontroll on kergelt realiseeritav pooljuht lülititega. Nagu eelnevalt mainitud, ei ole lüliti lahtises või kinnises olekus mingit energiakadu. Vaatamata sellele omavad sisse- ja väljalülituse hetkedel nii pinge kui ka vool nullist erinevat väärtust ning lüliti kaotab energiat. Seetõttu peab lüliti sisse- ja väljalülituse aeg olema võimalikult lühike. Taoliseks kiireks lülituseks sobivad hästi erinevad transistorid nagu metall-oksiid-pooljuht väljatransistorid või isoleeritud paisuga bipolaartransistorid.[1]

Servomootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Pulsilaiusmodulatsiooni kasutatakse palju servomootorite võimsuse kontrolliks. Mida suurem on täitetegur, seda suurem on mootorile rakendatav pinge. Mida suurem on pinge, seda tugevam on mootori sees olev magnetvoog ning seda kiiremini pöörleb mootor.[8]

Pingeregulaator[muuda | muuda lähteteksti]

Pulsilaiusmodulatsiooni kasutatakse ka pingeregulaatorites. Soovitud väljastatav vool saadakse õige täiteteguri valimisega. Müra vähendatakse tavaliselt induktiivpooli ning kondensaatori lisamisega.[9]

Heli[muuda | muuda lähteteksti]

Ühendades PWM signaal kõlariga, on võimalik teha muusikat. Muutes signaali perioodi, saab programmeerija muuta noodi kõrgust ning muutes täitetegurit, saab programmeerija kontrollida heli tugevust. Väljastatav signaal paneb kõlari membraani võnkuma ning kostub heli.[10]

Üks pulsilaiusmodulatsiooni eeliseid on see, et liikudes ühest ahelast teise, püsib signaal terve aja digitaalsena. Vahepeal ei ole vaja digitaalsignaali muuta analoogsignaaliks. Hoides signaali digitaalsena, esineb info edastamisel vähem müra. Müra saab digitaalset signaali mõjutada ainult juhul, kui on nii tugev, et suudab loogilise ühe muuta loogiliseks nulliks (või vastupidi). Just müra vähesus on üks peamiseid põhjuseid, miks vahel pulsilaiusmodulatsioon kommunikatsiooniks valitakse. Lõpuks saab infot vastuvõtvas pooles muuta RC- või LC-filter kõrgesagedusliku kastsignaali analoogsignaaliks.[3]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 "PWM modulation" PCB Heaven, 10.03.2009. Kasutatud 31.10.2016. (inglise keeles)
  2. 2,0 2,1 2,2 "Introduction to Pulse Width Modulation (PWM)" BARR Group, 01.09.2001. Kasutatud 31.10.2016. (inglise keeles)
  3. 3,0 3,1 "Introduction to Pulse Width Modulation" Embedded, 31.08.2001. Kasutatud 01.11.2016. (inglise keeles)
  4. 4,0 4,1 Cox, James F.; Chartrand, Leo. "Nonsinusoidal oscillators". Fundamentals of Linear Electronics: Integrated and Discrete (väljaanne 2 ). Cengage Learning. pp. 511–584. ISBN 0-766-83018-7. 
  5. "Pulse-width Modulation" Sparkfun. Kasutatud 31.10.2016. (inglise keeles)
  6. "Average and effective values" meettechniek.info. Kasutatud 12.11.2016. (inglise keeles)
  7. "Types of PWM" Instructables. Kasutatud 31.10.2016. (inglise keeles)
  8. "Pulse Width Modulation" Electronics Tutorials. Kasutatud 31.10.2016. (inglise keeles)
  9. "Voltage- and Current-Mode Control for PWM Signal Generation in DC-to-DC Switching Regulators" Digikey, 01.10.2014. Kasutatud 01.11.2016. (inglise keeles)
  10. "mbed Starter Kit Experiment Guide" Sparkfun. Kasutatud 01.11.2016. (inglise keeles)