Pulsbreedtemodulatie

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Fig. 1: Pulsbreedtemodulatie

Pulsbreedtemodulatie (Engels: pulse-width modulation, PWM) is een veelgebruikte modulatietechniek die gebruikt wordt als vorm van elektrische voeding of als manier van digitale informatieoverdracht.

Men stuurt een elektrisch signaal in de vorm van een blokgolf met een vaste frequentie. De spanning is dus volledig ingeschakeld (1) of volledig uitgeschakeld (0). Bij PWM wordt de arbeidscyclus (Engels: duty cycle) van het signaal aangepast. De arbeidscyclus is de verhouding van de tijd dat het signaal hoog (1) is tot de periode van het signaal. Men beïnvloedt zo de gemiddelde waarde van het signaal, zoals te zien is in figuur 1.

PWM kent vele toepassingen, een eenvoudig voorbeeld is de aansturing van een led. Wanneer we de led aansturen met een PWM-signaal dan zal de led op hoge snelheid aan- en uitschakelen. Wanneer de gebruikte frequentie hoog genoeg is dan zal de traagheid van het oog ervoor zorgen dat het lijkt dat de led zachter brandt.

Voorgaande voorbeeld haalt al aan dat de gebruikte frequentie van belang is. De schakelfrequentie moet snel genoeg zijn zodat het schakelen geen merkbare invloed heeft op de belasting. Deze schakelfrequentie kan variëren van enkele keren schakelen per minuut bij een elektrisch fornuis, tot 100 Hz in een dimmer voor gloeilampen, enkele kilohertz (kHz) bij motorsturingen en tien tot honderden kHz in schakelende voedingen voor televisies en computersystemen.

Het grote voordeel van PWM als vermogensregeling is dat het vermogensverlies over de schakelapparaten zeer klein is.

Geschiedenis[bewerken]

Wanneer men in het verleden een apparaat op slechts een deel van zijn nominaal vermogen wou laten werken, maakte men gebruik van een regelweerstand die in serie geschakeld was met de motor (bij een naaimachine bijvoorbeeld bevond deze zich in het pedaal). Door de regelweerstand werd een deel van het vermogen opgenomen in de vorm van warmte. Deze methode was zeer inefficiënt, maar acceptabel, aangezien het totale vermogen laag was. Er waren wel andere, sommige nog steeds gebruikte, methodes zoals variabele autotransformatoren en uiteindelijk de variac voor algemene AC-vermogensregeling. Deze waren efficiënt, maar ook relatief duur.

Deze systemen zijn lang gebruikt, maar inmiddels voorbijgestreefd door aansturing op basis van pulsbreedtemodulatie of faseaansnijding.

Een van de eerste toepassingen van PWM was de Sinclair X10, een 10 W audioversterker, beschikbaar als bouwpakket in de jaren 1960. Het was rond deze tijd dat men PWM begon te gebruiken in DC-motorsturing.

Principe[bewerken]

Fig. 2: blokgolf ter verduidelijking van de definities van y_{min}, y_{max} en D.

Pulsbreedtemodulatie gebruikt een rechthoekige pulstrein waarvan de pulsbreedte gemoduleerd is resulterend in de gemiddelde waarde van het signaal. Nemen we een signaal f(t) met een lage waarde y_{min}, een hoge waarde y_{max} en een arbeidscyclus D (zie figuur 2), dan is de gemiddelde waarde van het signaal gegeven door:


\bar y=\frac{1}{T}\int^T_0f(t)\,dt.