Pulsbreedtemodulatie

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 duty cycle van het signaal aangepast. De duty cycle is de verhouding van de tijd dat het signaal hoog (1) is tot de periode van het signaal. Men beïnvloed 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 voeden dan zal deze 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 groot 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 100Hz in een dimmer voor gloeilampen, enkele kilohertz (kHz) bij motorsturingen en tien tot honderden kHz in audioversterkers en geschakelde voedingen voor computersystemen.

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

Geschiedenis

Wanneer men in het verleden een apparaat op slechts een deel van zijn nominaal vermogen wou laten werken (zoals bijvoorbeeld bij een naaimachine) dan maakte men gebruik van een reostaat (die zich dan bevond in het voetpedaal van de naaimachine) die verbonden was in serie met de motor. Door het pedaal in te drukken veranderde de weerstand van de reostaat en bijgevolg ook de stroom door het circuit. Bijgevolg werd er een relatief grote hoeveelheid energie verspild in de vorm van warmte die ontstond in het regelelement. Deze methode was zeer inefficiënt, maar acceptabel, aangezien het 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 vrij efficiënt maar ook relatief duur.

Deze systemen zijn lang gebruikt maar intussen voorbijgestreefd door aansturing op basis van PWM. Eén van de eerste toepassingen van PWM was de Sinclair X10, een 10 W audioversterker beschikbaar als kit in de jaren 60. Het was rond deze tijd dat men PWM begon te gebruiken in AC motoraansturing.

Principe

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

Pulsbreedtemodulate 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 duty cycle $D$ (zie figuur 2), dan is de gemiddelde waarde van het signaal gegeven door:

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