Pwm
In questo articolo, studieremo la tecnica del pwm, acronico di Pulse Width Modulation, tradotto in italiano come modulazione a larghezza di impulso.
La tecnica consiste nell’utilizzare un segnale impulsivo, ovvero generare una tensione che ciclicamente passa da 0V a Vcc, con una frequenza fissa, dando quindi vita ad una serie di impulsi, distanziati tra di loro di un tempo fisso.
In pratica se voi per mezzo di un interruttore, accendete ad esempio una lampada, poi dopo mezzo secondo la spegnete, successivamente dopo mezzo secondo l’accendete, e continuate così ad accendere e spegnere a cadenza di mezzo secondo, state generando un segnale impulsivo, state inviando alla lampada un segnale ad onda quadra a frequenza fissa.
Il ciclo che si ripete, è composto da mezzo secondo acceso, e mezzo secondo spento, quindi l’intero ciclo dura 1 secondo, in pratica stiamo generando un segnale alla frequenza di 1Hz, infatti la frequenza è proprio il numero di cicli che si ripetono in 1 secondo.
L’immagine sopra mostra esattamente il tipo di segnale che si otterrebbe, l’onda è chiamata quadra perché gli impulsi disegnano dei quadrati, si nota appunto la durata del ciclo di 1 secondo.
Se tenessimo accesa la lampada 1 secondo, e spenta un altro secondo, avremmo che l’intero ciclo dura 2 secondi, e quindi la frequenza sarebbe di:
1 secondo/2 =0,5Hz
Viceversa se tenessimo accesa la lampada 1 decimo di secondo, e spenta un altro decimo di secondo, avremmo che l’intero ciclo dura 2 decimi di secondo, e quindi la frequenza sarebbe di:
1 secondo/0,2 =5Hz
Fino ad adesso abbiamo visto il caso in cui il tempo di on è uguale al tempo di off, in pratica in un secondo la lampada rimane accesa per il 50% del tempo, ed è proprio il tempo di accensione, che determina quello che viene chiamato duty cycle, nel nostro caso possiamo dire che stiamo generando un segnale con duty cycle = 50% o anche con duty cycle =0,5.fisso.
Il duty cycle indicato normalmente con la lettera “d” è infarti uguale a t/T, dove T (maiuscolo) è il tempo dell’intero ciclo, e t (minuscolo) è invece il tempo in cui l'impulso rimane alto o rimane in ON, per esprimere il duty cycle in percentuale basta moltiplicare per 100 il numero ottenuto dalla formula t/T:
t = tempo di on 0,5 sec.
T = tempo intero ciclo 1 sec.
d=t/T =0,5/1=0,5 → d%=0,5*100=50%
Ritornando quindi alla nostra lampada, ora che abbiamo imparato cosa è la frequenza e cosa è il duty cycle, possiamo dire che tale lampada è comandata in pwm con frequenza di 1Hz e duty cylce =50%.
In questo caso, vedremmo la lampada accesa per 0,5 sec, e spenta per altri 0,5 sec, in pratica la vedremmo lampeggiare velocemente ma niente di più.
Ma se invece di utilizzare una frequenza di 1Hz, utilizzassimo una frequenza ad esempio di 100Hz?
Intanto vediamo che con una frequenza di 100Hz, l’intero ciclo dura:
1 secondo / 100Hz=0,01 secondi ovvero 1 centesimo di secondo
e con un duty cycle del 50% si avrebbe la lampada accesa per mezzo centesimo di secondo e spenta per l’altro mezzo centesimo di secondo.
In questo caso data la velocità elevata di accensione e spegnimento, è impossibile riuscire a vedere la lampada accendersi e spegnersi, in pratica non vediamo la lampada lampeggiare, ma vediamo invece la lampada con una luminosità ridotta, in questo caso ridotta proprio del 50%.
Ma se allora invece di un duty cycle del 50 % utilizzo un duty cycle del 10%?
Duty Cycle del 10% significa far accendere la lampada per il 10% della durata dell’intero ciclo, e quindi di conseguenza lasciarla spenta per il rimanete 90%.
Con un ciclo che dura 1 centesimo di secondo, significa lasciare la lampada accesa per 0,1 centesimi di secondo, e spenta per i rimanenti 0,9 centesimi di secondo.
La frequenza sempre elevata non permette di vedere la lampada lampeggiare, ma in questo caso vedremmo la lampada accesa con una luminosità molto ridotta, esattamente accesa al 10% della sua luminosità.
Al contrario utilizzando un duty cycle del 90%, si avrebbe che lampada rimane accesa per 0,9cent, e spenta per il rimanente 0,1cent, con la conseguenza che la lampada appare accesa quasi alla sua massima luminosità.
In pratica modificando il tempo di on, e di conseguenza quello di off, non facciamo altro che modificare la larghezza dell'impulso, mantenendo comunque una frequenza fissa, stiamo alimentando la nostra lampada modulando la larghezza degli impulsi, stiamo di fatto utilizzando la tecnica pwm.
Tale tecnica può essere utilizzata per alimentare lampade ma anche motori, le stesse schede madri dei nostri pc, ad esempio alimentano le ventole in pwm, tutte le varie strisce led, lucine varie, che devono variare la luminosità utilizzano la tecnica del pwm, i led rgb quelli multicolore utilizzano la tecnica pwm per parzializzare i 3 colori principali red, green, blu.
Alimentando i 3 terminali Red, Green, Blue, con 3 diversi pwm, si riesce a modificare la luminosità di ogni singolo colore, e quindi a far emettere al led il colore che vogliamo.
Ad esempio tenendo tutte e 3 i colori con pwm al 100% si ottiene la luce bianca, alimentando al 100% solo i terminali di rosso e blu, si ottiene il colore viola, e così via, con ogni combinazione si ottiene un colore diverso.
Se poi con un quarto pwm parzializziamo pure il terminale comune del led, possiamo anche variare l’intensità luminosa del colore generato.
Ovviamente serve un circuito pilota che generi il segnale pwm, e un transistor per pilotare il carico, ma con i componenti che abbiamo già studiato fino a questo momento vedremo che non è poi così difficile realizzare circuiti pwm.