Pulse-width modulation – wikipedia gas efficient cars 2012

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Segnale sinusoidale modulato tramite larghezza di impulso. La modulazione del segnale è ottenuta confrontando il segnale di ingresso (somma di sinusoidi di valore da 0 a Vmax) con un segnale a dente di sega di frequenza maggiore (almeno dieci volte) dell’ampiezza di banda del segnale. Questo è possibile usando un comparatore (per es. un trigger di Schmitt realizzato con un Amplificatore operazionale). Gli impulsi ottenuti saranno di ampiezza proporzionale a quella del segnale.

Come si può intuire, con un duty cycle pari a zero la potenza trasferita è nulla, mentre al 100% la potenza corrisponde al valore massimo trasferito nel caso non sia presente il circuito di modulazione. Ogni valore intermedio determina una corrispondente fornitura di potenza.

Il vantaggio di questa tecnica è di ridurre drasticamente la potenza dissipata dal circuito limitatore rispetto all’impiego di transistor controllati analogicamente. In un semiconduttore la potenza dissipata è determinata dalla corrente che lo attraversa per la differenza di potenziale presente ai suoi capi.

Negli alimentatori elettronici, negli inverter e nei gruppi di continuità la modulazione può essere regolata in funzione della tensione in uscita, in modo da introdurre una retroazione che stabilizza la tensione al variare della tensione di ingresso.

Nei regolatori di luminosità domestici, viene usato un particolare sistema PWM in cui la modulazione viene applicata alla tensione sinusoidale della rete elettrica. Nel momento in cui si ha il passaggio per lo zero della tensione, un circuito determina un ritardo temporale compreso tra circa zero e un semiperiodo, in funzione della posizione di un potenziometro.

Nel comando di valvole proporzionali (in impianti a fluido come impianti idraulici, impianti pneumatici, oleodinamici e simili) si usa utilizzare un comando di tipo PWM in cui si sovrappone all’onda principale, a una frequenza di qualche kHz, una modulazione del duty-cycle ( dithering) a bassa frequenza (da 50 a 200 Hz) per mantenere in leggera vibrazione il nucleo e ridurre così l’ isteresi della valvola. In alternativa viene usato un PWM a bassa frequenza (50–200 Hz) in modo che sia il ripple della corrente a garantire la vibrazione necessaria. In questo caso la vibrazione non rimane però costante su tutto il campo di regolazione della corrente, con prestazioni leggermente inferiori.

In alcuni circuiti digitali (soprattutto quelli con microcontrollori) la tecnica PWM può essere utilizzata, con l’ausilio di un semplice filtro RC, per trasformare un valore digitale in una corrispondente tensione continua. La maggior parte dei microcontrollori presenti in commercio, infatti, dispone di uno o più Timer in grado di generare onde rettangolari con duty-cycle variabile. Programmando opportunamente il Timer si può variare il duty-cycle dell’onda rettangolare e di conseguenza il valore di tensione che si ottiene all’uscita del filtro RC.

Una classe di amplificatori audio, detta classe D (o Classe S), sfrutta il principio della modulazione PWM. Una corrente viene modulata in funzione del segnale audio in ingresso e quindi inviata agli altoparlanti attraverso una rete di filtraggio passa basso che elimina la componente ad alta frequenza e ricostruisce il segnale sonoro.

Commercializzati per la prima volta negli anni Sessanta del Novecento (uno dei primi a essere messo in vendita, nel 1964, fu il modello "X-10" della Sinclair Radionics [1] [2] questi amplificatori hanno guadagnato un grande interesse perché la modalità di funzionamento switching consente loro un’ottima efficienza energetica rispetto ai tradizionali amplificatori audio analogici in classe A, B e AB, con bassi consumi elettrici accoppiati a pesi e ingombri molto limitati, anche per applicazioni che richiedono potenze di uscita elevate [1] .

La codifica del suono chiamata Direct Stream Digital, sviluppata da Philips e Sony, usa una forma generalizzata di pulse-width modulation, chiamata Pulse-Density Modulation (PDM), con una frequenza di campionamento dell’ordine dei MHz, abbastanza alta da permettere di coprire l’intero spettro delle frequenze acustiche con sufficiente fedeltà. Questo metodo è impiegato nei prodotti in formato Super Audio CD (SACD), la riproduzione dei cui segnali audio è, essenzialmente, simile al metodo usato negli amplificatori in classe D.