Co to jest modulacja PWM?

Dowiedz się co to jest modulacja PWM i jak działa.
Modulacja PWM to często spotykany termin zwłaszcza w oświetleniu LED. PWM to skrót od angielskiego “Pulse Width Modulation”, czyli modulacja szerokości impulsu.  Jest to jedna z najbardziej efektywnych metod regulacji jasności diod LED za pomocą zmiany szerokości impulsów o pełnej amplitudzie. Brzmi skomplikowanie? Tak na prawdę to nic innego jak bardzo szybkie (od kilkudziesięciu do nawet kilkunastu tysięcy razy na sekundę) załączanie i wyłączanie zasilania. W zależności od stosunku czasu włączenia do czasu wyłączenia nasz mózg zaobserwuje różne poziomy jasności. Dzieje się tak na skutek fenomenu określanego jako bezwładność oka. Powoduje on, że powyżej pewnej częstotliwości wzrok ludzki nie rejestruje już migotania tylko postrzega je jako pewną średnią jasność.  Poniższy wykres obrazuje modulację PWM w nieco bardziej przystępnej formie. Pokazuje on jak zmienia się przebieg napięcia na wyjściu urządzenia z modulacją PWM w zależności od ustawionej jasności (D):
 
Wykres modulacji PWM (duty cycle)

Modulacja PWM a buczenie lub piszczenie

W systemach zasilanych prądem stałym prawie zawsze elementem załączającym jest tranzystor. Nie dość że potrafi on bardzo szybko załączać i wyłączać to jeszcze robi to bezgłośnie (w porównaniu na przykład do przekaźnika). Niestety przy dużych prądach oraz częstotliwości PWM w zakresie akustycznym tranzystor potrafi wydawać z siebie odgłosy. Dzieje się tak ze względu na zjawisko zwane magnetostrykcją. Polega ono (w uproszczeniu) na odkształcaniu się struktury tranzystora pod wpływem pola magnetycznego generowanego przez płynący prąd. Działa to trochę jak membrana głośnika generując dźwięki. Na szczęście przy prawidłowej instalacji zjawisko to jest na tyle małe, że zazwyczaj nie stanowi problemu. Może się jednak mocno nasilić przy złym doborze przekroju przewodów zasilających, bardzo dużych prądach lub w przypadku występowania dużych zakłóceń (na przykład na skutek złej topologii okablowania). W drastycznych przypadkach odgłosy wydawane przez tranzystory mogą być mocno słyszalne. Odgłosy mogą wydawać również zasilacze w przypadku zbyt małego przekroju przewodów. Albo jeśli jakość zastosowanych w nich elementów (głównie transformatory, cewki i tranzystory) nie jest najwyższa. Niestety poza prawidłowym wykonaniem instalacji jedynym sposobem walki z tymi odgłosami to tłumienie akustyczne.

Zalety modulacji PWM

Tranzystor podczas pracy z modulacją PWM albo przewodzi całkowicie albo wcale. Ma więc tylko dwa stany: włączony i wyłączony. Dzięki temu grzeje się zdecydowanie mniej niż przy częściowym przewodzeniu, jak to ma miejsce w tradycyjnych regulatorach. Taki sposób pracy posiada dwie ogromne zalety. Po pierwsze dużą sprawność, czyli bardzo małe straty energii. Z tego wynika druga zaleta: urządzenie sterujące może obsłużyć znacznie większe moce bez nadmiernego nagrzewania się lub stosowania dużych radiatorów.

Kolejną zaletą modulacji PWM jest łatwość sterowania. Od strony elektronicznej bowiem realizacja modulacji PWM jest jednym z najprostszych sposobów regulacji jasności. Do tego dochodzi uniwersalność, czyli powtarzalność odbieranej jasności. W przeciwieństwie do innych metod regulacji jasności, w przypadku PWM na odbieraną jasność nie mają wpływu parametry diod LED. Jest to bardzo ważne przy dużych instalacjach składających się z różnego rodzaju diod, gdzie istotne jest zachowanie synchronizacji w zmianach jasności.

Wymagania modulacji PWM

Metoda PWM doskonale sprawdza się przy regulacji jasności diod LED. Ale tylko pod warunkiem, że częstotliwość modulacji jest na tyle wysoka iż nasze oczy nie zauważają efektu migania. W praktyce oznacza to, że do sterowania jasnością LED powinno się używać PWM o częstotliwości co najmniej 100 Hz (podobnie jak odświeżanie w telewizorach) aby nie męczyć wzroku. Badania naukowe dowodzą jednak, że bezpieczne dla wzroku są dopiero częstotliwości powyżej 300 Hz. W praktyce w dobrych urządzeniach stosuje się jeszcze wyższe częstotliwości aby uniknąć migotania przy niskich poziomach jasności, a także w kamerach oraz innych cyfrowych urządzeniach rejestrujących obraz.

Wszystkie aktualnie produkowane sterowniki i ściemniacze LED Enterius wykorzystujące metodę PWM pracują z częstotliwościami co najmniej 550 Hz. Dlatego nie tylko nie męczą wzroku ale gwarantują również brak efektu migotania w kamerach i aparatach cyfrowych. Najnowsze produkty pracują z jeszcze wyższą częstotliwością 730 Hz, dzięki której nawet kamery pracujące z większą ilością klatek niż standardowe 25/s nie rejestrują efektu migotania.

Wady modulacji PWM

Metoda PWM mimo bardzo wielu zalet posiada niestety również wady. Największą z nich jest generowanie zakłóceń. A te drastycznie rosną wraz ze wzrostem prądu (a co za tym idzie mocy) modulowanego sygnału oraz długością przewodów którymi te duże prądy płyną. Rodzaj i ilość tych zakłóceń zależy ponadto od typu podłączonego obciążenia (rezystancyjne, pojemnościowe lub indukcyjne). Dlatego pomimo stosowania odpowiednich filtrów wyjściowych kontrola zakłóceń nie jest łatwa i praktycznie niemożliwe jest ich całkowite wyeliminowanie. Z tego powodu jedną z podstawowych zasad korzystania z urządzeń pracujących z PWM jest bardzo precyzyjne dobieranie przekrojów przewodów. Ale także minimalizacja długości połączeń oraz rozpraszanie instalacji na kilka obwodów o mniejszych prądach. Z tego też powodu nie oferujemy wzmacniaczy LED o prądzie większym niż 15 A na kanał mimo, że teoretycznie jesteśmy w stanie wykonać kanały o obciążalności nawet do 60 A. Jednak tak ogromne prądy przy modulacji PWM mogłyby powodować gigantyczne problemy z zakłóceniami przy najdrobniejszych błędach w instalacji. Jeśli bowiem ktoś nie przejmie się zaleceniami i zainstaluje długie przewody o zbyt małym przekroju, a następnie wprowadzi do nich sygnał PWM o dużym prądzie to taka instalacja bez problemu będzie w stanie zakłócić na przykład sygnał telefonii komórkowej, TV czy sieci Wi-Fi.

K.R.