Comment la tension et le rapport cyclique sont-ils liés dans la modulation de largeur d'impulsion (PWM) ?

Relation entre la tension et le rapport cyclique dans la modulation de largeur d'impulsion (PWM)

La modulation de largeur d'impulsion (PWM) est une technique qui régule la tension moyenne de sortie en contrôlant le rapport cyclique d'un signal de commutation. La PWM est largement utilisée dans des applications telles que le contrôle de moteurs, la gestion de l'alimentation et la gradation de LED. Comprendre la relation entre la tension et le rapport cyclique dans la PWM est crucial pour utiliser et concevoir correctement les systèmes PWM.

1. Principe de base de la PWM

• Signal PWM : Un signal PWM est un signal carré périodique avec une fréquence fixe mais une proportion variable de niveaux haut (on) et bas (off) au sein de chaque cycle. Cette proportion est appelée le rapport cyclique.

• Rapport cyclique : Le rapport cyclique est le rapport du temps pendant lequel le signal est haut (on) sur la période totale du cycle PWM. Il est généralement exprimé en pourcentage ou comme une fraction entre 0 et 1. Par exemple, un rapport cyclique de 50 % signifie que le signal est haut pendant la moitié du cycle et bas pendant l'autre moitié ; un rapport cyclique de 100 % signifie que le signal est toujours haut ; et un rapport cyclique de 0 % signifie que le signal est toujours bas.

• Fréquence PWM : La fréquence du signal PWM détermine la durée de chaque cycle. Des fréquences plus élevées entraînent des cycles plus courts, et le signal PWM change plus rapidement.

2. Relation entre la tension et le rapport cyclique dans la PWM

• Tension moyenne : Dans la PWM, la tension de sortie moyenne est proportionnelle au rapport cyclique. Si la tension crête du signal PWM est   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, la tension de sortie moyenne   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; peut\; être\; calculée\; à\; l\text{'}aide\; de\; la\; formule\; suivante\; :</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Où :

• Vavg est la tension de sortie moyenne.

• D est le rapport cyclique (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax est la tension crête du signal PWM (généralement la tension d'alimentation).

• Effet du rapport cyclique sur la tension moyenne :

• Lorsque le rapport cyclique est de 0 %, le signal PWM est toujours bas, et la tension de sortie moyenne est 0.

• Lorsque le rapport cyclique est de 100 %, le signal PWM est toujours haut, et la tension de sortie moyenne est égale à la tension crête Vmax.

• Lorsque le rapport cyclique est compris entre 0 % et 100 %, la tension de sortie moyenne est une proportion de la tension crête. Par exemple, un rapport cyclique de 50 % donne une tension de sortie moyenne qui est la moitié de la tension crête.

3. Exemples d'applications de la PWM

a. Contrôle de moteur

• Dans le contrôle de moteur, la PWM est utilisée pour réguler la vitesse ou le couple d'un moteur. En modifiant le rapport cyclique du signal PWM, la tension moyenne appliquée au moteur peut être contrôlée, ce qui permet d'ajuster la puissance de sortie du moteur. Par exemple, réduire le rapport cyclique diminue la tension moyenne, ralentissant le moteur, tandis qu'augmenter le rapport cyclique augmente la tension moyenne, accélérant le moteur.

b. Gradation de LED

• Dans les applications de gradation de LED, la PWM est utilisée pour ajuster la luminosité d'une LED. En modifiant le rapport cyclique du signal PWM, le courant moyen traversant la LED peut être contrôlé, ce qui permet d'ajuster sa luminosité. Par exemple, un rapport cyclique de 50 % donne une luminosité de LED qui est la moitié de son maximum, tandis qu'un rapport cyclique de 100 % rend la LED pleinement lumineuse.

c. Convertisseurs DC-DC

• Dans les convertisseurs DC-DC (tels que les convertisseurs buck ou boost), la PWM est utilisée pour réguler la tension de sortie. En ajustant le rapport cyclique du signal PWM, le temps d'allumage et d'extinction de l'appareil de commutation peut être contrôlé, ce qui à son tour ajuste la tension de sortie. Par exemple, dans un convertisseur buck, augmenter le rapport cyclique augmente la tension de sortie, tandis que diminuer le rapport cyclique la réduit.

4. Avantages de la PWM

• Haute efficacité : La PWM contrôle la tension par des opérations de commutation plutôt que par une régulation linéaire (par exemple, en utilisant des diviseurs de tension résistifs), ce qui entraîne des pertes d'énergie plus faibles et une efficacité plus élevée.

• Contrôle précis : En ajustant précisément le rapport cyclique, la PWM permet un contrôle fin de la tension ou du courant de sortie.

• Flexibilité : La PWM peut facilement s'adapter à diverses applications, telles que le contrôle de moteurs, la gradation de LED et la gestion de l'alimentation.

5. Limites de la PWM

• Interférences électromagnétiques (EMI) : Étant donné que les signaux PWM sont des signaux de commutation à haute fréquence, ils peuvent générer des interférences électromagnétiques, surtout à des fréquences plus élevées. Des techniques de filtrage et de blindage appropriées doivent être mises en œuvre dans la conception des systèmes PWM.

• Bruit : Dans certaines applications, les signaux PWM peuvent introduire du bruit audible, en particulier dans les équipements audio ou les entraînements de moteurs. Ce problème peut être atténué en choisissant une fréquence PWM appropriée.

Résumé

Dans la modulation de largeur d'impulsion (PWM), la tension de sortie moyenne est directement proportionnelle au rapport cyclique. Le rapport cyclique détermine la proportion de temps pendant lequel le signal est haut au sein d'un cycle PWM, ce qui affecte la tension de sortie moyenne. En ajustant le rapport cyclique, la tension ou le courant de sortie peut être régulé de manière flexible sans changer la tension d'alimentation. La technologie PWM est largement utilisée dans le contrôle de moteurs, la gradation de LED, la gestion de l'alimentation et d'autres applications, offrant une haute efficacité et un contrôle précis.