Apa itu PWM, Bagaimana Mengukurnya

PWM adalah singkatan dari modulasi lebar pulsa yang menandakan sifat variabel dari lebar pulsa yang dapat dihasilkan dari sumber tertentu seperti IC diskrit, MCU, atau rangkaian transistor.

Apa PWM

Secara sederhana proses PWM tidak lain adalah menyalakan dan mematikan tegangan supply pada rate tertentu dengan rasio timing ON / OFF yang berbeda, disini panjang saklar ON dari tegangan mungkin lebih besar, lebih kecil, atau sama dengan panjang saklar OFF.

Misalnya PWM dapat terdiri dari tegangan yang ditetapkan ke ON dan OFF pada kecepatan 2 detik ON 1 detik OFF, 1 detik ON 2 detik OFF atau 1 detik ON, 1 detik OFF.

Ketika tingkat ON / OFF dari tegangan suplai dioptimalkan secara berbeda, kami mengatakan bahwa tegangan tersebut adalah modulasi PWM atau Lebar Pulsa.

Anda semua pasti sudah paham mengenai bagaimana potensial DC konstan muncul pada grafik waktu voltase v / s seperti gambar di bawah ini:

Pada gambar di atas kita dapat melihat garis lurus pada level 9V, hal ini dicapai karena level 9V tidak berubah terhadap waktu dan oleh karena itu kami dapat menyaksikan garis lurus.

Sekarang jika 9V ini dinyalakan dan dimatikan setelah setiap 1 detik, maka grafik di atas akan terlihat seperti ini:

Kita dapat melihat dengan jelas bahwa sekarang garis 9V tidak lagi menjadi penilai garis lurus dalam bentuk blok setelah setiap 1 detik, karena 9V dinyalakan dan dimatikan setelah setiap detik secara bergantian.

Jejak di atas terlihat seperti blok persegi panjang karena ketika 9V dinyalakan dan dimatikan, operasinya instan yang tiba-tiba membuat 9V pergi ke level nol dan kemudian tiba-tiba ke level 9V sehingga membentuk bentuk persegi panjang pada grafik.

Kondisi di atas menimbulkan tegangan pulsasi yang memiliki dua parameter yang akan diukur yaitu: tegangan puncak dan tegangan rata-rata atau tegangan RMS.

Tegangan Puncak dan Rata-rata

Pada gambar pertama tegangan puncak jelas 9V, dan tegangan rata-rata juga 9V hanya karena tegangan konstan tanpa putus.

Namun pada gambar kedua, meskipun tegangan dinyalakan / dimatikan pada tingkat 1 Hz (1 detik ON, 1 detik OFF) puncaknya akan tetap sama dengan 9V, karena puncak selalu mencapai tanda 9V selama periode ON. Tetapi tegangan rata-rata di sini bukan 9V melainkan 4.5V karena tegangan putus dan putusnya dilakukan pada tingkat 50%.

Dalam diskusi PWM, tingkat ON / OFF ini disebut siklus kerja PWM, oleh karena itu dalam kasus di atas ini adalah siklus kerja 50%.

Saat Anda mengukur PWM dengan multimeter digital pada rentang DC, Anda akan selalu mendapatkan pembacaan nilai rata-rata pada meteran.

Penghobi baru sering kali bingung dengan bacaan ini dan menganggapnya sebagai nilai puncak, yang sepenuhnya salah.

Seperti dijelaskan di atas, nilai puncak PWM sebagian besar akan sama dengan tegangan suplai yang diumpankan ke rangkaian, sedangkan rata-rata volatge pada meteran akan menjadi rata-rata periode ON / OFF PWM.

Mengganti MOSFET dengan PWM

Jadi jika Anda mengganti mosfet dengan PWM dan menemukan tegangan gerbang menjadi, katakanlah misalnya 3V, jangan panik karena ini bisa jadi hanya tegangan rata-rata yang ditunjukkan oleh meteran, tegangan puncak bisa setinggi pasokan rangkaian Anda. tegangan.

Oleh karena itu, mosfet dapat diharapkan berjalan dengan baik dan sepenuhnya melalui nilai puncak ini dan tegangan rata-rata hanya akan mempengaruhi periode konduksi, bukan spesifikasi sakelar perangkat.

Seperti yang telah kita bahas di bagian sebelumnya, PWM pada dasarnya melibatkan variasi lebar pulsa, dengan kata lain periode ON dan OFF DC.

Katakanlah misalnya Anda menginginkan output PWM dengan waktu ON yang 50% lebih sedikit dari waktu ON.

Mari kita asumsikan bahwa waktu ON yang dipilih adalah 1/2 detik maka waktu OFF akan sama dengan 1 detik, yang akan menimbulkan duty cycle 1/2 detik ON dan 1 detik OFF, seperti yang dapat dilihat pada diagram berikut .

Menganalisis Siklus Tugas PWM

Dalam contoh ini, PWM dioptimalkan untuk menghasilkan tegangan puncak 9V tetapi tegangan rata-rata 3,15V karena waktu ON hanya 35% dari satu siklus ON / OFF yang lengkap.

Satu siklus lengkap mengacu pada periode waktu yang memungkinkan pulsa yang diberikan menyelesaikan satu waktu ON penuh dan satu waktu OFF.

Demikian pula seseorang mungkin bermaksud untuk mengoptimalkan lebar pulsa frekuensi dengan data berikut:

Di sini waktu ON dapat dilihat meningkat dari waktu OFF sebesar 65% selama satu siklus penuh, oleh karena itu di sini nilai rata-rata tegangan menjadi 5.85V.

Tegangan rata-rata yang dibahas di atas juga disebut RMS atau nilai kuadrat akar rata-rata dari tegangan.

Karena ini semua adalah pulsa persegi atau persegi, RMS dapat dihitung hanya dengan mengalikan persentase siklus kerja dengan tegangan puncak.

Mengoptimalkan PWM untuk Mensimulasikan Sinewave

Namun dalam kasus di mana PWM dioptimalkan untuk mensimulasikan pulsa AC, kalkulasi untuk RMS menjadi sedikit rumit.

Mari kita ambil contoh PWM berikut yang dioptimalkan untuk memvariasikan lebarnya sesuai dengan amplitudo yang bervariasi atau level sinyal AC Sinusoidal.

Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang ini melalui salah satu artikel saya sebelumnya di mana saya telah menjelaskan bagaimana IC 555 dapat digunakan menghasilkan output PWM gelombang sinus yang setara .

Seperti yang bisa kita lihat pada gambar di atas, lebar pulsa berubah sehubungan dengan level sesaat dari gelombang sinus. Karena gelombang sinus cenderung mencapai puncak, lebar pulsa yang sesuai menjadi lebih lebar dan sebaliknya.

Menggunakan SPWM

Ini menunjukkan bahwa karena level tegangan gelombang sinus terus berubah seiring waktu, PWM juga berubah seiring waktu dengan terus memvariasikan lebarnya. PWM tersebut juga disebut sebagai SPWM atau Modulasi Lebar Pulsa Sinewave.

Jadi dalam kasus di atas, pulsa tidak pernah konstan melainkan berubah lebarnya secara berbeda seiring waktu.

Ini membuat RMS atau penghitungan nilai rata-rata sedikit rumit dan kita tidak bisa begitu saja mengalikan siklus kerja dengan tegangan puncak di sini untuk mencapai RMS.

Meskipun rumus sebenarnya untuk mendapatkan ekspresi RMS cukup kompleks, setelah penurunan yang sesuai, implementasi akhir sebenarnya menjadi cukup mudah.

Menghitung tegangan RMS dari PWM

Jadi untuk menghitung RMS dari tegangan PWM yang bervariasi sebagai respons terhadap gelombang sinus dapat diperoleh dengan mengalikan 0,7 (konstan) dengan tegangan puncak.

Jadi untuk puncak 9V kita mendapatkan 9 x 0,7 = 6,3V, itu adalah tegangan RMS atau nilai rata-rata dari puncak ke puncak 9V PWM yang mensimulasikan gelombang sinus.

Peran PWM dalam Sirkuit Elektronik?

Anda akan menemukan bahwa konsep PWM pada dasarnya terkait dengan
desain sirkuit yang memiliki induktor yang terlibat terutama topologi buck boost seperti inverter, SMP , MPPT, sirkuit driver LED dll.

Tanpa induktor, fitur PWM mungkin tidak memiliki nilai atau peran nyata dalam rangkaian tertentu, ini karena hanya induktor yang memiliki fitur inheren untuk mengubah lebar pulsa yang bervariasi menjadi jumlah yang setara dengan peningkatan (didorong) atau diturunkan (melengkung) tegangan atau arus, yang menjadi gagasan keseluruhan dan satu-satunya dari teknologi PWM.

Menggunakan PWM dengan Induktor

Untuk memahami bagaimana PWM mempengaruhi keluaran induktor dalam hal tegangan dan arus, pertama-tama penting untuk mempelajari bagaimana induktor berperilaku dalam pengaruh tegangan yang berdenyut.

Di salah satu posting saya sebelumnya saya menjelaskan tentang bagaimana sirkuit buck boost bekerja , ini adalah contoh klasik untuk mendemonstrasikan bagaimana PWM atau lebar pulsa yang bervariasi dapat digunakan untuk mengukur keluaran induktor.

Diketahui dengan baik bahwa secara 'sifat' induktor selalu menentang penerapan tegangan tiba-tiba di atasnya dan memungkinkannya lewat hanya setelah jangka waktu tertentu tergantung pada spesifikasi belitannya, dan selama proses ini ia menyimpan jumlah energi yang setara di saya t.

Sekarang jika dalam proses di atas tegangan tiba-tiba dimatikan, induktor lagi-lagi tidak dapat mengatasi hilangnya tegangan yang diterapkan secara tiba-tiba ini dan mencoba untuk menyeimbangkannya dengan melepaskan arus yang tersimpan di dalamnya.

Reaksi Induktor ke PWM

Dengan demikian induktor akan mencoba untuk menentang penyalaan tegangan dengan menyimpan arus dan mencoba untuk menyamakan sebagai tanggapan atas saklar tiba-tiba tegangan dengan 'menendang' energi yang disimpan kembali ke sistem.

Tendangan balik ini disebut EMF balik induktor dan kandungan energi ini (tegangan, arus) akan bergantung pada spesifikasi belitan induktor.

Pada dasarnya jumlah belokan menentukan apakah EMF harus memiliki tegangan yang lebih tinggi daripada tegangan suplai atau lebih rendah dari tegangan suplai, dan ketebalan kabel menentukan jumlah arus yang dapat dihasilkan oleh induktor.

Ada aspek lain t induktor di atas, yang merupakan waktu periode tegangan ON / OFF.

Di situlah penggunaan PWM menjadi penting.

Meskipun jumlah lilitan pada dasarnya menentukan nilai keluaran untuk tertentu, ini juga dapat bervariasi sesuai keinginan dengan memberi makan PWM yang dioptimalkan ke dalam induktor.

Melalui PWM variabel, kita dapat memaksa induktor untuk menghasilkan / mengubah tegangan dan arus pada tingkat yang diinginkan, baik sebagai tegangan yang ditingkatkan (arus yang dikurangi), atau arus yang ditingkatkan (tegangan yang dikurangi) atau sebaliknya.

Dalam beberapa aplikasi, PWM dapat digunakan bahkan tanpa induktor, seperti untuk meredupkan lampu LED, atau di sirkuit pengatur waktu MCU, di mana output dapat dioptimalkan untuk menghasilkan tegangan pada sakelar ON yang berbeda, periode sakelar OFF untuk mengendalikan beban sesuai spesifikasi kerja yang dimaksudkan.