Cosa s'intende per "Pulse Width Modulation"

Il termine inglese "Pulse Width Modulation" fa riferimento ad una tecnica di regolazione della potenza elettrica, consistente nel modulare la larghezza, ovvero la durata temporale, di una serie di impulsi.
Usando i classici sistemi lineari di regolazione, la velocità di un motore, per esempio, viene regolata agendo sulla tensione che lo alimenta. Questo sistema comporta due inconvenienti: il primo che, per ridurre la potenza che arriva al motore, occorre inserire in serie una resistenza che determini la necessaria caduta di tensione, con relativo spreco di potenza e produzione di calore indesiderato; il secondo, che a tensioni molto basse può capitare che il motore non riesca a produrre la coppia sufficiente e quindi non si avvii.
La tecnica PWM agisce non sulla tensione, ma sul tempo; bisogna infatti considerare che un motore funziona in seguito al valore medio della potenza che gli arriva. Se alimentiamo il motore con una serie di impulsi che si susseguono con sufficiente velocità, grazie alla sua inerzia meccanica il motore girerà con un moto continuo, proporzionale al valore medio di tali impulsi.

♦ Come si vede nella figura 1, nel primo diagramma, quando gli impulsi sono molto stretti, ovvero di breve durata, la potenza risulta prossima al minimo.
♦ Nel secondo diagramma gli impulsi hanno una larghezza pari a metà del tempo possibile; in tal caso la potenza ha un valore medio.
♦ Nell'ultimo diagramma, gli impulsi occupano quasi totalmente la durata temporale consentita; la potenza è praticamente massima.

Il "Duty Cicle"

Tutto quanto si è detto fino ad ora viene sintetizzato in un concetto: quello del "duty cicle". Il duty cicle è proprio il valore che caratterizza la forma degli impulsi. Facendo riferimento alla figura 2, nella serie di impulsi raffigurati rileviamo due valori:
1) il tempo T, che è il periodo, ovvero la durata massima possibile di ciascun impulso
2) il tempo T_ON, che indica per quale parte del periodo il segnale rimane a livello alto (area grigia).
Il rapporto T_ON / T è appunto il duty cicle.

E' facile concludere che la potenza di volta in volta inviata ad un utilizzatore è data dalla potenza massima moltiplicata per il valore del duty cicle. Tanto per fare un esempio, nel caso di mezzo della figura 1 il duty cicle ha un valore di 0,5 e quindi al motore arriva metà potenza.

Una regolazione di questo tipo è praticamente ideale, perchè non produce quasi spreco di potenza. Nei momenti in cui il segnale è alto, la potenza arriva al motore integralmente; quando il segnale è a livello basso, non passa alcuna potenza.

Regolatore di velocità: sezione di pilotaggio del motore

Vediamo adesso come realizzare in pratica un circuito che possa effettuare questa regolazione. Useremo i due amplificatori operazionali contenuti nell'integrato LM358. Cominciamo dalla sezione che piloterà il motore (figura 3). Premessa fondamentale: il motore riceve l'alimentazione tutte le volte che l'uscita dell'integrato è a livello H (alto). Il potenziometro Reg permette di impostare una tensione di riferimento per il terminale non invertente.
Come funziona questa sezione? Facciamo arrivare sul terminale invertente un segnale a dente di sega e consideriamo la rampa di salita di tale segnale; durante la salita, ci sarà un punto in cui la tensione, applicata all'ingresso (-), supererà quella del terminale (+). Esattamente in quel punto l'uscita commuterà a livello L e ci resterà fino al momento in cui inizia il dente successivo del segnale.
La figura 4 può aiutare a capire come funziona il tutto. Da sinistra a destra sono raffigurati tre casi come esempio: in ciascun caso, la linea tratto e punto, contrassegnata col (+), indica la tensione determinata dalla posizione del potenziometro Reg e quindi presente sull'ingresso non invertente dell'operazionale. Osservando i punti dove tali linee intercettano il segnale a dente di sega, è facile stabilire le commutazioni dell'operazionale e, quindi, la larghezza che avrà ciascun impulso.


Risulta evidente che, quanto più in alto è regolata la tensione di Reg, tanto più larghi e continui risultano gli impulsi.
Il potenziometro Reg permette quindi di modulare la larghezza degli impulsi e, di conseguenza, la potenza che arriva all'utilizzatore.
Naturalmente, poichè l'operazionale non può erogare una corrente sufficiente a comandare il motore, sull'uscita viene interposto il transistor T1, pilotato tramite la resistenza Rt.
Nella parte seconda si vedrà come generare il segnale a dente di sega e, quindi, il circuito completo con il valore dei vari componenti.

Regolazione della velocità con PWM (parte seconda)