Qu'est-ce que PWM (modulation de largeur d'impulsion) ?

Méthode qui ajuste la tension ou la puissance moyenne en faisant varier la durée pendant laquelle la sortie est à l'état haut, à période constante. Utilisée pour régler la luminosité des LED ou la vitesse des moteurs.

Nom japonais: PWM(パルス幅変調)

« PWM (modulation de largeur d'impulsion) » apparaît dans 4 questions d'entraînement réparties sur 3 thèmes, dont Systèmes embarqués et firmware, Conversion A/N et N/A, Semi-conducteurs de puissance.

Domaine: Systèmes embarqués et firmware

Rapport cyclique et valeur moyenne

La modulation de largeur d'impulsion (PWM) garde fixe la période de commutation T et fait varier la durée à l'état haut t_on. Le rapport cyclique D = t_on/T fixe la sortie moyenne, égale à D fois l'amplitude des impulsions : un signal de 5 V à 40 % de rapport cyclique a une moyenne de 2 V. L'information est entièrement portée par le timing, si bien que l'étage de sortie n'occupe jamais que deux niveaux. Une charge qui réagit lentement par rapport à la période, comme un moteur, un élément chauffant, l'œil humain regardant une LED ou un filtre RC ou LC, perçoit principalement cette valeur moyenne.

Comment le timer d'un microcontrôleur génère la PWM

Un timer matériel compte les impulsions d'horloge de zéro jusqu'à une valeur de période, puis recommence. La sortie est mise à 1 au début de chaque période et remise à 0 lorsque le compteur atteint la valeur d'un registre de comparaison. Avec une période de 1000 coups et une valeur de comparaison de 250, la sortie est à l'état haut 25 % du temps. La résolution est fixée par le nombre de coups par période : pour une horloge de timer donnée, une fréquence PWM plus élevée signifie des pas de rapport cyclique plus grossiers. Une fois configuré, le timer fonctionne sans intervention du CPU. Les circuits PWM analogiques font le même travail en comparant une tension de commande à une onde triangulaire ou en dents de scie.

Pourquoi la commutation est efficace

Le transistor de commutation est soit complètement passant, avec peu de tension à ses bornes, soit complètement bloqué, sans presque aucun courant ; il dissipe donc bien moins de puissance qu'un transistor maintenu à une tension intermédiaire dans un circuit linéaire. Les pertes proviennent principalement de la résistance à l'état passant et des brèves transitions entre états. La fréquence est choisie en fonction de la charge : assez élevée pour que le scintillement des LED ne soit pas visible et que le courant du moteur soit lissé par l'inductance des enroulements, et souvent au-dessus du domaine audible pour éviter le sifflement du moteur, mais pas au point que les pertes de commutation deviennent prépondérantes.

La PWM comme CNA et en électronique de puissance

Faire passer une PWM dans un filtre passe-bas donne un convertisseur numérique-analogique rudimentaire, sans matériel CNA dédié ; placer la fréquence PWM bien au-dessus de la fréquence de coupure du filtre réduit l'ondulation, au prix d'une réponse plus lente. Le même principe fait fonctionner les alimentations à découpage, où un convertisseur abaisseur (buck) idéal délivre D fois sa tension d'entrée, et les onduleurs, qui commutent des composants de puissance de plusieurs kHz à quelques dizaines de kHz en faisant varier la largeur des impulsions pour synthétiser un courant alternatif. Un onduleur de moteur triphasé utilise six interrupteurs, deux par bras.

S'entraîner : questions sur PWM (modulation de largeur d'impulsion)

Lorsqu'un microcontrôleur génère une tension analogique en faisant passer un signal PWM dans un filtre passe-bas, quel paramètre détermine la tension de sortie ?

  1. ALe rapport cyclique des impulsions (proportion du temps à l'état haut sur une période)
  2. BLa couleur des impulsions
  3. CLa capacité mémoire du microcontrôleur
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Réponse : A. Le rapport cyclique des impulsions (proportion du temps à l'état haut sur une période)

Un signal PWM moyenné par un filtre passe-bas donne une tension de sortie égale à « amplitude × rapport cyclique », soit environ 2 V pour 5 V à 40 %. La résolution dépend du nombre de comptes du temporisateur, et une fréquence PWM nettement supérieure à la fréquence de coupure du filtre réduit l'ondulation. Cette méthode, qui produit une tension analogique sans CNA dédié, sert à la gradation de LED, à la commande de vitesse de moteurs et à une sortie audio simple, mais la rapidité de réponse et la précision résultent d'un compromis avec l'ondulation.

Pour un signal PWM de période 1000 comptes, la sortie est à 1 (High) pendant 250 comptes par période. Quel est le rapport cyclique ?

  1. A75%
  2. B25%
  3. C250%
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Réponse : B. 25%

Le rapport cyclique est la proportion de la période pendant laquelle la sortie est à l'état haut : 250÷1000=25 %. La PWM (modulation de largeur d'impulsion) règle la tension ou la puissance moyenne en faisant varier la durée de l'état haut à période constante. Le temporisateur d'un microcontrôleur compare la valeur du compteur à une valeur de comparaison pour basculer la sortie, et produit ainsi la PWM en continu sans intervention du processeur.

Questions fréquentes

Comment calculer le rapport cyclique d'une PWM ?

Divisez la durée à l'état haut par la période : rapport cyclique = t_on / T. Par exemple, 250 coups à l'état haut sur une période de 1000 coups donnent 25 %, et la sortie moyenne vaut 25 % de l'amplitude des impulsions.

La PWM modifie-t-elle la fréquence ou la tension ?

Ni l'une ni l'autre dans sa forme de base : la fréquence et l'amplitude des impulsions restent constantes et seule la largeur des impulsions change. La tension ou la puissance moyenne fournie à la charge varie parce que la fraction du temps à l'état passant varie.

Pourquoi la PWM est-elle plus efficace qu'un régulateur linéaire pour piloter un moteur ?

Un régulateur linéaire fait chuter la tension excédentaire aux bornes d'un transistor parcouru par la totalité du courant, et la gaspille en chaleur. Avec la PWM, le transistor est soit complètement passant, soit complètement bloqué, si bien que son produit tension-courant, et donc ses pertes, restent faibles.

« PWM (modulation de largeur d'impulsion) » dans les explications

Questions mentionnant « PWM (modulation de largeur d'impulsion) » (4)

  1. Lorsqu'un microcontrôleur génère une tension analogique en faisant passer un signal PWM dans un filtre passe-bas, quel paramètre détermine la tension de sortie ?
  2. Pour un signal PWM de période 1000 comptes, la sortie est à 1 (High) pendant 250 comptes par période. Quel est le rapport cyclique ?
  3. Quel est le rôle principal d'un onduleur en électronique de puissance ?
  4. Quelle méthode est couramment utilisée par un microcontrôleur pour régler la luminosité d'une LED ou la vitesse de rotation d'un moteur ?

Termes associés

Microcontrôleur Rapport cyclique Fréquence de coupure Anti-rebond (debounce) Capture d'entrée (input capture) Chargeur d'amorçage (bootloader) Chien de garde (watchdog timer) Débit en bauds Détection de baisse de tension (brown-out) GPIO

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