Modulazione di larghezza d'impulso: differenze tra le versioni

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In [[elettronica]] e [[telecomunicazioni]] la '''modulazione di larghezza di d'impulso''' (o '''PWM''', [[acronimo]] del corrispettivo inglese ''pulse-width modulation'') è un tipo di [[modulazione]] digitale che permette di ottenere una [[tensione elettrica|tensione media]] variabile dipendente dal rapporto tra la durata dell'impulso positivo e dell'intero periodo ([[duty cycle]]). Allo stesso modo, è fondamentalmente utilizzato per [[protocollo di comunicazione|protocolli di comunicazione]] in cui l'[[informazione]] è codificata sotto forma di durata nel tempo di ciascun impulso. Grazie ai moderni [[microcontrollore|microcontrollori]], è possibile attivare o disattivare un [[interruttore]] ad alta frequenza e allo stesso modo rilevare lo stato e il [[Funzione periodica|periodo]] di un impulso.

[[File:PWM, 3-level.svg|thumb|upright=1.4|Un esempio di PWM nel pilotaggio di un motore in AC. La tensione in blu è la sequenza di impulsi a durata variabile mentre la tensione in rosso (simile a una sinusoide) è il risultato della densità degli impulsi nel circuito magnetico del motore.]]

In [[elettronica]] e [[telecomunicazioni]] la '''modulazione di larghezza di impulso''' (o '''PWM''', [[acronimo]] del corrispettivo inglese ''pulse-width modulation'') è un tipo di [[modulazione]] digitale che permette di ottenere una [[tensione elettrica|tensione media]] variabile dipendente dal rapporto tra la durata dell'impulso positivo e dell'intero periodo ([[duty cycle]]). Allo stesso modo, è fondamentalmente utilizzato per [[protocollo di comunicazione|protocolli di comunicazione]] in cui l'[[informazione]] è codificata sotto forma di durata nel tempo di ciascun impulso. Grazie ai moderni [[microcontrollore|microcontrollori]], è possibile attivare o disattivare un [[interruttore]] ad alta frequenza e allo stesso modo rilevare lo stato e il [[Funzione periodica|periodo]] di un impulso.

==Descrizione==

La durata di ciascun impulso può essere espressa in rapporto al [[Funzione periodica|periodo]] tra due impulsi successivi, implicando il concetto di [[ciclo di lavoro]]. Un ciclo di lavoro utile pari a 0% indica un impulso di durata nulla, in pratica assenza di segnale, mentre un valore del 100% indica che l'impulso termina nel momento in cui ha inizio il successivo.

Di seguito, è mostrato un esempio di modulazione a 2 [[bit]].

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Valore 0 1 2 4 0 4 1 0

unUn segnale di clock è a volte utilizzato per determinare la posizione degli impulsi, ma spesso non è necessario in quanto al segnale viene aggiunto un valore minimo che garantisce la presenza di un piccolo impulso anche per il valore zero.

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==Applicazioni==

=== Regolazione della potenza elettrica ===

[[File:Pwm.png|thumb|destra|upright=1.4|Segnale sinusoidale modulato tramite larghezza di impulso. La modulazione del segnale è ottenuta confrontando il segnale di ingresso (somma di sinusoidi di valore da 0 a Vmax) con un segnale a dente di sega di frequenza maggiore (almeno dieci volte) dell'ampiezza di banda del segnale. Questo è possibile usando un comparatore (per es. un [[trigger di Schmitt]] realizzato con un [[Amplificatoreamplificatore operazionale]]). Gli impulsi ottenuti saranno di ampiezza proporzionale a quella del segnale. ]]

La modulazione a larghezza di impulso è utilizzata per variare la tensione, e quindi la potenza, ada un carico generico: si utilizza, ad esempio, per variare la velocità di un [[Motore in corrente continua|motore elettrico in corrente continua]], per controllare la marcia di modellini su piste (di treni, automobili, ecc.), per variare la luminosità delle [[Lampadina|lampadine]], in particolare dei [[LED]], e per la realizzazione di alimentatori di grossa potenza, dove la potenza dissipata per la regolazione deve essere molto bassa se si desidera un sistema ad alta efficienza.

Come si può intuire, con un ''[[duty cycle]]'' pari a zero la potenza trasferita è nulla, mentre al 100% la potenza corrisponde al valore massimo trasferito nel caso non sia presente il circuito di modulazione. Ogni valore intermedio determina una corrispondente fornitura di potenza.

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In un circuito PWM, il transistor in un istante conduce completamente, riducendo al minimo la caduta ai suoi capi, oppure non conduce affatto, annullando la corrente, e, in entrambi i casi, la potenza dissipata è quasi zero.

Negli [[Alimentatore elettrico|alimentatori]] elettronici, negli [[inverter]] e nei [[Gruppo di continuità|gruppi di continuità]], la modulazione può essere regolata in funzione della tensione in uscita, in modo da introdurre una [[retroazione]] che stabilizza la tensione al variare della tensione di ingresso.

Nei regolatori di luminosità domestici, viene usato un particolare sistema PWM in cui la modulazione viene applicata alla tensione sinusoidale della rete elettrica. Nel momento in cui si ha il passaggio per lo zero della tensione, un circuito determina un ritardo temporale compreso tra circa zero e un semiperiodo, in funzione della posizione di un [[potenziometro]].

Trascorso tale ritardo, viene innescato un [[Triac]] che incomincia a condurre da questo momento fino al prossimo passaggio per lo zero. Questa regolazione di tensione produce una [[forma d'onda]] fortemente distorta e non esente da disturbi, ma è semplicissima da ottenere ede il carico (generalmente una [[lampadina]]) è insensibile alla forma d'onda che lo alimenta.

Nel comando di valvole proporzionali (in impianti a fluido come [[impianti idraulici]], [[impianti pneumatici]], [[oleodinamica|oleodinamici]] e simili), si usa utilizzare un comando di tipo PWM in cui si sovrappone all'onda principale, a una frequenza di qualche kHz, una modulazione del ''duty-cycle'' (''[[dithering]]'') a bassa frequenza (da 50 a 200  Hz) per mantenere in leggera vibrazione il nucleo e ridurre così l'[[isteresi]] della valvola. In alternativa, viene usato un PWM a bassa frequenza (50–200  Hz) in modo che sia il ripple della corrente a garantire la vibrazione necessaria. In questo caso, la vibrazione non rimane però costante su tutto il campo di regolazione della corrente, con prestazioni leggermente inferiori.

=== Conversione Digitaledigitale-Analogicaanalogica ===

In alcuni circuiti digitali (soprattutto quelli con microcontrollori), la tecnica PWM può essere utilizzata, con l'ausilio di un semplice [[Circuito RC|filtro RC]], per trasformare un valore digitale in una corrispondente tensione continua. La maggior parte dei microcontrollori presenti in commercio, infatti, dispone di uno o più Timertimer in grado di generare onde rettangolari con duty-cycle variabile. Programmando opportunamente il Timertimer, si può variare il duty-cycle dell'onda rettangolare e di conseguenza il valore di tensione che si ottiene all'uscita del [[Circuito RC|filtro RC]].

=== Applicazioni in sintesi sonora e riproduzione audio ===

==== Sintesi sonora ====

La modulazione di larghezza di impulso è usata nella [[sintesi sonora]], in particolare nella [[Sintesi sottrattiva (musica elettronica)|sintesi sottrattiva]], dove produce un effetto simile al coro o a due oscillatori leggermente fuori sintonia.

Il rapporto tra il livello alto e basso è a sua volta modulato da un [[oscillatore a bassa frequenza]].

==== Amplificazione sonora in "Classe D"====

{{vedi anche|T-Amp}}

Una classe di [[Amplificatore (elettronica)|amplificatori]] audio, detta ''[[Amplificatore (elettronica)#Classe D (equivalentemente Classe S)|classe D]]'' (o ''Classe S''), sfrutta il principio della modulazione PWM. Una corrente viene modulata in funzione del segnale audio in ingresso e quindi inviata agli [[Altoparlante|altoparlanti]] attraverso una rete di [[filtro passa basso|filtraggio passa basso]] che elimina la componente ad alta frequenza e ricostruisce il segnale sonoro.

Commercializzati per la prima volta negli anni Sessantasessanta del Novecento (uno dei primi a essere messo in vendita, nel [[1964]], fu il modello "X-10" della [[Sinclair Radionics]] <ref name="W. de Haan, 26"/><ref>{{cita web| url = http://rk.nvg.ntnu.no/sinclair/audio/x-10.htm | titolo = X-10 (1964) | sito = Sinclair Planet | lingua = en | accesso = 1º giugno 2017 }}</ref> questi amplificatori hanno guadagnato un grande interesse perché la modalità di funzionamento ''[[switching]]'' consente loro un'ottima efficienza energetica rispetto ai tradizionali amplificatori audio analogici in classe A, B e AB, con bassi consumi elettrici accoppiati a pesi e ingombri molto limitati, anche per applicazioni che richiedono potenze di uscita elevate<ref name="W. de Haan, 26">{{cita web | url = http://www.wireless-experts.com/PragmaticClassDampArticle.pdf | titolo = The Pragmatic Class D Amplifier | nome = Wim | cognome = de Haan | lingua = en | formato = pdf | rivista = audioXpress | mese = giugno | anno = 2009 | p = 26 | accesso = 1º giugno 2017 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20161008084155/http://www.wireless-experts.com/PragmaticClassDampArticle.pdf | dataarchivio = 8 ottobre 2016 | urlmorto = sì }}</ref> .

Un esempio è fornito dal modello [[T-Amp]], prodotto dalla [[Sonic Impact]], che si avvale del chip [[TA2024]] della [[Tripath]], la cui particolare implementazione viene indicata come ''Classe T''.

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==== Direct Stream Digital ====

{{vedi anche|Direct Stream Digital}}

La codifica del suono chiamata [[Direct Stream Digital]], sviluppata da [[Philips]] e [[Sony]], usa una forma generalizzata di pulse-width modulation, chiamata [[Pulse-Density Modulation]] (PDM), con una [[frequenza di campionamento]] dell'ordine dei MHzmegahertz, abbastanza alta da permettere di coprire l'intero spettro delle frequenze acustiche con sufficiente [[alta fedeltà|fedeltà]]. Questo metodo è impiegato nei prodotti in formato [[Super Audio CD]] (SACD), la cui riproduzione dei segnali audio è, essenzialmente, simile al metodo usato negli amplificatori in classe D.

== Note ==

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== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

* {{cita web | 1 = http://www.gioblu.com/tutorials/programmazione/103-che-cose-il-pwm | 2 = Che cos'è il PWM e in cosa può esserci utile | accesso = 25 settembre 2011 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20101125050536/http://www.gioblu.com/tutorials/programmazione/103-che-cose-il-pwm | dataarchivio = 25 novembre 2010 | urlmorto = sì }}

{{Portale|elettronica|telecomunicazioni}}

[[Categoria:Tecniche di modulazione]]

[[Categoria:Telefonia]]

[[Categoria:TecnicheTeoria didei modulazionesegnali]]