Pulssinleveysmodulaatio

Pulssinleveysmodulaatio (PWM, engl. pulse-width modulation, tai PDM, engl. pulse-duration modulation) on modulointitapa, jossa kuormaan menevää jännitettä säädetään muuttamalla pulssisuhdetta niin, että lähtösignaalin keskiarvo yhden värähtelyjakson ajalta laskettuna on sama kuin modulointisignaalin arvo.

Pulssinleveysmodulaatiota käytetään mm. hakkurityyppisissä jännitelähteissä, D-luokan vahvistimissa ja sähkömoottoreiden tehonsäädössä sekä LED-valaisimien himmentimenä. Tärkeä etu pulssinleveysmodulaation käytössä on, että kytkimenä toimiva komponentti on suurimman osan ajasta joko johtavassa tilassa tai estää virran kulun kokonaan, jolloin siinä ei tapahdu suurta tehohäviötä ja laitteen hyötysuhde säilyy korkeana verrattuna muuttuvaan resistanssiin perustuviin säätimiin, himmentimiin ja vahvistimiin.

Mikäli pulssinleveysmodulaatiota ohjataan digitaalisesti, vaikkapa mikrokontrollerilla, eri pulssisuhdevaihtoehtoja on rajallinen määrä. Mahdollisten pulssisuhteiden lukumäärää nimitetään resoluutioksi. PWM-signaalin digitaalisessa muodostamisessa voidaan käyttää esimerkiksi kellosignaaliin liitettyjä laskureita, jotka vaihtavat lähdön tilan toiseksi, kun tietty määrä kellojaksoja on kulunut.

Analogisesti pulssinleveysmodulaatio voidaan toteuttaa syöttämällä komparaattorin toiseen tuloon modulointisignaalia ja toiseen tuloon huomattavasti korkeataajuisempaa ja amplitudiltaan vähintään yhtä suurta ja vakiotaajuista kolmio- tai saha-aaltoa. Tällöin komparaattorin lähtösignaali on pulssinleveysmoduloitua kanttiaaltoa. Tämä 1-bittinen digitaalinen signaali saadaan takaisin analogiseksi viemällä se alipäästösuotimen läpi. Usein signaalilla ohjataan esimerkiksi tehotransistoria, jolloin saadaan aikaan vahvistusta ja vasta vahvistettu signaali suodatetaan analogiseksi. Komparaattorin lähdöstä saatavalla signaalilla voidaan katkoa periaatteessa myös vaihtojännitettä. Usein vaihtojännitteen tapauksessa tehon säätämiseen käytetään kuitenkin yksinkertaisempia tyristori- ja triac-kytkentöjä.

Signaalin muodostamiseen voidaan käyttää myös deltamodulaatiota, jossa vaihdetaan lähdön tilaa, kun lähtösignaalin keskiarvo poikkeaa tietyn verran modulointisignaalista. Tällöin signaali ei kuitenkaan ole vakiotaajuista. Deltamoduloidun 1-bittisen signaalin muuntaminen analogiseksi vaatii integraattoripiirin.

Sigma-deltamodulaatio on kehittyneempi versio deltamodulaatiosta. Se poikkeaa deltamodulaatiosta niin, että integraattori on siirretty piirin sisälle. Ensin muodostetaan virhesignaali vähentämällä tulosignaalista lähtösignaali. Tämän jälkeen virhesignaali integroidaan ja kvantisoidaan. Sigma-deltamoduloitu signaali voidaan muuntaa 1-bittisestä digitaalisignaalista analogiseksi pelkän alipäästösuotimen avulla. Mikäli sigma-deltamodulaattorista tehdään useampiasteinen, kohinan spektri saadaan painotettua korkeammille taajuuksille ja sen suodattaminen alipäästösuotimen avulla onnistuu paremmin.