Che cos’è un segnale PWM

Che cos'è un segnale PWM? Per quale motivo sono così utilizzati e amati? In questo articolo scopriremo un passo per volta assieme ad un esempio pratico, non solo come sono fatti e a che cosa servono, ma anche come funzionano.

Partiamo dalle basi: la siglaPWM significa "Pulse Width Modulation", in italiano significa "Modulazione di segnale ad impulso".

Di che cosa si tratta? Come suggerisce il nome è un tipo di modulazione digitale.

A che cosa serve? A codificare tanti valori in un segnale attraverso due elementi: un segnale digitale e un periodo.

"Codificare tanti valori in un segnale" è una definizione molto brutta e poco tecnichese di "Segnale analogico", ma è a questo che serve la PWM: a dare vita a segnali analogici!

Riconosco che non sia troppo lineare come discorso, per questo lo affronteremo con un esempio molto semplice, ma prima permettimi di presentarmi.

Il mio nome è Lorenzo Neri: sono il Chief Education Officer di Elettronica Open Source e mi occupo di realizzare tutti i contenuti che permettono a persone come te di comprendere al meglio questo mondo!

Tramite un esempio comune di tutti i giorni, scopriremo che cos'è un segnale PWM, a che cosa serve e come funziona.

Una macchina elettrica ed un segnale PWM

Il nostro esempio consiste in una macchina elettrica dotata di un motore che può essere comandato con un segnale digitale.

Un segnale digitale per come è fatto ha solo due valori: livello logico alto e livello logico basso.

Per rendere più semplice il ragionamento, il livello logico basso corrisponde a 0V e quindi il motore spento e quindi la macchina ferma.

Il livello logico alto corrisponde a 5V e quindi il motore acceso al massimo della velocità, per semplicità diciamo 100Km/h.

In questo modo, la macchina può stare ferma oppure andare al massimo della sua velocità

Tutto questo ci porta ad avere una serie di pro.

La macchina è dotata di un'accelerazione istantanea: il segnale digitale si porta subito al massimo, non dobbiamo aspettare di raggiungere la velocità di marcia in marcia, anzi!

Il che significa che raggiungiamo subito la velocità massima.

Lo stesso concetto vale per la frenata: il segnale digitale può essere portato immediatamente ad uno stato logico basso e quindi arrestare immediatamente la macchina.

Tutto questo comporta due contro abbastanza pericolosi.

Il primo: nessuno vuole guidare una macchina che va da 0 a 100Km/h in un istante, stesso discorso vale per la frenata.

Il secondo: non puoi avere un'accelerazione e una decelerazione fluida.

Immagina di voler andare a 50Km/h, dovresti costantemente guidare a scatti. Le tue uniche due possibilità sono andare al massimo e stare fermo: per stare su una velocità media, dovresti costantemente premere e rilasciare l'acceleratore.

Ironia della sorte, questo problema l'ho dovuto risolvere per il mio progetto di maturità quasi 10 anni fa.

Perché parlarne proprio ora? Devi sapere che io ed Elettronica Open Source ci siamo conosciuti proprio per il mio progetto di maturità nel 2012: è stato il mio primo articolo scritto all'interno di questo blog che trovi qui, ma anche il mio primo video YouTube in assoluto.

E di fatto, c'è eccome il modo di sfruttare il segnale digitale di prima senza dover guidare a scatti!

Come?

Rendiamo periodico il segnale digitale che governa la macchina

All'inizio dell'articolo ti dicevo che alla base del funzionamento dei segnali PWM c'è senza dubbio un segnale digitale come quello che ci sta accompagnando fino ad ora, ma anche la periodicità dello stesso.

Rendiamoci semplici le cose: diamogli un periodo di 50Hz, il che significa che un periodo dura 20ms.

Ma facciamo un'altra cosa: modifichiamo l'andamento del segnale all'interno del periodo.

Per metà del periodo, il segnale sarà ad uno stato logico alto, quindi 5V, quindi 100Km/h.

Per la seconda metà del periodo, quindi per i successivi 10ms, il segnale sarà ad un livello logico basso, quindi 0V, quindi 0Km/h:

Il segnale digitale periodicizzato


A questo punto, succede una cosa assai curiosa al motore.

Poiché per metà del periodo viene sollecitato e per metà no, per tutta la durata del periodo del segnale lui riceve metà della potenza data dal segnale stesso.

Poiché riceve sì 5V e quindi il massimo della potenza e quindi 100Km/h, ma per metà del tempo, è come se ne ricevesse 2,5V

Ciò che percepisce il motore

Questo significa due cose importanti.

La prima: non dobbiamo più guidare a scatti! Cioè, quasi.

Se prima dovevamo costantemente guidare a scatti per guidare a 50Km/h, ora abbiamo modo di starci in modo molto semplice.

Nonostante il segnale digitale per definizione, preveda due valori, magicamente ne abbiamo tirato fuori un terzo.

Ma possiamo fare di più.

Un segnale PWM significa diverse velocità

Abbiamo capito che mettendo il segnale per il 50% del suo periodo significa imporre al motore una velocità di metà del massimo disponibile.

Ma, se per esempio, il segnale lo rendessimo a livello alto per il 25% del suo stesso periodo?

 

Il segnale digitale al 25% comporta una percezione di questo tipo al motore

Cominciamo ad avere più "varietà"

Tutto questo ha un nome e ci permette di capire altre due cose.

Che cos'è un segnale PWM? Duty Cycle prima di tutto

La prima cosa che capiamo facendo variare la percentuale di tempo in cui il segnale è posto a livello logico alto, è che otteniamo velocità differenti.

Non più solo 0 e 100Km/h, non solamente 50Km/h: possiamo andare a 25, a 75, a tante velocità.

La seconda, è che facendo variare questa percentuale possiamo ottenere più valori percepiti dal motore con un singolo segnale digitale.

La percentuale di cui stiamo parlando si chiama "Duty Cycle". Per esempio, un segnale con il 33% di duty cycle, significa che se il suo periodo è di 100ms, per 33 resterà acceso, quindi a livello logico alto, per 77 spento e quindi a livello logico basso.

I miei studenti di Makers Academy questo concetto lo sanno usare molto bene soprattutto per ciò che concerne i motori e i servomotori!

Ma possiamo fare di più.

Fino ad ora hai scoperto che cos'è il duty cycle, ne abbiamo parlato in tantissimi articoli tra l'altro!

Il segnale è sì periodico, possiamo certamente impostare il duty cyclema nessuno ci vieta di farlo variare di periodo in periodo.

Che cos'è un segnale PWM: l'ingrediente finale

Come ti dicevo una frase prima, per capire davvero che cos'è un segnale PWM ci manca l'ingrediente finale.

Prendiamo il segnale di prima, ma facciamo una cosa diversa.

Per il primo periodo, impostiamo il segnale con un duty cycle del 25%, durante il secondo, lo impostiamo con un duty cycle del 50%, infine il terzo facciamo sì che il segnale sia al 75% del duty cycle.

Di fatto, otteniamo questo a livello temporale:

Il segnale digitale con duty cycle variabile

E al motore succede quello che dovrebbe succedere con qualsiasi veicolo, permettimi di mostrartelo:

 

Ciò che il motore percepisce da un segnale digitale con duty cycle variabile

Ci hai fatto caso che il motore oltre ad avere diverse velocità, permette un'accelerazione più fluida e non più a scatti?

Lo stesso discorso vale per la frenata!

Quindi, impulso digitale: si tratta di un impulso, il segnale che abbiamo usato fin'ora è un impulso digitale.

Modulazione di segnale ad impulso: tramite il duty cycle, tramite la modulazione del duty cycle dato da un segnale ad impulso, ecco la PWM fatta e finita nella sua forma.

La variazione di duty cycle di un segnale digitale come quello che abbiamo usato assieme fino ad ora, è la pulse width modulation nella sua forma più basilare e pura.

Che permette di dare vita ad un segnale analogico, quindi tanti valori nel tempo, tramite un segnale digitale e un periodo.

Ecco quindi, una volta capito che cos'è un segnale PWM abbiamo scoperto assieme anche a che cosa serve e come funziona la modulazione che sta dietro esso.

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