Modulasi Lebar Pulsa: Siklus Tugas, Timer, dan Aplikasi

Modulasi lebar pulsa (PWM) adalah metode yang digunakan mikrokontroler untuk mengontrol daya dengan menghidupkan dan mematikan sinyal dengan kecepatan tinggi. Ini digunakan dalam LED, motor, servo, audio, dan sistem tenaga. Artikel ini menjelaskan dasar-dasar PWM, siklus kerja, pengoperasian timer, mode, frekuensi, resolusi, dan teknik lanjutan dengan detail yang jelas.

Ikhtisar Modulasi Lebar Pulsa (PWM) 

Pengatur waktu PWM adalah modul perangkat keras bawaan di dalam mikrokontroler yang menghasilkan sinyal pulsa digital dengan siklus kerja yang dapat disesuaikan. Alih-alih mengandalkan perangkat lunak untuk mengalihkan pin, yang menghabiskan daya pemrosesan dan berisiko kegelisahan waktu, mikrokontroler membongkar pekerjaan ini ke pengatur waktu perangkat keras. Hal ini memungkinkannya untuk menjaga akurasi sambil membebaskan CPU untuk menangani tugas lain. Hasilnya adalah multitasking yang efisien, latensi yang berkurang, dan kinerja yang lebih baik dalam aplikasi aktual seperti kontrol motor, peredupan LED, modulasi audio, dan pembuatan sinyal. Efisiensi dan presisi PWM menjadikannya tulang punggung sistem tertanam modern, menjembatani kesenjangan antara kontrol digital dan perilaku analog. 

Siklus Tugas Modulasi Lebar Pulsa

Bentuk gelombang menunjukkan sinyal berulang yang beralih antara 0V dan 5V. Periode ditandai sebagai 10 ms, yang mewakili waktu untuk satu siklus lengkap. Dalam periode itu, sinyal tetap tinggi (5V) selama 3 ms, yang dikenal sebagai lebar pulsa. Siklus kerja kemudian dihitung sebagai rasio waktu tinggi terhadap total periode, memberikan 30% dalam hal ini. Ini berarti sinyal memberikan daya hanya 30% dari waktu per siklus. Frekuensi juga berasal dari periode, dihitung sebagai 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.

Perhitungan Siklus Tugas dalam Pengatur Waktu Mikrokontroler

Siklus kerja memberi tahu kita berapa banyak dari total waktu sinyal dihidupkan dibandingkan dengan siklus penuh bentuk gelombang. Dalam mikrokontroler, ini penting karena menentukan berapa banyak daya yang dikirim ke perangkat selama setiap siklus.

Untuk menghitungnya, Anda menggunakan rumus sederhana: Siklus Tugas (%) = (Lebar Pulsa ÷ Periode) × 100. Jika sinyal aktif TINGGI, siklus kerja adalah sepersekian waktu sinyal tetap TINGGI. Jika sinyal aktif RENDAH, siklus kerja adalah sepersekian waktu tetap RENDAH.

Pengatur Waktu Modulasi Lebar Denyut Nadi 

Gambar ini menunjukkan cara kerja pengatur waktu PWM dengan menghubungkan output tegangan ke penghitung. Penghitung berulang kali menghitung dari 0 hingga 9, lalu mengatur ulang, menciptakan periode sinyal. Ketika penghitung mencapai nilai kecocokan yang ditetapkan (di sini, 2), output menjadi tinggi dan tetap tinggi sampai penghitung meluap, menentukan lebar pulsa. Titik luapan mengatur ulang siklus, memulai periode baru.

Timer menentukan siklus kerja dengan mengontrol kapan output menyala (cocok) dan kapan reset (overflow). Menyesuaikan nilai kecocokan mengubah lebar sinyal tinggi, secara langsung mengontrol berapa banyak daya yang diberikan PWM ke beban.

Mode PWM yang Sejajar dengan Tepi dan Sejajar Tengah

Mode Sejajar Tepi

Dalam PWM yang disejajarkan tepi, penghitung hanya menghitung dari nol ke maksimum yang ditetapkan, dan peralihan terjadi di awal atau akhir siklus. Ini membuatnya mudah diterapkan dan sangat efisien karena sebagian besar mikrokontroler dan pengatur waktu secara asli mendukungnya. Karena semua tepi switching disejajarkan ke satu sisi periode, hal itu dapat menyebabkan riak arus tidak merata dan interferensi elektromagnetik (EMI) yang lebih tinggi.

Mode Sejajar Tengah (Fase Benar)

Dalam PWM yang disejajarkan di tengah, penghitung menghitung naik dan kemudian mundur dalam setiap siklus. Ini memastikan bahwa tepi switching didistribusikan di sekitar pusat bentuk gelombang, menciptakan output yang lebih seimbang. Simetri mengurangi harmonik, riak torsi pada motor, dan EMI dalam sistem tenaga. Meskipun sedikit lebih kompleks dan kurang efisien dalam hal pemanfaatan frekuensi, ia memberikan kualitas output yang jauh lebih bersih.

Memilih Frekuensi PWM yang Tepat

• Peredupan LED membutuhkan frekuensi di atas 200 Hz untuk menghilangkan kedipan yang terlihat, sedangkan lampu latar layar dan sistem pencahayaan berkualitas tinggi sering menggunakan 20–40 kHz untuk tetap melampaui persepsi manusia dan meminimalkan kebisingan.

• Motor listrik beroperasi paling baik dengan frekuensi PWM antara 2–20 kHz, menyeimbangkan kerugian switching dengan kehalusan torsi; Nilai yang lebih rendah memberikan resolusi siklus kerja yang lebih tinggi, sementara nilai yang lebih tinggi mengurangi kebisingan dan riak yang terdengar.

• Servo hobi standar mengandalkan sinyal kontrol tetap sekitar 50 Hz (periode 20 ms), di mana lebar pulsa, bukan frekuensi, menentukan posisi sudut.

• Pembuatan audio dan konversi digital-ke-analog memerlukan PWM jauh di atas spektrum yang dapat didengar, lebih dari 22 kHz, untuk mencegah interferensi dan memungkinkan penyaringan sinyal yang bersih.

• Dalam elektronika daya, pemilihan frekuensi sering kali ditukar antara efisiensi, kerugian switching, interferensi elektromagnetik, dan respons dinamis beban tertentu.

Resolusi PWM dan Ukuran Langkah

Resolusi (langkah-langkah)

Jumlah tingkat siklus kerja diskrit diatur oleh jumlah periode pengatur waktu (N). Misalnya, jika penghitung berjalan dari 0 hingga 1023, itu memberikan 1024 langkah siklus kerja yang berbeda. Jumlah yang lebih tinggi berarti kontrol output yang lebih baik.

Kedalaman bit

Resolusi sering dinyatakan dalam bit, dihitung sebagai log₂(N). Penghitung 1024 langkah sesuai dengan resolusi 10-bit, sedangkan penghitung 65536 sesuai dengan resolusi 16-bit. Ini menentukan seberapa tepat siklus kerja dapat disesuaikan.

Langkah waktu

Jam sistem menentukan kenaikan terkecil, sama dengan 1 ÷ fClock. Kecepatan clock yang lebih cepat memungkinkan periode yang lebih pendek dan frekuensi PWM yang lebih tinggi sambil tetap mempertahankan resolusi yang baik.

Pertukaran

Meningkatkan resolusi membutuhkan lebih banyak jumlah pengatur waktu, yang pada gilirannya menurunkan frekuensi PWM maksimum untuk jam tertentu. Sebaliknya, frekuensi yang lebih tinggi mengurangi resolusi yang tersedia. 

PWM Prescaler dan Contoh Pengaturan Periode

Teknik Saluran PWM Tingkat Lanjut

Penyisipan Waktu Mati

Waktu mati adalah penundaan kecil yang terkontrol yang dimasukkan antara peralihan transistor komplementer dalam sirkuit setengah jembatan atau jembatan penuh. Tanpa itu, perangkat sisi tinggi dan sisi bawah dapat melakukan sesaat pada saat yang sama, menyebabkan korsleting yang dikenal sebagai tembak-tembakan. Dengan menambahkan beberapa puluh atau ratusan nanodetik waktu mati, perangkat keras memastikan transisi yang aman, melindungi MOSFET atau IGBT dari kerusakan.

Keluaran Pelengkap

Output komplementer menghasilkan dua sinyal yang berlawanan secara logis satu sama lain. Ini sangat berguna dalam sirkuit push-pull, driver motor, dan tahap inverter, di mana satu transistor harus mati tepat saat yang lain menyala. Menggunakan pasangan PWM komplementer menyederhanakan sirkuit driver dan memastikan simetri, meningkatkan efisiensi, dan mengurangi distorsi.

Pembaruan Sinkron

Dalam sistem dengan beberapa saluran PWM, pembaruan sinkron memungkinkan semua output untuk disegarkan secara bersamaan. Tanpa fitur ini, ketidakcocokan waktu kecil (kemiringan) dapat terjadi, yang menyebabkan pengoperasian yang tidak merata. Dalam penggerak motor tiga fase atau konverter multi-fase, PWM yang disinkronkan memastikan keseimbangan, kinerja yang lancar, dan pengurangan interferensi elektromagnetik.

Pemicu Silang

Pemicu silang memungkinkan pengatur waktu untuk berinteraksi satu sama lain, sehingga satu peristiwa PWM dapat memulai, mengatur ulang, atau menyesuaikan pengatur waktu lain. Fitur ini kuat dalam sistem kontrol canggih, memungkinkan koordinasi yang tepat dari beberapa sinyal. Aplikasi termasuk penggerak motor bertingkat, konverter daya interleaved, dan pengambilan sampel sensor yang disinkronkan, di mana hubungan waktu antar saluran sangat penting.

Gerakan Servo dengan Sinyal PWM

Kesimpulan

PWM adalah alat utama yang memungkinkan sistem digital mengontrol perangkat analog dengan akurasi dan efisiensi. Dengan mempelajari siklus kerja, pengaturan pengatur waktu, pilihan frekuensi, pengorbanan resolusi, dan metode lanjutan seperti waktu mati atau koreksi gamma, Anda dapat merancang sistem yang andal. PWM terus mendukung elektronik modern dalam aplikasi pencahayaan, gerakan, audio, dan daya.

Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]

Apakah PWM meningkatkan efisiensi daya?

Ya. PWM menghidupkan atau mematikan perangkat sepenuhnya, meminimalkan kehilangan panas dibandingkan dengan kontrol tegangan analog.

Apakah PWM menciptakan interferensi elektromagnetik (EMI)?

Ya. Peralihan cepat menghasilkan harmonik yang menyebabkan EMI. PWM yang sejajar dengan tengah menguranginya, dan filter membantu menekan kebisingan.

Mengapa menggunakan filter low-pass dengan PWM?

Filter low-pass menghaluskan gelombang persegi menjadi tegangan DC rata-rata, berguna untuk audio, output analog, dan simulasi sensor.

Bolehkah PWM mengontrol elemen pemanas?

Ya. Pemanas merespons dengan lambat, sehingga bahkan frekuensi PWM rendah (10–100 Hz) memberikan kontrol suhu yang stabil.

Untuk apa PWM bergeser fase?

Ini menggeser waktu antar saluran untuk mengurangi lonjakan arus dan menyeimbangkan beban, yang umum terjadi pada konverter multifase dan penggerak motor.

Bagaimana mikrokontroler mencegah jitter PWM?

Mereka menggunakan register buffer ganda dan pembaruan yang disinkronkan sehingga perubahan siklus kerja berlaku dengan bersih di awal setiap siklus.