Modulation de largeur d'impulsion (MLI / PWM)

MLI = Modulation de Largeur d'Impulsion (en français dans le texte)
PWM = Pulse Width Modulation (modulation de largeur d'impulsion, en anglais)
Cette page va essayer de vous expliquer en quelques mots ce qu'est la modulation de largeur d'impulsion, et quels peuvent en être les principales applications.

Qu'est-ce donc ?

Avant toute chose, il est sans doute bon de rappeler ce qu'est une impulsion, afin d'éviter par la suite tout malentendu. Je ne suis en effet pas tellement d'accord pour utiliser cette appellation dans le contexte présent car elle me semble inappropriée. La définition d'une impulsion, dans le domaine physique, est la suivante : "Variation brusque d'une grandeur physique suivie d'un retour rapide à sa valeur initiale". Une impulsion correspond donc à un événement de courte durée. Un générateur électronique d'impulsions génère une pointe brève de tension ou de courant, de manière unique ou répétée. Pensez à l'impulsion électrique des clôtures électriques pour vaches : y avez-vous déjà touché ? Si oui, vous savez ce qu'est une impulsion (toutes ne sont pas aussi désagréables). Les trois premiers graphes ci-dessous, obtenus avec un générateur similaire à celui décrit à la page Générateur PWM 1, montrent un même signal rectangulaire ayant trois valeurs de rapport cyclique différentes. Le quatrième graphe montre un exemple d'impulsion unique, dont la largeur a volontairement été agrandie pour permettre de mieux voir ce qui se passe.

PWM -10% 
 

Ce signal rectangulaire, de fréquence 12 Hz, présente un rapport cyclique de 10%, ce qui signifie que le niveau électrique reste à l'état haut pendant 10% du temps total d'un cycle (un cycle - ou période - durant ici 1/12 de seconde). Sa valeur moyenne est faible, par rapport à l'amplitude maximale qu'il possède quand il est à l'état haut.

PWM -50% 
 

Le même signal rectangulaire de fréquence 12 Hz présente ici un rapport cyclique de 50%, ce qui signifie que la durée pendant laquelle le signal reste à l'état haut, est identique à la durée pendant laquelle il reste à l'état bas. Sa valeur moyenne est égale à la moitié de l'amplitude maximale.
 

PWM -90% 
 

Le même signal rectangulaire de fréquence 12 Hz présente cette fois un rapport cyclique de 90%, il reste plus longtemps à l'état haut qu'à l'état bas. Sa valeur moyenne est élevée.
 

Impulsion 
 

Et voici ce qu'est une impulsion brêve.
 

Bien, maintenant que nous savons à quoi correspond une largeur d'impulsion donnée (ou rapport cyclique donné, finalement choisissez le terme que vous préférez), essayons de voir à quoi cela peut bien servir. Pour cela, nous allons prendre pour exemple un signal de fréquence 0,1 Hz, dont la période est donc de 10 secondes (ce qui signifie que le même événement se reproduit toutes les dix secondes). Imaginez maintenant que ce signal serve à commander un radiateur électrique, situé dans la même pièce que vous, et où il règne une température ambiante de 12°C. Brrrr.. Avec un rapport cyclique de 10%, le radiateur va chauffer pendant 1 seconde, puis restera éteint pendant 9 secondes. Toujours Brrrr. Avec un rapport cyclique de 50%, le radiateur va chauffer pendant 5 secondes, puis restera éteint pendant 5 secondes. Brrr encore, mais ça va déjà mieux. Adoptons maintenant un rapport cyclique de 90% : le radiateur va chauffer pendant 9 secondes, puis restera éteint pendant 1 seconde. Ahhh ! Je suis sûr que vous y voyez plus clair maintenant ! Vous comprenez sans doute mieux pourquoi je parlais tout à l'heure de valeur moyenne, et que je disais que la valeur moyenne était d'autant plus faible que le rapport cyclique était faible. Et oui, la variation du rapport cyclique permet tout bêtement de modifier la valeur moyenne !

Mais un potentiomètre ne pourrait-il pas permettre la même chose ?

Un simple potentiomètre serait en effet plus simple à mettre en oeuvre que l'ensemble des composants nécessaires pour réaliser un circuit à modulation de largeur d'impulsion. Mais avez-vous pensé à la puissance perdue dans le potentiomètre et dissipée sous forme de chaleur ? Il ne tiendrait pas longtemps, le pauvre. Un rhéostat, alors ? Oui, c'est vrai, un rhéostat peut être considéré comme un potentiomètre de puissance, et pourrait résister aux assauts violents de la chaleur. Mais tout de même, toute cette puissance perdue, ce n'est pas très élégant, et c'est tout de même un risque non négligeable de panne. L'avantage de la "découpe" de la tension continue (puisqu'il s'agit bien de ça) est de ne perdre de la puissance qu'au moment où la tension monte à son maximum, et au moment où elle redescend à son minimum. Aucune (ou très faible) perte de puissance à l'état bas ou à l'état haut. Et là, si on est perdant côté nombre de composants nécessaires, on est vraiment gagnant côté rendement et perte d'énergie.

Applications les plus rependues

Un générateur de signal PWM / MLI peut servir à plusieurs choses, notamment les suivantes :

Quelle fréquence ?

Ah, voilà une question intéressante. Fréquence basse ou fréquence haute ? Et bien tout va dépendre du domaine d'application, et de l'inertie de l'équipement qui va recevoir le signal découpé. Parfois, la fréquence du signal PWM n'est pas gênante, et aucun filtrage n'est même nécessaire (chargeur de batterie évolué, chauffage). Dans d'autres cas, on a tout intérêt à ce que sa fréquence se situe dans le domaine des fréquences inaudibles (alimentation phantom à découpage pour préampli micro par exemple). L'avantage de monter haut en fréquence est de pouvoir utiliser des composants de filtrage plus petits, ce qui est particulièrement intéressant pour les alimentations secteur à découpage. Mais le revers de la médaille est un moins bon rendement (lié à la vitesse de commutation de l'élément de puissance employé) et un risque de panne plus important, car les composants électroniques qui servent à la commutation (transistor par exemple) chauffent d'autant plus qu'on les fait travailler vite. Dans ce domaine particulier des alimentations secteur, il est donc nécessaire de trouver un compromis, fonction des puissances mises en jeu, et d'utiliser des composants capables de commuter très vite. Pour un potentiomètre numérique constitué de portes analogiques, la notion de puissance est bien moins problématique, il importe surtout de travailler avec une fréquence suffisamment élevée pour ne pas créer de repliement de spectre (et oui, on est là dans le domaine de l'échantillonnage). Fréquence d'échantillonnage au moins double de la fréquence BF maximale à faire passer, ça vous rappelle quelque chose ?

PWM et tension sinusoïdale secteur 230V

Bien qu'un signal PWM soit de type rectangulaire, difficile de faire un rapprochement avec une onde sinus. Et pourtant... imaginez qu'un circuit détecte et compte les passages par zéro de l'onde secteur 230V de votre réseau EDF, et ne laisse passer cette onde secteur qu'un certain nombre de fois dans un temps donné. Qui ne laisse passer par exemple qu'une alternance sur cent (rapport 1 %) ou trente trois alternances sur cent (rapport 33 %) Ne pouvons-nous alors pas faire le rapprochement avec un signal numérique PWM ? Dans ce cas en effet, la charge qui reçoit l'onde sinus "par paquets" (les alternances en elles-mêmes restent entières) va moyenner l'énergie reçue. Mais attention ! Ceci n'est possible qu'avec des charges résistives dont l'inertie est grande, comme une résistance chauffante par exemple. Pas question évidement de supprimer des alternances pour un équipement qui ne pourrait le supporter, tel qu'une télé ou un ordinateur ! Avantage de la méthode : comme on supprime des alternances entières et que les commutations ont lieu lors du passage par zéro de l'onde secteur, il n'y a pas de parasite et l'élément de commutation (transistor de puissance, thyristor ou triac) est moins sollicité, ce qui lui confère une fiabilité accrue.

 

 

 

Accuil