Présentation

Une Modulation à Largeur d'Impulsion est un signal à période constante mais à rapport cyclique réglable. La MLI (ou PWM) est utilisée dans la famille des variateurs de fréquence : les cycloconvertisseurs, les onduleurs et les redresseurs.

Son application dans les variateurs de vitesse de moteur à courant continu ou dans la commande de chauffage est très courante.

Le variateur de fréquence étant très utilisé dans l'industrie, l'étude des MLI devient très importante.

1) LE PRINCIPE

Nous nous proposons de réaliser une MLI à partir de composants les plus courants.

On veut 0<a<1 et un pas de variation du rapport cyclique de

T

Rapport cyclique :

r =

=

= a    (avec TH : temps à l'état haut ,et, T : période du signal)

a est donc le rapport cyclique, de pas

et variant de 0 à

= 1

Or, on sait que 256 = 2⁸

On peut réaliser un compteur modulo 2⁸ pour qu'il compte jusqu'à 256 de façon cyclique
(0,1,2,….,255,256,0,1,2,….)
On a donc une période égale à 256 (unité de temps).
Avec un comparateur 16 bits, on peut faire varier le rapport cyclique. Par exemple, on prend a = 130.
La sortie du compteur est reliée à l'entrée A du comparateur. Le DIL de 8 interrupteurs est relié à l'entrée B du comparateur.

Tant que A<B, la sortie A<B du comparateur est à l'état "1"
Dès que A=B ou A>B, la sortie A<B est à l'état "0"

Schéma du principe :

Remarque : On utilise un compteur synchrone pour avoir moins de retard qu'avec un compteur asynchrone, sachant qu'avec celui-ci, le temps de réponse augmente avec le nombre de bascules. Ici, nous devons utiliser 8 bascules, il est donc préférable d'utiliser un compteur synchrone.

2) LA REALISATION

1. L'Horloge

   
   L'horloge que l'ont va réaliser est indispensable au fonctionnement du compteur synchrone.
   On veut un oscillateur de fréquence f : 1 MHz £ f £ 5 MHz

   Essais :

   • Avec le NE 555 :
     S'il existe un astable connu, c'est bien le NE 555. Mais d'après la documentation du constructeur, il ne peut pas générer des signaux supérieurs à 500 KHz.

   • Avec un montage à comparateur à hystérisis :

     La sortie Vs sature rapidement

   • Montage astable à portes logiques :
     Nous utilisons pour cela des portes NAND.
     Le circuit intégré 74HCT00 est un circuit TTL compatible CMOS, il a quelques propriétés des circuits CMOS mais s'alimente avec une tension unique : +5V.
     Il contient 4 portes NAND intégrées.
   
   Principe du fonctionnement :

   A t = 0, on suppose que D est à l'état "1" et A est à "0".
   Le condensateur C se charge à travers R_A jusqu'à ce qu'il apparaisse un état "1" au point B. Alors D passe à "0" et A passe à "1" grâce aux inverseurs que réalisent les portes NAND. Le condensateur C se décharge ainsi jusqu'à ce que B passe à "0" permettant à D de passer à "1".
   Le cycle se répète ainsi indéfiniment formant un signal rectangulaire dont la période dépend des valeurs de C et R_A.

   La courbe bleue représente la tension relevée aux bornes du condensateur. La courbe rouge représente la sortie CLK de l'horloge.

   Le signal que l'on trouve est très parasité par des signaux haute fréquence.

   
   On utilise des condensateurs de découplage sur l'alimentation et en sortie du signal pour filtrer ces signaux HF : le signal obtenu est quasi parfait.
   
   On obtient une fréquence maximale : f = 1,6 MHz avant qu'il y ait saturation.

2. Le Compteur

   Pour réaliser des compteurs synchrones, on utilise des bascules JK et des portes logiques ET. L'horloge nécessaire au fonctionnement du compteur est commune à toutes les bascules.

   Table de vérité d'une bascule JK      J K Qt 0 0 Qt-1 0 1 1 1 0 0 1 1

   Dans l'industrie, on a pu intégrer ces circuits. Il existe ainsi un circuit intégré réalisant un compteur synchrone modulo 2⁴ : c'est le 74HCT191.

   Nous en utiliserons donc deux pour faire un compteur modulo 2⁸.

   Le deuxième compteur ne sera activé que lorsque le premier aura atteint son maximum
   (la valeur 15 car 2⁴=16 => compte de 0 à 15); il faut donc relier la patte "enable" sur la sortie RCO du premier compteur.

   

   
   
   

3. Le Comparateur

   ENTREES				SORTIES
   A<B	A=B	A>B	A,B	A<B	A=B	A>B
   *	*	*	A<B	1	0	0
   *	*	*	A>B	0	0	1
   0	0	1	A=B	0	0	1
   0	1	0	A=B	0	1	0
   1	0	0	A=B	1	0	0

   Le comparateur permet de comparer A et B et c'est seulement si A=B qu'il prend en compte ses entrées.

   Il faut donc "injecter" la sortie du comparateur des poids faibles dans les sorties des poids forts.

   Ainsi, c'est seulement si les poids forts sont égaux que l'on prend en compte les poids faibles.

   Pour réaliser le comparateur 8 Bits, nous utilisons deux comparateurs 4 Bits du type 74LS85.

   

   Après câblage des différents modules : horloge, compteur et comparateur, nous recueillons en sortie du deuxième comparateur la MLI.

   En modifiant le code binaire 8 bits de l'entrée B du comparateur, à l'aide du DIL, nous modifions le rapport cyclique du MLI tout en aillant la même fréquence, maintenue par l'horloge.

   Le signal est de cette forme :

   

   Nous nous proposons de placer un montage en sortie du circuit qui permettra de faire un filtre passe-bas.

   

   Nous voulons obtenir une fréquence de coupure de 100Hz.     fC =

   Nous prenons C = 100nF     donc R =

   =

   = 15 KW

   Tension de sortie en fonction du rapport cyclique

   256a	0	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200	220	240	255
   VS	0	0,39	0,79	1,19	1,59	1,99	2,39	2,79	3,18	3,58	3,98	4,38	4,78	5,05

   On obtient, en sortie du filtre, un signal quasiment continue de valeur moyenne :

   
   
   
   

   BILAN

   Les essais effectués au fur et à mesure de la progression du montage nous ont été d'une grande utilité. Ils nous ont permis de déceler nombre d'erreurs de câblage plus facilement repérable lorsqu'il y a moins de composants.

   La plupart des problèmes rencontrés proviennent de la fréquence élevée désirée, et donc de la capacité à gé nérer une horloge adéquate et des temps de propagation des composants.

   Finalement, nous avons réussit à générer le signal attendu, même s'il sature en haute fréquence, ce qui est du au circuit interne des composants.