Entendiendo Sensores PWM: Funcionalidad y Guía de Pruebas

Un número creciente de sistemas industriales están reemplazando señales analógicas tradicionales con modulación por ancho de pulso limpia y resistente al ruido.

Debido a que la salida PWM se enciende y apaga en lugar de mantener un nivel analógico constante, resulta en menor consumo de energía y menos producción de calor. Explicaremos las operaciones ENCENDIDO y APAGADO más adelante en el artículo.

Los sensores de Modulación por Ancho de Pulso (PWM) están ahora en todas partes. En este artículo, explicaremos en detalle cómo una señal de sensor PWM puede representar una variable de proceso, y le mostraremos cómo probarlo con su confiable multímetro digital.

Los sensores PWM se usan en diversas aplicaciones. Por ejemplo, miden posición y desplazamiento, presión y fuerza, monitorean velocidad y RPM, entre otras funciones.

Sensores Analógicos y PWM

Comencemos identificando dos sensores analógicos que están siendo reemplazados por sensores PWM.

Potenciómetros

Los potenciómetros fueron una vez la opción preferida para muchas aplicaciones de medición de posición.

También eran comunes en joysticks, palancas y pedales.

¿Por qué están siendo reemplazados por dispositivos PWM? Un potenciómetro tiene un limpiador metálico que frota contra un material resistivo para crear una resistencia variable. Con el tiempo, se ensucian y se desgastan. Limpiarlos es casi imposible, por lo que a menudo se reemplazan.

Sin embargo, no han desaparecido por completo y probablemente estarán por un tiempo considerable.

Codificadores de eje

Bien, ¿qué hay de los codificadores de eje? Los codificadores ópticos se han usado durante décadas para determinar la posición del eje. Hay codificadores absolutos PWM que ofrecen mejor resistencia al polvo, aceite, vibración y golpes; no dependen de una fuente de luz LED y disco de código para generar una señal de salida.

Cómo funcionan los sensores PWM

Ok, ahora que hemos discutido dónde podría encontrar sensores PWM y por qué, pasemos a explicar cómo funcionan.

En términos simples, PWM implica ajustar el ciclo de trabajo de una forma de onda digital de frecuencia constante. Con un sensor PWM, los cambios en el ciclo de trabajo reflejan variaciones en un parámetro físico, como rotación, posición o presión.

Ciclo de trabajo y frecuencia

Entonces, ¿qué es el ciclo de trabajo? Comencemos discutiendo la frecuencia.

En América del Norte, todos estamos familiarizados con la frecuencia de 60 Hz de un voltaje de línea AC.

En un osciloscopio, el voltaje de línea AC se muestra como una onda sinusoidal que se repite a 60 ciclos por segundo.

Usando matemáticas simples, podemos determinar que el tiempo para completar un ciclo, llamado el Período, es 16.67 milisegundos. ¿Cómo obtuvimos eso? El Período es el inverso de la frecuencia.

P es el período de un ciclo.

Tipos de forma de onda

No todas las formas de onda repetitivas son sinusoidales o alternan en polaridad como el voltaje de línea. Hay formas de onda de sierra y cuadradas, por nombrar algunas.

PWM es una forma de onda repetitiva donde cada semi-ciclo puede variar en duración.

Cada ciclo de la forma de onda tiene un tiempo cuando el voltaje está ENCENDIDO y otro cuando está APAGADO.

El ciclo de trabajo es la proporción de tiempo ENCENDIDO al período, o la duración de un ciclo. El ciclo de trabajo se expresa como un porcentaje.

Ejemplo de sensor PWM

Veamos un ejemplo.

Tenemos un sensor PWM con un período de 2 segundos y un tiempo ENCENDIDO de 0.5 segundos. El ciclo de trabajo es la razón del tiempo ENCENDIDO al período total. En este ejemplo, eso es 0.5 segundos dividido por 2 segundos. Recuerde, expresamos el ciclo de trabajo como porcentaje, así que es 25%.

El dispositivo Megatron HTP36 series es un Codificador Absoluto de una vuelta con salida PWM.

Opera a una frecuencia de 244 Hz. El ciclo de trabajo varía del 10% al 90%, lo que corresponde a una rotación de 0 a 360 grados. Con un voltaje de suministro de 5V DC, podemos asumir que el pulso de voltaje de tiempo ENCENDIDO es 5V DC.

¿Por qué el ciclo de trabajo varía del 10% al 90%? Este rango es común para sensores PWM, aunque del 5% al 95% también es típico. El rango completo del 0% al 100% no se usa para propósitos de diagnóstico. Una señal por debajo del 10% o por encima del 90% indica una condición de falla potencial.

Observando una señal PWM con un osciloscopio

Examinemos la forma de onda que observaríamos en un osciloscopio portátil Fluke 190, alimentado por batería, conectado a la salida de este codificador.

A una rotación de 0 grados, observamos un ciclo de trabajo del 10%. El período de la forma de onda es 4.0 milisegundos, y el tiempo ENCENDIDO es 0.4 milisegundos.

A una rotación de 360 grados, observamos un ciclo de trabajo del 90%. Como de costumbre, el período de la forma de onda es 4.0 milisegundos. El tiempo ENCENDIDO es 3.6 milisegundos.

Vale la pena notar aquí que la especificación establece un ciclo de trabajo máximo del 90%, que es aproximadamente 3.5 ms.

¿Por qué la diferencia? Esencialmente, esta es una práctica estándar en hojas de datos. El fabricante redondea valores para simplicidad.

Midiendo señales PWM con un multímetro digital

Bueno, es genial si usted o su empresa pueden pagar un osciloscopio portátil costoso, pero no muchos pueden.

Todo lo que realmente necesita es un DMM (multímetro digital) con un par de opciones especiales, como el Fluke 87V, que puede medir frecuencia y ciclo de trabajo.

Un sensor PWM es un dispositivo activo, a diferencia de un potenciómetro, que es pasivo. Necesita energía para operar. No hay pruebas de óhmetro que pueda realizar para determinar si es servicio.

Este DMM particular tiene un botón etiquetado Hz con un signo de porcentaje %.

Este botón le permite medir frecuencia en hercios y ciclo de trabajo como porcentaje con un solo toque.

Para medir frecuencia, conecte las puntas a los terminales VAC del DMM y establezca el selector en voltios AC. Conecte las puntas como lo hizo con el osciloscopio. Presione el botón Hz una vez, y la pantalla mostrará la frecuencia en hercios.

Recuerde, la frecuencia PWM permanece constante; por lo tanto, la lectura no debe cambiar al rotar el codificador.

Para medir el ciclo de trabajo, mantenga las mismas puntas conectadas. Presione el botón Hz de nuevo, y la pantalla ahora mostrará el ciclo de trabajo como porcentaje. Verá el valor del ciclo de trabajo cambiar del 10% al 90% al rotar el codificador de 0 a 360 grados.

Será obvio si el sensor está muerto, cuestionable o inestable por las lecturas del DMM.

Prueba de sensores PWM usando voltaje DC

Si su DMM no tiene la opción de medir frecuencia o ciclo de trabajo, no todo está perdido. Aún puede obtener una idea aproximada de la operación de un sensor PWM configurando el medidor para medir voltios DC. En este modo, el DMM muestra el promedio de la forma de onda pulsada.

A medida que el ciclo de trabajo varía con la rotación del codificador, el voltaje DC promedio también cambia. Cuando el ciclo de trabajo aumenta, el voltaje DC medido sube en consecuencia.

No podrá determinar el ciclo de trabajo con este método. Sin embargo, si el voltaje DC permanece inalterado mientras el codificador rota, el sensor PWM debería considerarse sospechoso.

Resumen

Los sensores PWM son sorprendentemente fáciles de probar en campo con un multímetro digital, siempre que entienda el ciclo de trabajo y la frecuencia.

18 de marzo de 2026