Controlador de Potencia PWM: Construye un Driver de Lámpara con Modulación por Ancho de Pulso

Partes y Materiales

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Capacitor electrolítico de 100 µF, 35 WVDC (ej. Radio Shack #272‑1028)
• Capacitor no polarizado de 0.1 µF (Radio Shack #272‑135)
• IC temporizador 555 (Radio Shack #276‑1723)
• Amplificador operacional dual, 1458 (Radio Shack #276‑038)
• Transistor de potencia NPN (Radio Shack #276‑2041 o equivalente)
• Tres diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack #276‑1101)
• Potenciómetro lineal de 10 kΩ (Radio Shack #271‑1715)
• Resistencia de 33 kΩ
• Lámpara trasera automotriz de 12 voltios
• Detector de audio con auriculares

Referencias Cruzadas

• Lessons In Electric Circuits, Vol. 3, Cap. 8: "Amplificadores Operacionales"
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 2, Cap. 7: "Señales AC de Frecuencia Mixta"

Objetivos de Aprendizaje

• Demostrar el temporizador 555 como multivibrador astable
• Usar un op-amp como comparador
• Emplear diodos para eliminar voltaje DC no deseado
• Controlar potencia a una carga mediante modulación por ancho de pulso (PWM)

Diagrama Esquemático

Ilustración

Instrucciones

Este circuito usa un temporizador 555 para generar un voltaje de diente de sierra a través de un capacitor. El voltaje del capacitor se compara con un voltaje de referencia de un potenciómetro por un comparador op-amp. La salida de onda cuadrada del comparador, cuyo ciclo de trabajo varía con el potenciómetro, impulsa la base de un transistor de potencia. El transistor conmuta la lámpara de 12 V encendida y apagada rápidamente, por lo que la potencia promedio de la lámpara es proporcional al ciclo de trabajo.

El concepto PWM se basa en la baja disipación de potencia del transistor cuando está cortado (sin corriente) y cuando está saturado (caída de voltaje mínima). Comparado con un reostato, el PWM logra control de potencia preciso y energéticamente eficiente.

Para observar las relaciones de forma de onda sin un osciloscopio de triple traza, reemplaza el capacitor de 0.1 µF con uno de 100 µF. Esto ralentiza la frecuencia del 555 aproximadamente en un factor de 1,000, permitiendo que un voltímetro DC rastree el aumento del capacitor y la transición del op-amp. La lámpara entonces se encenderá y apagará visiblemente a una tasa lenta; esto demuestra el mecanismo PWM subyacente.

Dos op-amps idénticos están cableados en paralelo para proporcionar la corriente necesaria en la base del transistor. La serie 1458 ofrece protección contra cortocircuito, previniendo daños si un amplificador comienza a impulsar alto mientras el otro impulsa bajo. Tres diodos de silicio en serie caen ~2.1 V, asegurando que el transistor se apague completamente cuando la salida del op-amp está en bajo, ya que el 1458 no puede llegar exactamente a tierra.

Escuchar la salida del op-amp a través de auriculares mientras ajustas el potenciómetro revela cómo el ciclo de trabajo moldea el contenido armónico. Al 50 % de ciclo de trabajo, la forma de onda es una onda cuadrada perfecta con solo armónicos impares, produciendo una calidad tonal distinta. Desviarse del 50 % introduce armónicos pares, alterando sutilmente el sonido.

Hoja de Trabajo Relacionada

• Hoja de Trabajo de Modulación de Señal