Modulación de ancho de pulso

La modulación de ancho de pulso (PWM) utiliza señales digitales para controlar las aplicaciones de energía, además de ser bastante fácil de convertir de nuevo a analógico con un mínimo de hardware.

Los sistemas analógicos, como las fuentes de alimentación lineales, tienden a generar mucho calor, ya que son básicamente resistencias variables que transportan mucha corriente. Los sistemas digitales generalmente no generan tanto calor. Casi todo el calor generado por un dispositivo de conmutación se produce durante la transición (que se realiza rápidamente), mientras que el dispositivo no está encendido ni apagado, sino en el medio. Esto se debe a que el poder sigue la siguiente fórmula:

P =E I, o Watts =Voltaje X Corriente

Si el voltaje o la corriente están cerca de cero, la potencia estará cerca de cero. PWM aprovecha al máximo este hecho.

PWM puede tener muchas de las características de un sistema de control analógico, ya que la señal digital puede circular libremente. PWM no tiene que capturar datos, aunque hay excepciones a esto con controladores de gama alta.

Ciclo de trabajo

Uno de los parámetros de cualquier onda cuadrada es el ciclo de trabajo. La mayoría de las ondas cuadradas son del 50%, esta es la norma cuando se habla de ellas, pero no tienen que ser simétricas. El tiempo de ENCENDIDO se puede variar completamente entre la señal apagada y completamente encendida, 0% a 100%, y todos los rangos intermedios.

A continuación se muestran ejemplos de un ciclo de trabajo del 10%, 50% y 90%. Si bien la frecuencia es la misma para cada uno, esto no es un requisito.

La razón por la que PWM es popular es simple. Muchas cargas, como resistencias, integran la potencia en un número que coincide con el porcentaje. La conversión a su valor equivalente analógico es sencilla. Los LED son muy no lineales en su respuesta a la corriente, le dan a un LED la mitad de su corriente nominal y aún obtiene más de la mitad de la luz que el LED puede producir. Con PWM, el nivel de luz producido por el LED es muy lineal. Los motores, que se tratarán más adelante, también responden mucho a PWM.

Una de las diversas formas en que se puede producir PWM es utilizando una forma de onda de diente de sierra y un comparador. Como se muestra a continuación, el diente de sierra (u onda triangular) no necesita ser simétrico, pero la linealidad de la forma de onda es importante. La frecuencia de la forma de onda de diente de sierra es la frecuencia de muestreo de la señal.

Si no hay ningún cálculo involucrado, PWM puede ser rápido. El factor limitante es la respuesta de frecuencia de los comparadores. Puede que esto no sea un problema, ya que algunos de los usos son de velocidad relativamente baja. Algunos microcontroladores tienen PWM integrado y pueden grabar o crear señales bajo demanda.

Los usos de PWM varían ampliamente. Es el corazón de los amplificadores de audio de Clase D, al aumentar los voltajes aumenta la salida máxima y al seleccionar una frecuencia más allá del oído humano (generalmente 44Khz) se puede usar PWM. Los altavoces no responden a la alta frecuencia, sino que duplican la baja frecuencia, que es la señal de audio. Se pueden usar velocidades de muestreo más altas para una fidelidad aún mejor, y 100Khz o mucho más no es algo inaudito.

Otra aplicación popular es el control de velocidad del motor. Los motores como clase requieren corrientes muy altas para funcionar. Poder variar su velocidad con PWM aumenta bastante la eficiencia del sistema total. PWM es más eficaz para controlar las velocidades del motor a bajas RPM que los métodos lineales.

Puentes en H

PWM se usa a menudo junto con un H-Bridge. Esta configuración se llama así porque se parece a la letra H y permite duplicar el voltaje efectivo a través de la carga, ya que la fuente de alimentación se puede conmutar a ambos lados de la carga. En el caso de cargas inductivas, como motores, se utilizan diodos para suprimir picos inductivos, que pueden dañar los transistores. La inductancia en un motor también tiende a rechazar el componente de alta frecuencia de la forma de onda. Esta configuración también se puede utilizar con altavoces para amplificadores de audio de Clase D.

Si bien es básicamente preciso, este esquema de un puente en H tiene un defecto grave, es posible durante la transición entre los MOSFET que ambos transistores en la parte superior e inferior estén encendidos simultáneamente y se lleven todo el peso de lo que la fuente de alimentación puede proporcionar. Esta condición se conoce como disparar y puede suceder con cualquier tipo de transistor utilizado en un H-Bridge. Si la fuente de alimentación es lo suficientemente potente, los transistores no sobrevivirán. Se maneja mediante el uso de controladores frente a los transistores que permiten que uno se apague antes de permitir que el otro se encienda.

Fuentes de alimentación conmutadas

Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) también pueden utilizar PWM, aunque también existen otros métodos. Agregar topologías que usan la energía almacenada tanto en inductores como en capacitores después de los componentes de conmutación principales puede aumentar la eficiencia de estos dispositivos bastante alto, superando el 90% en algunos casos. A continuación se muestra un ejemplo de dicha configuración.

La eficiencia, en este caso, se mide como potencia. Si tiene un SMPS con una eficiencia del 90% y convierte 12 V CC a 5 V CC a 10 amperios, el lado de 12 V extraerá aproximadamente 4,6 amperios. El 10% (5 vatios) no contabilizado se mostrará como calor residual. Aunque es un poco más ruidoso, este tipo de regulador funcionará mucho más frío que su homólogo lineal.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

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