Diseño de circuito PWM fiable para control preciso de velocidad de motor DC

Hay varias formas de controlar la velocidad de motores DC. Sin embargo, una de las más preferidas y simples es usar un circuito de Modulación por Ancho de Pulso (PWM). El PWM es una técnica usada desde hace tiempo para cargas inerciales. Su uso en control de drivers de motor trae varias ventajas.

Quizás la más significativa: como el transistor está totalment «OFF» o «ON», la pérdida de potencia en el conductor de conmutación permanece pequeña. Este artículo explica cómo diseñar un circuito PWM, discutiendo temas importantes como cortar eficazmente señales eléctricas en partes discretas para reducir la potencia en transmisión de señales electrónicas.

Introducción profesional a circuitos PWM

Modulación por Ancho de Pulso (PWM) describe un tipo de señal digital. PWM se usa en muchas aplicaciones: circuitos de control sofisticados. Un uso estándar es controlar atenuación de LEDs y dirección de servomotores.

El circuito PWM reduce la potencia media durante transmisión de señales eléctricas, separándolas en partes discretas o muestras. Ventajas y usos en telecomunicaciones, regulación de tensión, control de servomotores, circuitos digitales, control de velocidad de motor, etc.

Los circuitos PWM son opción preferida por no hacer mucho ruido en operación. A diferencia de señales analógicas que emiten sonido, los circuitos PWM son inmunes al ruido y altamente eficientes. Además, son económicos y no requieren mucho espacio. No son difíciles ni tediosos de construir. Los componentes necesarios son fáciles de montar.

Los pasos para fabricar/producir circuitos PWM son muy cómodos, a diferencia de otros diseños. Los circuitos PWM se convierten fácilmente a analógicos con hardware mínimo.

Ciclo de trabajo (Duty Cycle), Frecuencia y Ancho de Pulso en circuito PWM

Ciclo de trabajo

Como se dijo, una señal PWM permanece ON un tiempo específico y luego OFF el resto. Opera en base «ON» y «OFF». Un aspecto que hace la señal PWM más útil y única: puede configurarse para permanecer ON un tiempo concreto controlando el ciclo de trabajo. El porcentaje o ratio de tiempo que la señal PWM permanece ON (HIGH) se conoce como ciclo de trabajo (duty cycle).

Si la señal permanece ON → 100 % duty cycle. Si siempre OFF → 0 % duty cycle. Fórmula:

Duty Cycle = Tiempo ON / (Tiempo ON + Tiempo OFF)

Frecuencia de PWM

La frecuencia determina la rapidez con que un PWM completa un período. Un Período es un ciclo completo ON y OFF de señal PWM. Normalmente, señales PWM que generan muchos microcontroladores son ~500 Hz. Tales frecuencias se usan en componentes de conmutación rápida como convertidores e inversores.

Pero no todas las aplicaciones necesitan alta frecuencia. Para controlar un servomotor, necesitas señales PWM de ~50 Hz. En términos simples: la frecuencia decide qué tan rápido la señal PWM se enciende y apaga.

Ancho de pulso en circuito PWM

Un circuito PWM consta de Ancho de Pulso (PW). Por definición, es el tiempo transcurrido entre flanco de subida (high) y bajada (low) de un pulso individual. El ancho de pulso es la duración de otra señal, usualmente portadora, usada en transmisión. Para mediciones precisas y repetibles, se usa el 50 % del nivel de potencia como punto de referencia.

Cómo construir un circuito PWM

Construir un circuito PWM no es difícil. Materiales necesarios:

• Papel brillante (Glossy Paper)
• Placa cobreada (Copper clad board)
• Acetona
• Cloruro férrico (Ferric Chloride)
• Impresora LÁSER
• Tijeras
• Rotulador
• Recipiente plástico
• Lija
• Guantes de seguridad
• Sierra
• Guantes de látex

Paso 1: Diseñar el circuito

Empieza diseñando el diagrama esquemático en software de diseño PCB. Puedes usar KiCad, Express PCB, DipTrace, NI Multisim, Altium Designer. EAGLE PCB Design Software es la mejor opción.

Paso 2: Diseñar el layout PCB

Tras completar el esquema, desarrolla el layout PCB, preferiblemente con Eagle EDA tool. Al terminar, imprime el layout en papel brillante. Aquí, usa solo impresora LÁSER. Componentes necesarios:

• Header (2,54 mm)
• PCB: FR4 Fibra de vidrio
• Bloque terminal de tornillo
• Condensador – 0,1 uF (104)
• Resistencias
• 1N5403 – Diodo (3 A)
• TLP250 – Driver de gate
• IRFP460 – MOSFET de potencia

Paso 3: Proceso de soldadura

Para驱动 el MOSFET de potencia, usa un driver de gate IC. El TLP250 IC es adecuado para circuito driver de gate de IGBT y MOSFET de potencia. Puedes usar el controlador PWM para controlar niveles de brillo de un LED o como driver LED. El controlador PWM también funciona como dimmer PWM.

Paso 4: Cálculo de disipación de potencia del MOSFET

Cuarto paso: cálculo de disipación de potencia. Fórmula:

P = R × I²

P = Rds(ON) × I²

Donde:

• P = Potencia
• I = Corriente
• Rds(ON) = Resistencia Drain-Source en estado ON

Paso 5: Disipación máxima de potencia sin disipador

Quinto paso: cálculo de disipación máxima sin heatsink. La disipación se calcula tomando la temperatura de unión y restando la ambiente, dividiendo por la resistencia térmica unión-ambiente máxima.

Pd = (Tj(max) – TA) / RθJA

Paso 6: Interfaz del driver PWM

Paso final para tener tu circuito PWM. Para interconectar/completar tu driver PWM necesitas: cables puente, driver PWM, placa Arduino UNO, motor DC, fuente conmutada (SMPS) y potenciómetro 10k.

Aspectos a tener en cuenta

El diseño de circuito PWM puede resultar arduo si no sigues instrucciones cuidadosamente. En la realidad, las cosas pueden diferir un poco de libros o internet. Para estar seguro, ten en cuenta varios puntos. Por ejemplo, asegura tener todos los materiales.

También sigue todos los pasos desde el principio al final como se indica. Factores de seguridad: trabaja en entorno limpio y seguro. Familiarízate con cálculos: disipación de potencia, vatios de resistencia, uso de microcontroladores, etc.

Áreas de aplicación

Los circuitos PWM se usan en gran variedad de aplicaciones. Ejemplos donde encuentran uso controladores PWM:

• Control de velocidad de motores DC
• Control de brillo de tiras LED y luces LED
• Generación de tonos
• Calentadores DC
• Componentes alimentados por DC

¿Quieres configurar un controlador PWM? Contáctanos

Configurar un controlador PWM puede ser difícil. La mayoría lo encuentra complicado. ¿Te cuesta? No te preocupes. En WellPCB te asistimos. No sufras en silencio cuando podemos ayudar. Entendemos cada aspecto de controladores PWM. Configuramos todo por ti mientras tú descansas. Según tu uso, ajustamos la carga, conectamos todo el cableado evitando cortos, y calculamos la disipación máxima de potencia para tu controlador PWM.

Conclusión

Como se señaló, controlar velocidad de motores DC es posible de muchas formas. Sin embargo, el uso de Modulación por Ancho de Pulso es el método mejor y más confiable. Hay muchas ventajas asociadas al PWM en control de velocidad de motores DC: pequeña pérdida de potencia y tensión de motor constante. Construir un motor PWM puede ser frustrante si no sigues todas las instrucciones. Si te cuesta desarrollar y configurar un controlador PWM, contáctanos para asistencia. Somos los mejores diseñadores PWM profesionales con décadas de experiencia y profesionalidad.