Modulación de ancho de pulso

PWM o PWM (Pulse Width Modulation) es una forma de controlar la fuente de alimentación de una carga. El control consiste en cambiar la duración del pulso a una tasa de repetición de pulso constante. La modulación de ancho de pulso está disponible en analógico, digital, binario y ternario.

El uso de la modulación por ancho de pulso permite aumentar la eficiencia de los convertidores eléctricos, especialmente de los convertidores de pulso, que hoy en día forman la base de fuentes de alimentación secundarias para varios dispositivos electrónicos. Flyback y forward single, push-pull y half-bridge, así como los convertidores de conmutación de puente se controlan hoy en día con la participación de PWM, esto también se aplica a los convertidores resonantes.

La modulación de ancho de pulso le permite ajustar el brillo de la luz de fondo de las pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. PWM se implementa en máquinas de soldar, en inversores de automóviles, en cargadores, etc. Cada cargador hoy en día utiliza PWM en su funcionamiento.

Los transistores bipolares y de efecto de campo de modo clave se utilizan como elementos de conmutación en los convertidores de alta frecuencia modernos. Esto significa que parte del período el transistor está completamente abierto y parte del período está completamente cerrado.

Y dado que en estados transitorios que duran solo decenas de nanosegundos, la potencia liberada por el interruptor es pequeña en comparación con la potencia conmutada, como resultado, la potencia promedio liberada en forma de calor en el interruptor resulta ser insignificante. En este caso, en el estado cerrado, la resistencia del transistor como interruptor es muy pequeña y la caída de voltaje a través de él se aproxima a cero.

En estado abierto, la conductividad del transistor es cercana a cero y la corriente prácticamente no fluye a través de él. Esto hace posible crear convertidores compactos con alta eficiencia, es decir, con bajas pérdidas de calor. Los convertidores resonantes ZCS (Zero Current Switching) minimizan estas pérdidas.

En los generadores PWM de tipo analógico, la señal de control es generada por un comparador analógico cuando, por ejemplo, se aplica una señal de triángulo o triodo a la entrada inversora del comparador y una señal continua de modulación se aplica a la entrada no inversora.

Se reciben pulsos de salida rectangular, su tasa de repetición es igual a la frecuencia de la sierra (o forma de onda triangular), y la duración de la parte positiva del pulso está relacionada con el tiempo durante el cual el nivel de la señal DC moduladora aplicada a la entrada no inversora de el comparador es más alto que el nivel de la señal de la sierra que se alimenta a la entrada inversora.Cuando el voltaje de la sierra es más alto que la señal de modulación, la salida será la parte negativa del pulso.

Si la sierra se aplica a la entrada no inversora del comparador y la señal moduladora se aplica a la inversora, entonces los pulsos de salida de onda cuadrada tendrán un valor positivo cuando el voltaje de la sierra sea mayor que el valor de la señal moduladora. aplicado a la entrada inversora, y negativo, cuando el voltaje de la sierra es más bajo que la señal de modulación. Un ejemplo de generación de PWM analógico es el chip TL494, que se usa ampliamente en la actualidad en la construcción de fuentes de alimentación conmutadas.

PWM digital se utiliza en la tecnología digital binaria. Los pulsos de salida también toman solo uno de dos valores (encendido o apagado), y el nivel de salida promedio se acerca al deseado.Aquí, la señal de diente de sierra se obtiene usando un contador de N bits.

Los dispositivos digitales PWM también operan a una frecuencia constante, excediendo necesariamente el tiempo de respuesta del dispositivo controlado, este enfoque se denomina sobremuestreo. Entre los bordes del reloj, la salida PWM digital permanece estable, alta o baja, dependiendo del estado actual de la salida del comparador digital, que compara los niveles de la señal del contador y la digital aproximada.

La salida se cronometra como una secuencia de pulsos con estados 1 y 0, cada estado del reloj puede o no invertirse. La frecuencia de los pulsos es proporcional al nivel de la señal que se aproxima, y ​​las unidades sucesivas pueden formar un pulso más amplio y más largo.

Los pulsos de ancho variable resultantes serán múltiplos del período del reloj, y la frecuencia será igual a 1/2NT, donde T es el período del reloj, N es el número de ciclos del reloj. Aquí se puede lograr una frecuencia más baja en términos de frecuencia de reloj. El esquema de generación digital descrito es PWM de uno o dos niveles, modulación PCM codificada por pulsos.

Esta modulación codificada por pulsos de dos etapas es esencialmente una secuencia de pulsos con una frecuencia de 1/T y un ancho de T o 0. El sobremuestreo se usa para promediar durante un período de tiempo más largo. El PWM de alta calidad se logra mediante la modulación de pulso denso de un solo bit, también llamada modulación de frecuencia de pulso.

En la modulación de ancho de pulso digital, los subpulsos rectangulares que llenan el período pueden aparecer en cualquier parte del período, y solo su número afecta el valor promedio de la señal para el período. Entonces, si dividimos el período en 8 partes, entonces las combinaciones de pulsos 11001100, 11110000, 11000101, 10101010, etc. dará el mismo período promedio, pero las unidades individuales hacen que el ciclo de trabajo del transistor clave sea más pesado.

Las luminarias de la electrónica, hablando de PWM, dan una analogía similar a la mecánica. Si gira un volante pesado con el motor después de que el motor se pueda encender o apagar, el volante girará y continuará girando o se detendrá debido a la fricción cuando el motor esté apagado.

Pero si el motor se enciende durante unos segundos por minuto, la rotación del volante se mantendrá debido a la inercia a una cierta velocidad. Y cuanto más tiempo esté encendido el motor, mayor será la velocidad de rotación del volante.Entonces, con PWM, una señal de encendido y apagado (0 y 1) llega a la salida y el resultado es un valor promedio. Al integrar el voltaje de los pulsos con el tiempo, obtenemos el área debajo de los pulsos, y el efecto en el cuerpo de trabajo será idéntico al trabajo con un valor promedio del voltaje.

Así funcionan los convertidores, donde la conmutación se produce miles de veces por segundo y las frecuencias alcanzan unidades de megahercios. Los controladores PWM especiales se utilizan ampliamente para controlar los balastos de lámparas de bajo consumo, fuentes de alimentación, convertidores de frecuencia para motores etc.

La relación entre la duración total del período del pulso y el tiempo de activación (parte positiva del pulso) se denomina ciclo de trabajo. Entonces, si el tiempo de encendido es de 10 μs y el período dura 100 μs, entonces a una frecuencia de 10 kHz, el ciclo de trabajo será 10 y escriben que S = 10. El ciclo de trabajo inverso se llama el ciclo de trabajo ciclo, en inglés Duty Cycle o DC para abreviar.

Entonces, para el ejemplo dado, DC = 0.1 ya que 10/100 = 0.1. Con la modulación de ancho de pulso, al ajustar el ciclo de trabajo del pulso, es decir, al cambiar la corriente continua, se logra el valor promedio requerido en la salida de un dispositivo electrónico u otro dispositivo eléctrico, como un motor.