Modulação por largura de pulso

A modulação por largura de pulso (PWM) usa sinais digitais para controlar aplicações de energia, além de ser bastante fácil de converter de volta para analógico com um mínimo de hardware.

Sistemas analógicos, como fontes de alimentação lineares, tendem a gerar muito calor, pois são basicamente resistores variáveis ​​que transportam muita corrente. Os sistemas digitais geralmente não geram tanto calor. Quase todo o calor gerado por um dispositivo de comutação é durante a transição (o que é feito rapidamente), enquanto o dispositivo não está nem ligado nem desligado, mas no meio. Isso ocorre porque o poder segue a seguinte fórmula:

P =E I, ou Watts =Tensão X Corrente

Se a tensão ou a corrente estiverem próximas de zero, a potência será próxima de zero. O PWM tira total proveito desse fato.

O PWM pode ter muitas das características de um sistema de controle analógico, em que o sinal digital pode girar livremente. O PWM não precisa capturar dados, embora haja exceções a isso com controladores de ponta.

Ciclo de trabalho

Um dos parâmetros de qualquer onda quadrada é o ciclo de trabalho. A maioria das ondas quadradas tem 50%, esta é a norma ao discuti-las, mas elas não precisam ser simétricas. O tempo de LIGADO pode ser variado completamente entre o sinal estar desligado e totalmente ligado, 0% a 100% e todos os intervalos entre eles.

Abaixo são mostrados exemplos de um ciclo de trabalho de 10%, 50% e 90%. Embora a frequência seja a mesma para cada um, isso não é um requisito.



A razão pela qual o PWM é popular é simples. Muitas cargas, como resistores, integram a potência em um número que corresponde à porcentagem. A conversão em seu valor equivalente analógico é direta. Os LEDs são muito não lineares em sua resposta à corrente, fornecem a um LED a metade de sua corrente nominal e você ainda obtém mais da metade da luz que o LED pode produzir. Com o PWM, o nível de luz produzido pelo LED é muito linear. Os motores, que serão abordados mais tarde, também respondem muito bem ao PWM.

Uma das várias maneiras pelas quais o PWM pode ser produzido é usando uma forma de onda dente de serra e um comparador. Conforme mostrado abaixo, o dente de serra (ou onda triangular) não precisa ser simétrico, mas a linearidade da forma de onda é importante. A frequência da forma de onda dente de serra é a taxa de amostragem do sinal.



Se não houver nenhum cálculo envolvido, o PWM pode ser rápido. O fator limitante é a resposta de frequência do comparador. Isso pode não ser um problema, pois alguns dos usos são de velocidade razoavelmente baixa. Alguns microcontroladores têm PWM integrado e podem gravar ou criar sinais sob demanda.

Os usos do PWM variam amplamente. É o coração dos amplificadores de áudio Classe D, ao aumentar as voltagens você aumenta a saída máxima e ao selecionar uma frequência além da audição humana (normalmente 44Khz) o PWM pode ser usado. Os alto-falantes não respondem à alta frequência, mas duplicam a baixa frequência, que é o sinal de áudio. Taxas de amostragem mais altas podem ser usadas para uma fidelidade ainda melhor, e 100 kHz ou muito mais alto não é algo inédito.



Outra aplicação popular é o controle de velocidade do motor. Os motores como uma classe requerem correntes muito altas para operar. Poder variar sua velocidade com o PWM aumenta um pouco a eficiência do sistema total. O PWM é mais eficaz no controle das velocidades do motor em baixas RPM do que os métodos lineares.

Pontes H

O PWM é freqüentemente usado em conjunto com um H-Bridge. Essa configuração tem esse nome porque se assemelha à letra H e permite que a tensão efetiva na carga seja duplicada, pois a fonte de alimentação pode ser comutada em ambos os lados da carga. No caso de cargas indutivas, como motores, diodos são usados ​​para suprimir picos indutivos, que podem danificar os transistores. A indutância em um motor também tende a rejeitar o componente de alta frequência da forma de onda. Esta configuração também pode ser usada com alto-falantes para amplificadores de áudio Classe D.

Embora seja basicamente preciso, este esquema de uma ponte H tem uma falha séria, é possível durante a transição entre os MOSFETs que ambos os transistores na parte superior e inferior estarão ligados simultaneamente, e levarão todo o impacto do que a fonte de alimentação pode fornecer. Esta condição é conhecida como tiro direto e pode acontecer com qualquer tipo de transistor usado em uma H-Bridge. Se a fonte de alimentação for potente o suficiente, os transistores não sobreviverão. Ele é controlado por meio de drivers na frente dos transistores que permitem que um desligue antes de permitir que o outro ligue.

Fontes de alimentação do modo de comutação

As fontes de alimentação comutadas (SMPS) também podem usar PWM, embora também existam outros métodos. Adicionar topologias que usam a energia armazenada em indutores e capacitores após os principais componentes de chaveamento pode aumentar a eficiência desses dispositivos, ultrapassando 90% em alguns casos. Abaixo está um exemplo de tal configuração.



A eficiência, neste caso, é medida em watts. Se você tiver um SMPS com 90% de eficiência e ele converte 12 VCC em 5 VCC a 10 Amps, o lado de 12 V estará puxando aproximadamente 4,6 Amps. Os 10% (5 watts) não contabilizados aparecerão como calor residual. Embora seja um pouco mais barulhento, este tipo de regulador funcionará muito mais frio do que sua contraparte linear.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Projeto de design:planilha do gerador de sinal de modulação por largura de pulso (PWM)
• 
  Planilha de modulação de sinal