Modulación de ancho de pulso (PWM)

Modulación de ancho de pulso (PWM)

Uso de PWM como técnica de conmutación

La modulación de ancho de pulso (PWM) es una técnica de uso común para controlar en general la alimentación de CC a un dispositivo eléctrico, que se hace práctica con los interruptores de alimentación electrónicos modernos. Sin embargo, también encuentra su lugar en los helicópteros AC. El valor medio de la corriente suministrada a la carga se controla mediante la posición del interruptor y la duración de su estado. Si el período de encendido del interruptor es más largo en comparación con su período de apagado, la carga recibe una potencia comparativamente mayor. Por tanto, la frecuencia de conmutación PWM tiene que ser más rápida.



Normalmente, la conmutación debe realizarse varias veces por minuto en una estufa eléctrica, 120 Hz en un atenuador de lámpara, desde unos pocos kilohercios (kHz) hasta decenas de kHz para un motor. La frecuencia de conmutación de los amplificadores de audio y las fuentes de alimentación de las computadoras es de entre diez y cientos de kHz. La relación entre el tiempo de ENCENDIDO y el período de tiempo del pulso se conoce como ciclo de trabajo. Si el ciclo de trabajo es bajo, implica poca potencia.






La pérdida de energía en el dispositivo de conmutación es muy baja, debido a una cantidad casi insignificante de corriente que fluye en el estado apagado del dispositivo y una cantidad insignificante de caída de voltaje en su estado APAGADO. Los controles digitales también utilizan la técnica PWM. PWM también se ha utilizado en ciertos sistemas de comunicación donde su ciclo de trabajo se ha utilizado para transmitir información a través de un canal de comunicaciones.

Ciclo de trabajo de onda cuadrada



PWM se puede utilizar para ajustar la cantidad total de energía entregada a una carga sin pérdidas que normalmente se producen cuando una transferencia de energía está limitada por medios resistivos. Los inconvenientes son las pulsaciones definidas por el ciclo de trabajo, la frecuencia de conmutación y las propiedades de la carga. Con una frecuencia de conmutación suficientemente alta y, cuando sea necesario, utilizando filtros electrónicos pasivos adicionales, el tren de pulsos se puede suavizar y recuperar la forma de onda analógica promedio. Los sistemas de control PWM de alta frecuencia se pueden implementar fácilmente utilizando interruptores semiconductores.

Como ya se ha dicho anteriormente, el interruptor casi no disipa energía ni en el estado de encendido ni de apagado. Sin embargo, durante las transiciones entre los estados de encendido y apagado, tanto el voltaje como la corriente son distintos de cero y, por lo tanto, se disipa una potencia considerable en los interruptores. Afortunadamente, el cambio de estado entre completamente encendido y completamente apagado es bastante rápido (generalmente menos de 100 nanosegundos) en relación con los tiempos típicos de encendido o apagado, por lo que la disipación de energía promedio es bastante baja en comparación con la energía que se entrega incluso cuando las frecuencias de conmutación son altas. son usados.

Uso de PWM para entregar energía CC a la carga

La mayor parte del proceso industrial requiere ejecutarse con ciertos parámetros en lo que respecta a la velocidad del variador. Los sistemas de accionamiento eléctrico utilizados en muchas aplicaciones industriales requieren mayor rendimiento, confiabilidad y velocidad variable debido a su facilidad de control. los control de velocidad del motor DC es importante en aplicaciones donde la precisión y la protección son esenciales. El propósito de un controlador de velocidad de motor es tomar una señal que represente la velocidad requerida y conducir un motor a esa velocidad.


La modulación de ancho de pulso (PWM), tal como se aplica al control de motores, es una forma de entregar energía a través de una sucesión de pulsos en lugar de una señal (analógica) que varía continuamente. Al aumentar o disminuir el ancho del pulso, el controlador regula el flujo de energía al eje del motor. La propia inductancia del motor actúa como un filtro, almacenando energía durante el ciclo 'ON' mientras la libera a una tasa correspondiente a la señal de entrada o referencia. En otras palabras, la energía fluye hacia la carga no tanto a la frecuencia de conmutación, sino a la frecuencia de referencia.

El circuito se utiliza para controlar la velocidad de DC motor mediante el uso de la técnica PWM. El controlador de motor de CC de velocidad variable en serie de 12 V utiliza un temporizador IC 555 como generador de pulsos PWM para regular la velocidad del motor de 12 voltios CC. IC 555 es el chip temporizador popular utilizado para hacer circuitos temporizadores. Fue introducido en 1972 por Signetics. Se llama 555 porque hay tres resistencias de 5 K en su interior. El IC consta de dos comparadores, una cadena de resistencias, un Flip Flop y una etapa de salida. Funciona en 3 modos básicos: Astable, Monoestable (donde actúa como un generador de impulsos de un disparo y modo Biestable. Es decir, cuando se dispara, la salida sube por un período en función de los valores de la resistencia de temporización y el condensador. En modo Astable (AMV), el IC funciona como un multivibrador de funcionamiento libre. La salida se vuelve alta y baja continuamente para dar una salida pulsante como un oscilador. En el modo Biestable también conocido como disparador Schmitt, el IC funciona como un Flip-Flop con alta o salida baja en cada disparador y reiniciar.

Control de velocidad del motor de CC basado en PWM

En este circuito, se utiliza IRF540 MOSFET. Este es MOSFET de mejora de canal N. Es un MOSFET de potencia avanzado diseñado, probado y garantizado para soportar un nivel específico de energía en el modo de operación de avalancha de averías. Este MOSFET de potencia está diseñado para aplicaciones tales como reguladores de conmutación, convertidores de conmutación, controladores de motor, controladores de relé y controladores para transistores de conmutación bipolar de alta potencia que requieren alta velocidad y potencia de accionamiento de puerta baja. Estos tipos se pueden operar directamente desde circuitos integrados. El voltaje de funcionamiento de este circuito se puede ajustar según las necesidades del motor de CC accionado. Este circuito puede funcionar desde 5-18VDC.

Por encima del circuito, es decir Control de velocidad del motor DC por PWM La técnica varía el ciclo de trabajo que a su vez controla la velocidad del motor. El IC 555 está conectado en modo astable con vibrador múltiple de funcionamiento libre. El circuito consta de una disposición de un potenciómetro y dos diodos, que se utiliza para cambiar el ciclo de trabajo y mantener constante la frecuencia. A medida que se varía la resistencia de la resistencia variable o potenciómetro, el ciclo de trabajo de los pulsos aplicados al MOSFET varía y, en consecuencia, la potencia de CC al motor varía y, por lo tanto, su velocidad aumenta a medida que aumenta el ciclo de trabajo.

Uso de PWM para entregar energía CA a la carga

Los interruptores semiconductores modernos como los MOSFET o los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) son componentes bastante ideales. De esta forma se pueden construir controladores de alta eficiencia. Normalmente, los convertidores de frecuencia utilizados para controlar motores de CA tienen una eficiencia superior al 98%. Las fuentes de alimentación conmutadas tienen menor eficiencia debido a los bajos niveles de voltaje de salida (a menudo se necesitan incluso menos de 2 V para los microprocesadores) pero aún se puede lograr una eficiencia de más del 70-80%.

Control PWM en AC

Este tipo de control para CA es conocido como método de ángulo de disparo retardado. Es más barato y genera mucho ruido eléctrico y armónicos en comparación con el control PWM real que desarrolla un ruido insignificante.

En muchas aplicaciones, como calefacción industrial, control de iluminación, motores de inducción de arranque suave y controladores de velocidad para ventiladores y bombas, se requiere voltaje CA variable de una fuente CA fija. El control del ángulo de fase de los reguladores se ha utilizado ampliamente para estos requisitos. Ofrece algunas ventajas como la simplicidad y la capacidad de controlar una gran cantidad de energía de forma económica. Sin embargo, el ángulo de disparo retardado provoca discontinuidad y abundantes armónicos en la corriente de carga y se produce un factor de potencia retardado en el lado de CA cuando aumenta el ángulo de disparo.

Estos problemas se pueden mejorar utilizando el chopper PWM AC. Este chopper PWM AC ofrece varias ventajas, como la corriente de entrada sinusoidal con un factor de potencia cercano a la unidad. Sin embargo, para reducir el tamaño del filtro y mejorar la calidad del regulador de salida, debe aumentarse la frecuencia de conmutación. Esto provoca una gran pérdida de conmutación. Otro problema es la conmutación entre el conmutador de transferencia S1 con el conmutador de rueda libre S2. Provoca el pico de corriente si ambos interruptores se encienden al mismo tiempo (cortocircuito), y el pico de voltaje si ambos interruptores están apagados (sin ruta libre). Para evitar estos problemas, se utilizaron amortiguadores RC. Sin embargo, esto aumenta la pérdida de potencia en el circuito y es difícil, caro, voluminoso e ineficiente para aplicaciones de alta potencia. Se propone el chopper de CA con conmutación de voltaje de corriente cero (ZCS-ZVS). Su regulador de voltaje de salida necesita variar el tiempo de apagado controlado por la señal PWM. Por lo tanto, se requiere usar control de frecuencia para lograr la conmutación suave y los sistemas de control general usan las técnicas PWM que producen el tiempo de encendido. Esta técnica tiene ventajas como un control simple con modulación sigma-delta y corriente de entrada continua. Las características de la configuración de circuito propuesta y los patrones cortados de PWM se presentan a continuación.

PWM