Qué es PWM, cómo medirlo

PWM significa modulación de ancho de pulso que significa la naturaleza variable de los anchos de pulso que se pueden generar a partir de una fuente particular, como un IC discreto, MCU o un circuito transistorizado.

¿Qué es PWM?

En términos simples, un proceso PWM no es más que ENCENDER y APAGAR un voltaje de suministro a una tasa particular con diferentes relaciones de tiempo ENCENDIDO / APAGADO, aquí la longitud del voltaje de encendido puede ser mayor, menor o igual a la longitud del interruptor APAGADO.

Por ejemplo, un PWM puede consistir en un voltaje fijo para encender y apagar a razón de 2 segundos ENCENDIDO 1 segundo APAGADO, 1 segundo ENCENDIDO 2 segundos APAGADO o 1 segundo ENCENDIDO, 1 segundo APAGADO.

Cuando esta tasa de ENCENDIDO / APAGADO de un voltaje de suministro se optimiza de manera diferente, decimos que el voltaje es un PWM o ancho de pulso modulado.

Todos deben estar familiarizados con respecto a cómo aparece un potencial de CC constante en un gráfico de tiempo de voltaje v / s como se muestra a continuación:

En la imagen de arriba podemos ver una línea recta a nivel de 9V, esto se logra porque el nivel de 9V no cambia con respecto al tiempo y por lo tanto podemos presenciar una línea recta.

Ahora, si este 9V se enciende y apaga después de cada segundo, entonces el gráfico anterior se vería así:

Podemos ver claramente que ahora la línea de 9V ya no es un evaluador de línea recta en forma de bloques después de cada 1 segundo, ya que la línea de 9V se enciende y apaga después de cada segundo alternativamente.

Los trazos anteriores parecen bloques rectangulares porque cuando el 9V se enciende y apaga, las operaciones son instantáneas, lo que hace que de repente el 9V vaya al nivel cero y luego de repente al nivel de 9V formando así las formas rectangulares en el gráfico.

La condición anterior da lugar a un voltaje pulsante que tiene dos parámetros a medir a saber: el voltaje pico y el voltaje promedio o el voltaje RMS.

Voltaje pico y promedio

En la primera imagen, el voltaje máximo es obviamente de 9 V, y el voltaje promedio también es de 9 V simplemente porque el voltaje es constante sin interrupciones.

Sin embargo, en la segunda imagen, aunque el voltaje se enciende / apaga a una frecuencia de 1 Hz (1 segundo encendido, 1 segundo apagado), el pico seguirá siendo igual a 9 V, porque el pico siempre alcanza la marca de 9 V durante los períodos de encendido. Pero el voltaje promedio aquí no es de 9 V sino de 4,5 V porque la conexión y desconexión del voltaje se realiza a una tasa del 50%.

En las discusiones de PWM, esta tasa de ENCENDIDO / APAGADO se llama ciclo de trabajo del PWM, por lo tanto, en el caso anterior, es un ciclo de trabajo del 50%.

Cuando mide un PWM con un multímetro digital en un rango de CC, siempre obtendrá la lectura del valor promedio en el medidor.

Los nuevos aficionados a menudo se confunden con esta lectura y la toman como el valor máximo, lo cual es completamente incorrecto.

Como se explicó anteriormente, el valor pico de un PWM será mayormente igual al voltaje de suministro alimentado al circuito, mientras que la volatilidad promedio en el medidor será el promedio de los períodos ON / OFF de los PWM.

Cambio de Mosfet con PWM

Entonces, si está cambiando un mosfet con un PWM y encuentra que el voltaje de la puerta es, por ejemplo, 3V, no se asuste, ya que este podría ser solo el voltaje promedio indicado por el medidor, el voltaje máximo podría ser tan alto como el suministro de su circuito Voltaje.

Por lo tanto, se podría esperar que el mosfet condujera bien y completamente a través de estos valores máximos y el voltaje promedio solo estaría afectando su período de conducción, no la especificación de conmutación del dispositivo.

Como discutimos en las secciones anteriores, un PWM involucra fundamentalmente la variación de los anchos de pulso, en otras palabras, los períodos ON y OFF de la CC.

Digamos, por ejemplo, que desea una salida PWM con un tiempo de ENCENDIDO 50% menor que el tiempo de ENCENDIDO.

Supongamos que el tiempo de ENCENDIDO seleccionado es 1/2 segundo, entonces el tiempo de APAGADO sería igual a 1 segundo, lo que daría lugar a un ciclo de trabajo de 1/2 segundo ENCENDIDO y 1 segundo APAGADO, como se puede ver en el siguiente diagrama .

Analizando el ciclo de trabajo de PWM

En este ejemplo, los PWM están optimizados para producir un voltaje máximo de 9 V pero un voltaje promedio de 3,15 V, ya que el tiempo de ENCENDIDO es solo el 35% de un ciclo completo de ENCENDIDO / APAGADO.

Un ciclo completo se refiere al período de tiempo que permite que el pulso dado complete su tiempo de ENCENDIDO completo y tiempo de APAGADO.

De manera similar, se puede intentar optimizar el ancho de pulso de una frecuencia con los siguientes datos:

Aquí el tiempo de ENCENDIDO puede verse aumentado que el tiempo de APAGADO en un 65% a lo largo de un ciclo completo, por lo tanto, aquí el valor promedio del voltaje se convierte en 5.85V.

El voltaje promedio discutido anteriormente también se llama RMS o valor cuadrático medio del voltaje.

Dado que todos estos son pulsos rectangulares o cuadrados, el valor eficaz se puede calcular simplemente multiplicando el porcentaje del ciclo de trabajo por el voltaje máximo.

Optimización de PWM para simular una onda sinusoidal

Sin embargo, en los casos en los que el PWM se optimiza para simular un pulso de CA, el cálculo del RMS se vuelve un poco complejo.

Tomemos el ejemplo del siguiente PWM que está optimizado para variar su ancho correspondiente a la amplitud variable o el nivel de una señal de CA sinusoidal.

Puede obtener más información sobre esto a través de uno de mis artículos anteriores donde he explicado cómo se puede usar el IC 555 para Generación de salida PWM equivalente a onda sinusoidal .

Como podemos ver en la imagen de arriba, el ancho de los pulsos está cambiando con respecto al nivel instantáneo de la onda sinusoidal. A medida que la onda sinusoidal tiende a alcanzar el pico, el ancho correspondiente del pulso se vuelve más ancho y viceversa.

Usando SPWM

Esto indica que debido a que el nivel de voltaje de la onda sinusoidal cambia constantemente con el tiempo, los PWM también cambian con el tiempo al variar constantemente sus anchos. Tal PWM también se conoce como SPWM o modulación de ancho de pulso de onda sinusoidal.

Así, en el caso anterior, los pulsos nunca son constantes, sino que cambian sus anchos de manera diferente con el tiempo.

Esto hace que su RMS o el cálculo del valor promedio sea un poco complejo y no podemos simplemente multiplicar el ciclo de trabajo con el voltaje pico aquí para lograr el RMS.

Aunque la fórmula real para derivar la expresión RMS es bastante compleja, después de las derivaciones apropiadas, la implementación final se vuelve bastante fácil.

Calcular el voltaje RMS de un PWM

Por lo tanto, para calcular el valor eficaz de un voltaje PWM variable en respuesta a una onda sinusoidal se puede obtener multiplicando 0,7 (constante) por el voltaje máximo.

Entonces, para un pico de 9V obtenemos 9 x 0.7 = 6.3V, ese es el voltaje RMS o el valor promedio de un PWM pico a pico de 9V que simula una onda sinusoidal.

¿Papel de PWM en circuitos electrónicos?

Encontrará que el concepto PWM está esencialmente asociado con
Diseños de circuitos que tienen inductores involucrados especialmente en topologías reductoras, como inversores, SMPS , MPPT, circuitos de controlador LED, etc.

Sin un inductor, una característica PWM podría no tener un valor o función real en un circuito dado, esto se debe a que solo un inductor tiene la característica inherente de transformar un ancho de pulso variable en una cantidad equivalente de aumentado (aumentado) o reducido (reducido) voltaje o corriente, que se convierte en la idea completa y única de una tecnología PWM.

Usando PWM con inductores

Para comprender cómo PWM afecta la salida de un inductor en términos de voltaje y corriente, primero sería importante aprender cómo se comporta un inductor en la influencia de un voltaje pulsante.

En una de mis publicaciones anteriores expliqué sobre cómo funciona un circuito de impulso de dólar , este es un ejemplo clásico para demostrar cómo se pueden utilizar PWM o un ancho de pulso variable para dimensionar la salida de un inductor.

Es bien sabido que por `` naturaleza '' un inductor siempre se opone a una aplicación repentina de voltaje a través de él y le permite pasar solo después de una cierta cantidad de tiempo dependiendo de sus especificaciones de bobinado, y durante este proceso almacena una cantidad equivalente de energía en eso.

Ahora bien, si en el curso del proceso anterior el voltaje se apaga repentinamente, el inductor nuevamente no puede hacer frente a esta repentina desaparición del voltaje aplicado y trata de equilibrarlo liberando la corriente almacenada en él.

Reacción del inductor a PWM

Por lo tanto, un inductor intentará oponerse a un encendido de voltaje almacenando corriente e intentará ecualizar en respuesta a un apagado repentino de voltaje al 'patear' la energía almacenada de regreso al sistema.

Este retroceso se denomina EMF trasero de un inductor y el contenido de esta energía (voltaje, corriente) dependerá de las especificaciones del devanado del inductor.

Básicamente, el número de vueltas decide si el EMF debe tener un voltaje más alto que el voltaje de suministro o más bajo que el voltaje de suministro, y el grosor del cable decide la cantidad de corriente que el inductor puede generar.

Hay otro aspecto en el inductor anterior, que es el tiempo de los períodos de encendido / apagado de voltaje.

Ahí es donde el uso de un PWM se vuelve crucial.

Aunque el número de vueltas determina fundamentalmente los valores de salida para un particular, estos también pueden variar según se desee alimentando una introducción de PWM optimizada a un inductor.

A través de un PWM variable, podemos forzar a un inductor a generar / convertir voltajes y corrientes a cualquier velocidad deseada, ya sea como voltaje aumentado (corriente reducida) o corriente aumentada (voltaje reducido) o viceversa.

En algunas aplicaciones, se puede usar un PWM incluso sin un inductor, como para atenuar una luz LED, o en circuitos de temporizador MCU, donde la salida puede optimizarse para generar voltajes en diferentes períodos de encendido, apagado para controlar una carga según sus especificaciones de trabajo previstas.