Modulação de largura de pulso

PWM ou PWM (Pulse Width Modulation) é uma forma de controlar a alimentação de uma carga. O controle consiste em alterar a duração do pulso a uma taxa de repetição de pulso constante. A modulação por largura de pulso está disponível em analógico, digital, binário e ternário.

O uso da modulação por largura de pulso permite aumentar a eficiência de conversores elétricos, especialmente para conversores de pulso, que hoje formam a base de fontes de alimentação secundárias para vários dispositivos eletrônicos. Flyback e forward single, push-pull e half-bridge, bem como conversores de comutação de ponte são controlados hoje com a participação de PWM, isso também se aplica a conversores ressonantes.

A modulação por largura de pulso permite ajustar o brilho da luz de fundo das telas de cristal líquido de telefones celulares, smartphones e laptops. O PWM é implementado em máquinas de solda, em inversores de carro, em carregadores, etc. Todo carregador hoje usa PWM em sua operação.

Transistores bipolares de modo de chave e de efeito de campo são usados ​​como elementos de comutação em conversores de alta frequência modernos. Isso significa que parte do período o transistor está totalmente aberto e parte do período está totalmente fechado.

E como em estados transitórios com duração de apenas dezenas de nanossegundos, a potência liberada pelo switch é pequena em comparação com a potência comutada, como resultado, a potência média liberada na forma de calor no switch acaba sendo insignificante. Nesse caso, no estado fechado, a resistência do transistor como chave é muito pequena e a queda de tensão se aproxima de zero.

No estado aberto, a condutividade do transistor é próxima de zero e a corrente praticamente não passa por ele. Isso possibilita a criação de conversores compactos com alta eficiência, ou seja, com baixas perdas de calor. Os conversores ressonantes ZCS (Zero Current Switching) minimizam essas perdas.

Em geradores PWM do tipo analógico, o sinal de controle é gerado por um comparador analógico quando, por exemplo, um sinal triangular ou triodo é aplicado à entrada inversora do comparador e um sinal contínuo modulante é aplicado à entrada não inversora.

Pulsos de saída são recebidos retangular, sua taxa de repetição é igual à frequência da serra (ou forma de onda triangular), e a duração da parte positiva do pulso está relacionada ao tempo durante o qual o nível do sinal DC modulante aplicado à entrada não inversora de o comparador é maior que o nível do sinal da serra que é alimentado na entrada inversora.Quando a tensão da serra for maior que o sinal modulante, a saída será a parte negativa do pulso.

Se a serra for aplicada à entrada não inversora do comparador e o sinal modulante for aplicado à inversora, os pulsos de saída de onda quadrada terão um valor positivo quando a tensão da serra for maior que o valor do sinal modulante aplicado à entrada inversora e negativo - quando a tensão da serra é menor que o sinal modulante. Um exemplo de geração de PWM analógico é o chip TL494, amplamente utilizado atualmente na construção de fontes de alimentação chaveadas.

Digital PWM é usado em tecnologia digital binária. Os pulsos de saída também assumem apenas um dos dois valores (ligado ou desligado), e o nível médio de saída se aproxima do desejado. Aqui, o sinal dente de serra é obtido usando um contador de N bits.

Dispositivos digitais PWM também operam em frequência constante, necessariamente excedendo o tempo de resposta do dispositivo controlado, essa abordagem é chamada de oversampling. Entre as bordas do clock, a saída PWM digital permanece estável, alta ou baixa, dependendo do estado atual da saída do comparador digital, que compara os níveis do sinal do contador e o digital aproximado.

A saída é cronometrada como uma sequência de pulsos com estados 1 e 0, cada estado do clock pode ou não ser invertido. A frequência dos pulsos é proporcional ao nível do sinal que se aproxima, e unidades sucessivas podem formar um pulso mais largo e mais longo.

Os pulsos de largura variável resultantes serão múltiplos do período do clock e a frequência será igual a 1 / 2NT, onde T é o período do clock, N é o número de ciclos do clock. Uma frequência mais baixa em termos de frequência de clock é alcançável aqui. O esquema de geração digital descrito é PWM de um bit ou dois níveis, modulação PCM codificada por pulso.

Essa modulação codificada por pulso de dois estágios é essencialmente uma sequência de pulsos com uma frequência de 1/T e uma largura de T ou 0. A sobreamostragem é usada para calcular a média durante um período de tempo mais longo. O PWM de alta qualidade é obtido pela modulação densa de pulso de bit único, também chamada de modulação de frequência de pulso.

Na modulação digital por largura de pulso, os subpulsos retangulares que preenchem o período podem aparecer em qualquer lugar do período e, então, apenas seu número afeta o valor médio do sinal para o período. Portanto, se dividirmos o período em 8 partes, as combinações de pulso 11001100, 11110000, 11000101, 10101010, etc. dará a média do mesmo período, mas as unidades individuais tornam o ciclo de trabalho do transistor chave mais pesado.

Os luminares da eletrônica, falando em PWM, fazem uma analogia semelhante à mecânica. Se você girar um volante pesado com o motor depois que o motor pode ser ligado ou desligado, o volante girará e continuará girando ou parará devido ao atrito quando o motor estiver desligado.

Mas se o motor for ligado por alguns segundos por minuto, a rotação do volante será mantida devido à inércia a uma determinada velocidade. E quanto mais tempo o motor estiver ligado, maior a velocidade de rotação do volante.Assim, com PWM, um sinal liga e desliga (0 e 1) chega à saída e o resultado é um valor médio. Ao integrar a tensão dos pulsos ao longo do tempo, obtemos a área sob os pulsos e o efeito no corpo de trabalho será idêntico ao trabalho com um valor médio da tensão.

É assim que funcionam os conversores, onde a comutação ocorre milhares de vezes por segundo e as frequências chegam a unidades de megahertz. Os controladores PWM especiais são amplamente utilizados para controlar os reatores de lâmpadas economizadoras de energia, fontes de alimentação, conversores de frequência para motores etc.

A relação entre a duração total do período do pulso e o tempo de ativação (parte positiva do pulso) é chamada de ciclo de trabalho. Portanto, se o tempo de ativação for de 10 μs e o período durar 100 μs, a uma frequência de 10 kHz, o ciclo de trabalho será 10 e eles escrevem que S = 10. O ciclo de trabalho reverso é chamado de dever ciclo, em inglês Duty cycle ou DC para abreviar.

Assim, para o exemplo dado, DC = 0,1 desde 10/100 = 0,1. Com a modulação por largura de pulso, ajustando o ciclo de trabalho do pulso, ou seja, alterando a corrente contínua, o valor médio necessário é alcançado na saída de um dispositivo eletrônico ou outro dispositivo elétrico, como um motor.