Qué es la modulación por ancho de pulsos (PWM)

La modulación es un proceso eléctrico no lineal en el que los parámetros de una señal (portadora) son alterados por otra señal (moduladora, información). En la ingeniería de la comunicación, la modulación de frecuencia, amplitud y fase son ampliamente utilizadas. En la electrónica de potencia y la tecnología de microprocesadores, la modulación por ancho de pulso es cada vez más habitual.

¿Qué es el PWM (Pulse Width Modulation)?

En la modulación por ancho de pulso, la amplitud, la frecuencia y la fase de la señal original permanecen inalteradas. La duración (anchura) del impulso cuadrado se ve afectada por la señal de información. En la literatura técnica inglesa se denomina PWM (pulse-width modulation).

Principio de funcionamiento del PWM

La señal modulada por ancho de pulso se forma de dos maneras:

• análoga;
• digital.

En el método de generación de PWM analógico, se alimenta una señal portadora en forma de diente de sierra o de onda triangular en el inversor entrada del comparadory la señal de información se aplica a la entrada no inversora del comparador. Si el nivel de la portadora instantánea es superior a la señal moduladora, la salida del comparador es cero, si es inferior es uno. La salida es una señal discreta con una frecuencia correspondiente a la frecuencia del triángulo portador o diente de sierra, y una longitud de pulso proporcional al nivel de tensión de modulación.

Como ejemplo, se muestra la modulación del ancho de pulso de una señal triangular por un pulso lineal ascendente. La duración de los impulsos de salida es proporcional al nivel de la señal de salida.

Los controladores PWM analógicos también están disponibles como circuitos integrados listos para usar que contienen un comparador y un circuito de generación de portadora. Hay entradas para la conexión de elementos externos de codificación de frecuencia y la señal de información. La salida se utiliza para accionar potentes interruptores externos. También hay entradas de retroalimentación para mantener los parámetros de control establecidos. Este es el caso, por ejemplo, del chip TL494. Los controladores PWM con interruptores internos están disponibles para aplicaciones con una potencia de consumo relativamente baja. El interruptor interno del LM2596 está diseñado para corrientes de hasta 3 amperios.

El método digital se consigue mediante chips especializados o microprocesadores. La duración del pulso se controla mediante un programa interno. Muchos microcontroladores, incluyendo los populares PIC y AVR, tienen un módulo a bordo para la implementación de PWM por hardware. Para obtener la señal PWM es necesario activar el módulo y establecer sus parámetros de funcionamiento. Si no hay tal módulo, el PWM puede ser arreglado puramente por el método de software, no es difícil. Este método ofrece más posibilidades y proporciona más libertad debido al uso flexible de las salidas, pero implica más recursos del controlador.

Características de la señal PWM

Las características importantes de la señal PWM son:

• amplitud (U);
• frecuencia (f);
• Ciclo de trabajo (S) o factor de llenado D.

La amplitud en voltios se ajusta en función de la carga. Debe garantizar la tensión nominal de suministro al consumidor.

La frecuencia de la señal modulada por ancho de pulso se elige a partir de las siguientes consideraciones:

1. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la precisión de la regulación.
2. La frecuencia no debe ser inferior al tiempo de respuesta del dispositivo que se controla con PWM, de lo contrario se producirá una ondulación notable en el parámetro controlado.
3. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayores serán las pérdidas de conmutación. Esto se debe a que el tiempo de conmutación de la llave es finito. En el estado de enclavamiento, toda la tensión de alimentación cae a través del elemento clave, pero casi no hay corriente. En el estado abierto, la corriente de carga completa fluye a través de la llave, pero la caída de tensión es pequeña porque la resistencia de paso es de unidades de ohmios. En ambos casos, la disipación de energía es insignificante. La transición de un estado a otro es rápida, pero no instantánea. Durante el proceso de apertura-cierre cae una alta tensión en el elemento parcialmente abierto y al mismo tiempo fluye una corriente considerable a través del elemento. Durante este tiempo, la disipación de energía alcanza valores elevados. Este periodo es corto y la llave no tiene tiempo de calentarse considerablemente. Pero a medida que aumenta la frecuencia, hay más intervalos de este tipo por unidad de tiempo y la pérdida de calor aumenta. Por eso es importante utilizar elementos de acción rápida en la construcción de llaves.
4. Al controlar un motores la frecuencia tiene que estar fuera de la gama de frecuencias legibles para el ser humano: 25kHz y más. Esto se debe a que las frecuencias de conmutación más bajas provocan molestos silbidos.

Estos requisitos suelen ser contradictorios, por lo que la elección de la frecuencia es en algunos casos un compromiso.

El valor de la modulación se caracteriza por el ciclo de trabajo. Como la frecuencia de repetición de los impulsos es constante, la duración del periodo también lo es (T=1/f). Un periodo se compone de un impulso y una pausa, que tienen una duración de t_imp y t_pausadonde t_imp+t_pausa=Т. La relación es la relación entre la duración del impulso y el período - S=t_imp/T. Pero en la práctica resultó más conveniente utilizar el valor inverso - factor de llenado: D=1/S=T/t_imp.. Es aún más conveniente expresar el factor de llenado en forma de porcentaje.

Cuál es la diferencia entre PWM y PWM

En la literatura técnica extranjera no se distingue entre modulación por ancho de pulso y control por ancho de pulso (PWM). Los expertos rusos tratan de distinguir estos conceptos. De hecho, el PWM es un tipo de modulación, es decir, el cambio de la señal portadora bajo la influencia de otra señal moduladora. La señal portadora actúa como portadora y la señal moduladora establece la información. Y el control de ancho de pulso es la regulación del modo de carga mediante PWM.

Razones y aplicaciones del PWM

El principio de la modulación por ancho de pulso se utiliza en Control de velocidad para motores de inducción de alta potencia. En este caso, se genera una señal moduladora de frecuencia variable (monofásica o trifásica) mediante un generador de ondas sinusoidales de baja potencia y se superpone a la portadora de forma analógica. La salida es una señal PWM que se introduce en las teclas de demanda de potencia. La secuencia de pulsos resultante puede pasarse por un filtro de paso bajo, por ejemplo, una simple cadena RC, y la onda sinusoidal original puede aislarse. O puede prescindir de él: el filtrado se producirá de forma natural debido a la inercia del motor. Evidentemente, cuanto mayor sea la frecuencia de la portadora, más se acercará la forma de onda de salida a la sinusoide original.

Surge una pregunta natural: ¿por qué no se puede amplificar la señal del oscilador a la vez, por ejemplo? utilizando transistores de alta potencia? Porque el elemento regulador, funcionando en modo lineal, redistribuirá la potencia entre la carga y el interruptor. Esto hará que se desperdicie mucha energía en el elemento clave. En cambio, si un elemento regulador potente funciona en modo llave (trinistor, triac, transistor RGBT), la potencia se distribuye en el tiempo. Las pérdidas serán mucho menores y la eficiencia será mucho mayor.

En la tecnología digital, no hay ninguna alternativa particular al control de ancho de pulso. Allí la amplitud de la señal es constante, la tensión y la corriente sólo pueden modificarse modulando la anchura del pulso de la portadora y promediándola posteriormente. Por lo tanto, el PWM se utiliza para el control de la tensión y la corriente en aplicaciones que pueden promediar la señal de impulso. El promediado se realiza de varias maneras:

1. Por la inercia de la carga. Por ejemplo, la inercia térmica de los calentadores termoeléctricos y de las lámparas incandescentes permite que los objetos regulados no se enfríen notablemente en las pausas entre impulsos.
2. Debido a la inercia de la percepción. Un LED se ilumina de pulso en pulso, pero el ojo humano no lo nota y lo percibe como un brillo constante con intensidades variables. Este principio se utiliza para controlar el brillo de los puntos LED. Pero unos cientos de hercios de parpadeo imperceptible siguen estando presentes y provocan fatiga ocular.
3. Debido a la inercia mecánica. Esta propiedad se utiliza en el control del motor del colector de CC. Con la frecuencia de control adecuada, el motor no tiene tiempo de calarse en las pausas de tiempo muerto.

Por lo tanto, se utiliza el PWM cuando el valor medio de la tensión o la corriente juega un papel decisivo. Además de los casos comunes mencionados anteriormente, el método PWM regula la corriente media en máquinas de soldar y cargadores de baterías, etc.

Si no es posible el promediado natural, en muchos casos este papel puede ser asumido por el ya mencionado filtro de paso bajo (LPF) en forma de cadena RC. A efectos prácticos esto es suficiente, pero hay que entender que es imposible separar la señal original del PWM con un LPF sin distorsión. Después de todo, el espectro PWM contiene un número infinitamente grande de armónicos, que inevitablemente caerán en el ancho de banda del filtro. Así que no te hagas ilusiones sobre la forma de la onda sinusoidal reconstruida.

El control PWM de un LED RGB es muy eficaz y eficiente. Este dispositivo tiene tres uniones p-n: roja, azul y verde. Variando el brillo de cada canal por separado, se puede conseguir casi cualquier color de LED (excepto el blanco puro). Las posibilidades de crear efectos de iluminación con PWM son infinitas.

La aplicación más común para una señal digital de ancho de pulso modulado es el control de la corriente o tensión media que fluye a través de una carga. Pero también es posible utilizar este tipo de modulación de forma no convencional. Todo depende de la imaginación del diseñador.

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