Modulación de ancho de pulso

Un ejemplo de PWM en un ductor idealizado impulsado por un ■ fuente de tensión modulada como una serie de pulsos, resultando en un ■ sine-como la corriente en el ductor. Los pulsos de tensión rectangular, sin embargo, resultan en una onda de corriente más y más suave, como el frecuencia de conmutación aumenta. La onda actual es la parte integral de la onda de voltaje.

modulación de ancho de pulso (PWM), o modulación de duración de pulso (PDM), es una método para reducir la potencia promedio entregada por una señal eléctrica, dividiéndola efectivamente en partes discretas. El valor promedio de voltaje (y corriente) alimentado a la carga se controla encendiendo y apagando el interruptor entre el suministro y la carga a un ritmo rápido. Cuanto más tiempo esté encendido el interruptor en comparación con los períodos de apagado, mayor será la potencia total suministrada a la carga. Junto con el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), es uno de los métodos principales para reducir la salida de los paneles solares a la que puede utilizar una batería. PWM es particularmente adecuado para hacer funcionar cargas inerciales como motores, que no se ven afectados tan fácilmente por esta conmutación discreta, porque su inercia hace que reaccionen lentamente. La frecuencia de conmutación de PWM debe ser lo suficientemente alta como para no afectar la carga, lo que quiere decir que la forma de onda resultante percibida por la carga debe ser lo más suave posible.

La tasa (o frecuencia) a la que debe cambiar la fuente de alimentación puede variar mucho según la carga y la aplicación. Por ejemplo, en una estufa eléctrica solo hay que cambiar varias veces por minuto; 100 o 120 Hz (el doble de la frecuencia de servicio) en un atenuador de lámpara; entre unos pocos kilohercios (kHz) y decenas de kHz para un accionamiento de motor; y bien en las decenas o cientos de kHz en amplificadores de audio y fuentes de alimentación de computadora. La principal ventaja de PWM es que la pérdida de potencia en los dispositivos de conmutación es muy baja. Cuando un interruptor está apagado, prácticamente no hay corriente, y cuando está encendido y se transfiere energía a la carga, casi no hay caída de voltaje en el interruptor. La pérdida de potencia, siendo el producto de la tensión y la corriente, es por lo tanto en ambos casos cercana a cero. PWM también funciona bien con controles digitales que, debido a su naturaleza de encendido/apagado, pueden configurar fácilmente el ciclo de trabajo necesario. 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 comunicación.

En electrónica, muchos microcontroladores (MCU) modernos integran controladores PWM expuestos a pines externos como dispositivos periféricos bajo control de firmware por medio de interfaces de programación internas. Estos se utilizan comúnmente para el control de motores de corriente continua (CC) en robótica, regulación de fuente de alimentación de modo conmutado y otras aplicaciones.

Ciclo de trabajo

El término ciclo de trabajo describe la proporción de 'on' tiempo al intervalo regular o 'período' de tiempo; un ciclo de trabajo bajo corresponde a una potencia baja, porque la energía está apagada la mayor parte del tiempo. El ciclo de trabajo se expresa en porcentaje, siendo 100 % completamente encendido. Cuando una señal digital está encendida la mitad del tiempo y apagada la otra mitad del tiempo, la señal digital tiene un ciclo de trabajo del 50 % y se parece a un "cuadrado" ola. Cuando una señal digital pasa más tiempo en el estado encendido que en el estado apagado, tiene un ciclo de trabajo de >50%. Cuando una señal digital pasa más tiempo en el estado apagado que en el estado encendido, tiene un ciclo de trabajo de <50%. Aquí hay una imagen que ilustra estos tres escenarios:

Historia

Algunas máquinas (como el motor de una máquina de coser) requieren potencia parcial o variable. En el pasado, el control (como en el pedal de una máquina de coser) se implementaba mediante el uso de un reóstato conectado en serie con el motor para ajustar la cantidad de corriente que fluía a través del motor. Era un esquema ineficiente, ya que también desperdiciaba energía como calor en el elemento de resistencia del reóstato, pero tolerable porque la energía total era baja. Si bien el reóstato era uno de varios métodos para controlar la energía (consulte los autotransformadores y Variac para obtener más información), aún no se había encontrado un método de ajuste/conmutación de energía eficiente y de bajo costo. Este mecanismo también debía poder accionar motores para ventiladores, bombas y servos robóticos, y debía ser lo suficientemente compacto para interactuar con los atenuadores de lámparas. PWM surgió como una solución para este problema complejo.

La empresa Philips, N. V. diseñó un sistema de escaneo óptico (publicado en 1946) para bandas sonoras de películas de área variable que producía el PWM. Estaba destinado a reducir el ruido al reproducir la banda sonora de una película. El sistema propuesto tenía un umbral entre "blanco" y "negro" partes de la banda sonora.

Una de las primeras aplicaciones de PWM fue en el Sinclair X10, un amplificador de audio de 10 W disponible en forma de kit en la década de 1960. Aproximadamente al mismo tiempo, PWM comenzó a usarse en el control de motores de CA.

Cabe señalar que, durante aproximadamente un siglo, algunos motores eléctricos de velocidad variable han tenido una eficiencia decente, pero eran un poco más complejos que los motores de velocidad constante y, en ocasiones, requerían aparatos eléctricos externos voluminosos, como un banco de resistencias de potencia variable. o convertidores giratorios como el motor Ward Leonard.

Principio

Fig. 1: una onda de pulso, mostrando las definiciones de Sí.min{displaystyle Y..., Sí.max{displaystyle y_{text{max}} y D.

La modulación de ancho de pulso utiliza una onda de pulso rectangular cuya anchura de pulso se modula dando lugar a la variación del valor promedio de la forma de onda. Si consideramos una onda de pulso f()t){displaystyle f(t)}, con período T{displaystyle T}, bajo valor Sí.min{displaystyle Y..., un alto valor Sí.max{displaystyle y_{text{max}} y un ciclo de deber D (véase la figura 1), el valor promedio de la forma de onda se da por:

Sí.̄ ̄ =1T∫ ∫ 0Tf()t)dt{displaystyle {bar}={frac} {1} {T}int _{0} {T}f(t),dt}

As f()t){displaystyle f(t)} es una onda de pulso, su valor es Sí.max{displaystyle y_{text{max}} para <math alttext="{displaystyle 0<t0.t.D⋅ ⋅ T{displaystyle 0 identificados Dcdot T<img alt="{displaystyle 0<t y Sí.min{displaystyle Y... para <math alttext="{displaystyle Dcdot T<tD⋅ ⋅ T.t.T{displaystyle Dcdot<img alt="{displaystyle Dcdot T<t. La expresión anterior se convierte entonces en:

Sí.̄ ̄ =1T()∫ ∫ 0DTSí.maxdt+∫ ∫ DTTSí.mindt)=1T()D⋅ ⋅ T⋅ ⋅ Sí.max+T()1− − D)Sí.min)=D⋅ ⋅ Sí.max+()1− − D)Sí.min{displaystyle {begin{aligned}{bar {y} âTMa {f} {fnMicroc} {1}{T}left(in) ¿Qué? ¿Por qué? {1}{T}left (Dcdot Tcdot y_{text{max}}+Tleft(1-Dright)y_{text{min}}right)\cdot y_{text{max}}+left(1-Dright)y_{min}}end{aligned}}}}}

Esta última expresión puede ser bastante simplificada en muchos casos Sí.min=0{displaystyle Y... como Sí.̄ ̄ =D⋅ ⋅ Sí.max{displaystyle {bar {y}=Dcdot y_{text{max}}. A partir de esto, el valor promedio de la señal (Sí.̄ ̄ {displaystyle {bar {y}}}) depende directamente del ciclo de servicio D.

Fig. 2: Un método simple para generar el tren de pulso PWM correspondiente a una señal dada es el PWM intersectivo: la señal (aquí la onda de seno rojo) se compara con una onda de sierra (azul). Cuando este último es menos que el primero, la señal PWM (magenta) está en estado alto (1). De lo contrario está en el estado bajo (0).

La forma más sencilla de generar una señal PWM es el método de intersección, que requiere solo una forma de onda de diente de sierra o triangular (que se genera fácilmente con un oscilador simple) y un comparador. Cuando el valor de la señal de referencia (la onda sinusoidal roja en la figura 2) es mayor que la forma de onda de modulación (azul), la señal PWM (magenta) está en estado alto; de lo contrario, está en estado bajo.

Delta

En el uso de la modulación delta para el control PWM, la señal de salida se integra y el resultado se compara con los límites, que corresponden a una señal de referencia compensada por una constante. Cada vez que la integral de la señal de salida alcanza uno de los límites, la señal PWM cambia de estado. figura 3

Fig. 3: Principio delta PWM. La señal de salida (azul) se compara con los límites (verde). Estos límites corresponden a la señal de referencia (red), compensada por un valor dado. Cada vez que la señal de salida (azul) alcanza uno de los límites, la señal PWM cambia de estado.

Delta-sigma

En la modulación delta-sigma como método de control PWM, la señal de salida se resta de una señal de referencia para formar una señal de error. Este error es integrado, y cuando la integral del error excede los límites, la salida cambia de estado. Figura 4

Fig. 4: Principio del sigma-delta PWM. La forma de onda verde superior es la señal de referencia, en la que la señal de salida (PWM, en la parcela inferior) se resta para formar la señal de error (azul, en la parcela superior). Este error está integrado (máquina media), y cuando la parte integral del error supera los límites (líneas rojas), la salida cambia de estado.

Modulación de vector espacial

La modulación del vector espacial es un algoritmo de control PWM para la generación de CA multifásica, en el que la señal de referencia se muestrea regularmente; después de cada muestra, se seleccionan vectores de conmutación activos distintos de cero adyacentes al vector de referencia y uno o más de los vectores de conmutación cero para la fracción apropiada del período de muestreo para sintetizar la señal de referencia como el promedio de los vectores usados.

Control de par directo (DTC)

El control de par directo es un método utilizado para controlar motores de CA. Está estrechamente relacionado con la modulación delta (ver arriba). Se estiman el par motor y el flujo magnético y se controlan para que permanezcan dentro de sus bandas de histéresis activando una nueva combinación de los interruptores de semiconductores del dispositivo cada vez que cualquiera de las señales intenta desviarse de su banda.

Proporción de tiempo

Muchos circuitos digitales pueden generar señales PWM (por ejemplo, muchos microcontroladores tienen salidas PWM). Normalmente utilizan un contador que se incrementa periódicamente (se conecta directa o indirectamente al reloj del circuito) y se pone a cero al final de cada periodo del PWM. Cuando el valor del contador es mayor que el valor de referencia, la salida PWM cambia de estado de alto a bajo (o de bajo a alto). Esta técnica se conoce como proporcionación de tiempo, en particular como control de proporción de tiempo, cuya proporción de un tiempo de ciclo fijo se gasta en el estado alto.

El contador incrementado y reiniciado periódicamente es la versión discreta del diente de sierra del método de intersección. El comparador analógico del método de intersección se convierte en una simple comparación de enteros entre el valor actual del contador y el valor de referencia digital (posiblemente digitalizado). El ciclo de trabajo solo se puede variar en pasos discretos, en función de la resolución del contador. Sin embargo, un contador de alta resolución puede proporcionar un rendimiento bastante satisfactorio.

Tipos

Fig. 5: Tres tipos de señales PWM (azul): modulación de bordes principales (top), modulación de bordes de seguimiento (middle) y pulsos centrados (ambos bordes están modulados, abajo). Las líneas verdes son la forma de onda de sierra (primer y segundo casos) y una forma de onda triángulo (tercer caso) utilizado para generar las ondas PWM utilizando el método intersectivo.

Son posibles tres tipos de modulación de ancho de pulso (PWM):

1. El centro de pulso se puede fijar en el centro de la ventana del tiempo y ambos bordes del pulso se mueven para comprimir o ampliar el ancho.
2. El borde de plomo se puede mantener en el borde de la ventana y el borde de la cola modulado.
3. El borde de la cola se puede fijar y el borde del plomo modulado.

Espectro

Los espectros resultantes (de los tres casos) son similares, y cada uno contiene un componente dc: una banda lateral base que contiene la señal modulada y los portadores modulados de fase en cada armónico de la frecuencia del pulso. Las amplitudes de los grupos armónicos están limitadas por un pecado⁡ ⁡ x/x{displaystyle sin x/x} sobre (función de sincronización) y extenderse al infinito. El ancho de banda infinito es causado por la operación no lineal del modulador de pulsos. En consecuencia, un PWM digital sufre de una distorsión que reduce significativamente su aplicabilidad para los sistemas de comunicación modernos. Al limitar el ancho de banda del núcleo PWM, se pueden evitar los efectos de aliado.

Por el contrario, la modulación delta es un proceso aleatorio que produce un espectro continuo sin armónicos diferenciados.

Teorema de muestreo PWM

El proceso de conversión de PWM no es lineal y generalmente se supone que la recuperación de la señal del filtro de paso bajo es imperfecta para PWM. El teorema de muestreo de PWM muestra que la conversión de PWM puede ser perfecta. El teorema establece que 'Cualquier señal de banda base de banda limitada dentro de ±0,637 puede representarse mediante una forma de onda de modulación de ancho de pulso (PWM) con amplitud unitaria. El número de pulsos en la forma de onda es igual al número de muestras de Nyquist y la restricción de pico es independiente de si la forma de onda es de dos o tres niveles."

• Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon: "Si tienes una señal que está perfectamente limitada a un ancho de banda de f₀ entonces usted puede recoger toda la información que hay en esa señal por muestrearlo en tiempos discretos, siempre y cuando su tasa de muestra es mayor que 2f₀."

Aplicaciones

Servos

PWM se utiliza para controlar servomecanismos; ver servocontrol.

Telecomunicaciones

En telecomunicaciones, PWM es una forma de modulación de señal donde los anchos de los pulsos corresponden a valores de datos específicos codificados en un extremo y decodificados en el otro.

Se enviarán pulsos de varias longitudes (la información misma) a intervalos regulares (la frecuencia portadora de la modulación).

 _
Silencio Silencio Silencio Silencio
Cierre Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio
__

_______________________________________________________
PWM signal Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio
Silencio Silencio.
__________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Datos 0 1 2 4 0 4 1 0

La inclusión de una señal de reloj no es necesaria, ya que el borde de ataque de la señal de datos se puede usar como reloj si se agrega una pequeña compensación a cada valor de datos para evitar un valor de datos con un pulso de longitud cero.

 ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Silencio Silencio Silencio Silencio
PWM signal Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio
____ _ _______ _ _______ _ _ ______________________________________

Datos 0 1 2 4 0 4 1 0

Entrega de energía

PWM puede usarse para controlar la cantidad de energía entregada a una carga sin incurrir en las pérdidas que resultarían de la entrega de energía lineal por medios resistivos. Los inconvenientes de esta técnica son que la potencia consumida por la carga no es constante sino discontinua (ver convertidor Buck), y la energía entregada a la carga tampoco es continua. Sin embargo, la carga puede ser inductiva, y con una frecuencia suficientemente alta y, cuando sea necesario, utilizando filtros electrónicos pasivos adicionales, el tren de pulsos puede suavizarse y recuperarse la forma de onda analógica promedio. El flujo de energía hacia la carga puede ser continuo. El flujo de energía del suministro no es constante y requerirá almacenamiento de energía en el lado del suministro en la mayoría de los casos. (En el caso de un circuito eléctrico, un condensador para absorber la energía almacenada en la inductancia del lado de suministro (a menudo parásita).)

Los sistemas de control de potencia PWM de alta frecuencia se pueden realizar fácilmente con interruptores de semiconductores. Como se explicó anteriormente, el interruptor casi no disipa energía ni en el estado de encendido ni en el 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, la energía se disipa en los interruptores. Al cambiar rápidamente el estado entre completamente encendido y completamente apagado (generalmente menos de 100 nanosegundos), la disipación de energía en los interruptores puede ser bastante baja en comparación con la energía que se entrega a la carga.

Los interruptores de semiconductores modernos, como los MOSFET o los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), son componentes muy adecuados para los controladores de alta eficiencia. Los convertidores de frecuencia utilizados para controlar motores de CA pueden tener eficiencias superiores al 98 %. Las fuentes de alimentación conmutadas tienen una eficiencia más baja 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 superior al 70-80%.

Los controladores de ventiladores de computadora de velocidad variable generalmente usan PWM, ya que es mucho más eficiente en comparación con un potenciómetro o un reóstato. (Ninguno de estos últimos es práctico para operar electrónicamente; requerirían un pequeño motor de accionamiento).

Los atenuadores de luz para uso doméstico emplean un tipo específico de control PWM. Los atenuadores de luz de uso doméstico suelen incluir circuitos electrónicos que suprimen el flujo de corriente durante partes definidas de cada ciclo del voltaje de la línea de CA. Ajustar el brillo de la luz emitida por una fuente de luz es simplemente una cuestión de establecer a qué voltaje (o fase) en el medio ciclo de CA el atenuador comienza a proporcionar corriente eléctrica a la fuente de luz (por ejemplo, mediante el uso de un interruptor electrónico como un triac). En este caso, el ciclo de trabajo de PWM es la relación entre el tiempo de conducción y la duración del medio ciclo de CA definido por la frecuencia del voltaje de la línea de CA (50 Hz o 60 Hz según el país).

Estos tipos de atenuadores bastante simples se pueden usar de manera efectiva con fuentes de luz inertes (o de reacción relativamente lenta), como las lámparas incandescentes, por ejemplo, para las cuales la modulación adicional en la energía eléctrica suministrada causada por el atenuador solo genera una cantidad adicional insignificante. fluctuaciones en la luz emitida. Sin embargo, algunos otros tipos de fuentes de luz, como los diodos emisores de luz (LED), se encienden y apagan extremadamente rápido y parpadearían perceptiblemente si se les suministran voltajes de accionamiento de baja frecuencia. Los efectos de parpadeo perceptibles de estas fuentes de luz de respuesta rápida se pueden reducir aumentando la frecuencia de PWM. Si las fluctuaciones de la luz son suficientemente rápidas (más rápidas que el umbral de fusión del parpadeo), el sistema visual humano ya no puede resolverlas y el ojo percibe la intensidad media temporal sin parpadeo.

En las cocinas eléctricas, se aplica potencia continuamente variable a los elementos calefactores, como la placa o la parrilla, mediante un dispositivo conocido como simmerstat. Este consta de un oscilador térmico que funciona aproximadamente a dos ciclos por minuto y el mecanismo varía el ciclo de trabajo de acuerdo con la configuración de la perilla. La constante de tiempo térmico de los elementos calefactores es de varios minutos, por lo que las fluctuaciones de temperatura son demasiado pequeñas para tener importancia en la práctica.

Regulación de voltaje

PWM también se usa en reguladores de voltaje eficientes. Al cambiar el voltaje a la carga con el ciclo de trabajo apropiado, la salida se aproximará a un voltaje en el nivel deseado. El ruido de conmutación generalmente se filtra con un inductor y un condensador.

Un método mide el voltaje de salida. Cuando es más bajo que el voltaje deseado, enciende el interruptor. Cuando el voltaje de salida está por encima del voltaje deseado, apaga el interruptor.

Efectos de audio y amplificación

La variación del ciclo de trabajo de una forma de onda de pulso en un instrumento de síntesis crea variaciones tímbricas útiles. Algunos sintetizadores tienen un recortador de ciclo de trabajo para sus salidas de onda cuadrada, y ese recortador se puede configurar de oído; el punto del 50 % (onda cuadrada verdadera) era distintivo, porque los armónicos pares esencialmente desaparecen al 50 %. Las ondas de pulso, normalmente al 50%, 25% y 12,5%, componen las bandas sonoras de los videojuegos clásicos. El término PWM como se usa en la síntesis de sonido (música) se refiere a la relación entre el nivel alto y el bajo que se modulan secundariamente con un oscilador de baja frecuencia. Esto da un efecto de sonido similar al coro o osciladores ligeramente desafinados tocados juntos. (De hecho, PWM es equivalente a la suma de dos ondas de diente de sierra con una de ellas invertida).

Se está volviendo popular una nueva clase de amplificadores de audio basados en el principio PWM. Llamados amplificadores de clase D, producen un PWM equivalente a la señal de entrada analógica que se envía al altavoz a través de una red de filtros adecuada para bloquear la portadora y recuperar el audio original. Estos amplificadores se caracterizan por cifras de muy buena eficiencia (≥ 90%) y tamaño compacto/peso ligero para grandes salidas de potencia. Durante algunas décadas, los amplificadores PWM industriales y militares han sido de uso común, a menudo para accionar servomotores. Las bobinas de gradiente de campo en las máquinas de resonancia magnética son impulsadas por amplificadores PWM de potencia relativamente alta.

Históricamente, se ha utilizado una forma cruda de PWM para reproducir sonido digital PCM en el parlante de la PC, que está controlado por solo dos niveles de voltaje, generalmente 0 V y 5 V. Al cronometrar cuidadosamente la duración de los pulsos, y confiando en las propiedades de filtrado físico del altavoz (respuesta de frecuencia limitada, autoinducción, etc.) fue posible obtener una reproducción aproximada de muestras PCM mono, aunque con una calidad muy baja y con resultados muy diferentes entre implementaciones.

En tiempos más recientes, se introdujo el método de codificación de sonido Direct Stream Digital, que utiliza una forma generalizada de modulación de ancho de pulso llamada modulación de densidad de pulso, a una frecuencia de muestreo lo suficientemente alta (normalmente del orden de MHz) para cubrir todo el rango de frecuencias acústicas con suficiente fidelidad. Este método se utiliza en el formato SACD y la reproducción de la señal de audio codificada es esencialmente similar al método utilizado en los amplificadores de clase D.

Eléctrica

Las señales SPWM (modulación de ancho de pulso seno-triángulo) se utilizan en el diseño de microinversores (utilizados en aplicaciones de energía solar y eólica). Estas señales de conmutación se envían a los FET que se utilizan en el dispositivo. La eficiencia del dispositivo depende del contenido armónico de la señal PWM. Hay mucha investigación sobre la eliminación de armónicos no deseados y la mejora de la fuerza fundamental, algunas de las cuales implican el uso de una señal portadora modificada en lugar de una señal de diente de sierra clásica para disminuir las pérdidas de energía y mejorar la eficiencia. Otra aplicación común es en robótica, donde las señales PWM se utilizan para controlar la velocidad del robot mediante el control de los motores.

Indicador LED de parpadeo suave

Las técnicas de PWM normalmente se utilizan para hacer que algún indicador (como un LED) "parpadee suavemente". La luz pasará lentamente de la oscuridad a la máxima intensidad y se atenuará lentamente a la oscuridad nuevamente. Luego se repite. El período sería de varios parpadeos suaves por segundo hasta varios segundos para un parpadeo. Un indicador de este tipo no molestaría tanto como un "parpadeo fuerte" indicador de encendido/apagado. La lámpara indicadora del Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005) era de este tipo. Este tipo de indicador también se denomina "resplandor pulsante", en lugar de llamarlo "intermitente".