¿Qué es PWM? Modulación de ancho de pulso

La modulación es un proceso eléctrico no lineal en el que los parámetros de una señal (portadora) se cambian utilizando otra señal (modulación, información). En la tecnología de la comunicación, la modulación de frecuencia, amplitud y fase es ampliamente utilizada. En electrónica de potencia y tecnología de microprocesadores, la modulación de ancho de pulso se ha generalizado.

¿Qué es PWM (modulación de ancho de pulso)?

Con la modulación de ancho de pulso de la señal original, la amplitud, la frecuencia y la fase de la señal original permanecen sin cambios. La duración (anchura) del pulso rectangular está sujeta a cambios bajo la acción de la señal de información. En la literatura técnica inglesa, se abrevia como PWM - modulación de ancho de pulso.

Cómo funciona PWM

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

• cosa análoga;
• digital.

Con el método analógico de crear una señal PWM, un portador en forma de diente de sierra o señal triangular se alimenta a un inversor entrada del comparador, e información - sobre la no inversión. Si el nivel instantáneo de la portadora es más alto que la señal de modulación, entonces la salida del comparador es cero, si es más baja, uno. La salida es una señal discreta con una frecuencia correspondiente a la frecuencia del triángulo portador o sierra, y una longitud de pulso proporcional al nivel de la tensión de modulación.

Como ejemplo, la modulación de ancho de pulso de una señal triangular aumenta linealmente. La duración de los pulsos de salida es proporcional al nivel de la señal de salida.

Los controladores PWM analógicos también están disponibles en forma de microcircuitos listos para usar, dentro de los cuales se instalan un comparador y un circuito de generación de portadores. Hay entradas para conectar elementos de ajuste de frecuencia externos y proporcionar una señal de información. Se elimina una señal de la salida que controla potentes claves foráneas. También hay entradas para retroalimentación: son necesarias para mantener los parámetros de control establecidos. Tal, por ejemplo, es el chip TL494. Para los casos en los que la potencia del consumidor es relativamente pequeña, hay disponibles controladores PWM con teclas integradas. La llave interna del microcircuito LM2596 está diseñada para corriente de hasta 3 amperios.

El método digital se lleva a cabo utilizando microcircuitos o microprocesadores especializados. La duración del pulso es controlada por el programa interno. Muchos microcontroladores, incluidos los populares PIC y AVR, tienen un módulo incorporado para la implementación de hardware de PWM "a bordo". Para recibir una señal PWM, debe activar el módulo y configurar sus parámetros de operación.Si dicho módulo no está disponible, entonces PWM puede organizarse únicamente por software, esto no es difícil. Este método brinda más poder y libertad a través del uso flexible de las salidas, pero usa 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 ciclo de trabajo D.

La amplitud en voltios se establece en función de la carga. Debe proporcionar la tensión de alimentación nominal del consumidor.

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

1. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la precisión del control.
2. La frecuencia no debe ser inferior al tiempo de respuesta del dispositivo controlado por PWM, de lo contrario, se producirán ondas notables del parámetro controlado.
3. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayores serán las pérdidas de conmutación. Surge del hecho de que el tiempo de conmutación de la llave es finito. En el estado bloqueado, todo el voltaje de suministro cae en el elemento clave, pero casi no hay corriente. En estado abierto, la corriente de carga completa fluye a través de la llave, pero la caída de voltaje es pequeña, ya que la resistencia de paso es de unos pocos ohmios. En ambos casos, la disipación de potencia es despreciable. La transición de un estado a otro ocurre rápidamente, pero no instantáneamente. En el proceso de desbloqueo-bloqueo, cae un gran voltaje en un elemento parcialmente abierto y, al mismo tiempo, fluye una corriente significativa a través de él. En este momento, la potencia disipada alcanza valores elevados. Este período es corto, la tecla no tiene tiempo para calentarse significativamente.Pero con un aumento en la frecuencia de tales intervalos de tiempo por unidad de tiempo, se vuelve más y aumentan las pérdidas de calor. Por lo tanto, para construir claves, es importante utilizar elementos rápidos.
4. Cuando se conduce motor eléctrico la frecuencia debe quitarse del área audible para una persona: 25 kHz y más. Porque a una frecuencia PWM más baja, se produce un silbido desagradable.

Estos requisitos a menudo están en conflicto entre sí, por lo que la elección de la frecuencia en algunos casos es un compromiso.

El valor de modulación caracteriza el ciclo de trabajo. Dado que la tasa de repetición de pulsos es constante, la duración del período también es constante (T=1/f). El período consiste en un impulso y una pausa, teniendo una duración, respectivamente, t_diablillo y T_pausas, y T_diablillo+t_pausas=T. El ciclo de trabajo es la relación entre la duración del pulso y el período - S \u003d t_diablillo/T. Pero en la práctica resultó ser más conveniente usar el valor recíproco: el factor de relleno: D=1/S=T/t_diablillo. Es aún más conveniente expresar el factor de llenado como un porcentaje.

¿Cuál es la diferencia entre PWM y SIR?

En la literatura técnica extranjera no hay diferencia entre modulación de ancho de pulso y regulación de ancho de pulso (PWR). Los especialistas rusos están tratando de distinguir entre estos conceptos. De hecho, PWM es un tipo de modulación, es decir, cambios en la señal portadora bajo la influencia de otra moduladora. La señal portadora actúa como portadora de información y la señal moduladora establece esta información. Y la regulación de ancho de pulso es la regulación del modo de carga usando PWM.

Razones y aplicaciones de PWM

El principio de modulación de ancho de pulso se utiliza en controladores de velocidad de potentes motores asíncronos. En este caso, la señal moduladora de frecuencia regulable (monofásica o trifásica) es generada por un generador de onda sinusoidal de baja potencia y superpuesta a la portadora de forma analógica. La salida es una señal PWM, que se alimenta a las teclas de la potencia requerida. Luego, puede pasar la secuencia de pulsos resultante a través de un filtro de paso bajo, por ejemplo, a través de un circuito RC simple, y seleccionar la sinusoide original. O puede prescindir de él: la filtración se producirá naturalmente debido a la inercia del motor. Obviamente, 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 es imposible amplificar la señal del generador de inmediato, por ejemplo, utilizando potentes transistores? Porque un elemento regulador que opera en modo lineal redistribuirá la potencia entre la carga y la llave. En este caso, se desperdicia energía significativa en el elemento clave. Si un elemento de control potente funciona en un modo clave (trinistor, triac, transistor RGBT), la potencia se distribuye a lo largo del tiempo. Las pérdidas serán mucho menores y la eficiencia será mucho mayor.

En la tecnología digital, no existe una alternativa particular a la regulación del ancho de pulso. La amplitud de la señal es constante allí, el voltaje y la corriente solo se pueden cambiar modulando la portadora a lo largo del ancho del pulso y luego promediando. Por lo tanto, PWM se usa para regular el voltaje y la corriente en aquellos objetos que pueden promediar la señal del pulso. El promedio se produce de diferentes maneras:

1. debido a la inercia de la carga.Así, la inercia térmica de los calentadores termoeléctricos y las lámparas incandescentes permite que los objetos regulados no se enfríen notablemente en las pausas entre pulsos.
2. Debido a la inercia de la percepción. El LED tiene tiempo de apagarse de pulso en pulso, pero el ojo humano no lo nota y lo percibe como un brillo constante con intensidad variable. Este principio se utiliza para controlar el brillo de los puntos de los monitores LED. Pero el parpadeo imperceptible con una frecuencia de varios cientos de hercios todavía está presente y causa fatiga ocular.
3. debido a la inercia mecánica. Esta propiedad se utiliza en el control de motores DC con escobillas. Con una frecuencia de regulación correctamente seleccionada, el motor no tiene tiempo de ralentizarse en las pausas muertas.

Por lo tanto, PWM se usa donde el valor promedio de voltaje o corriente juega un papel decisivo. Además de los casos comunes mencionados, el método PWM regula la corriente media en máquinas de soldar y cargadores de baterías, etc.

Si el promedio natural no es posible, en muchos casos este papel puede ser asumido por el filtro de paso bajo ya mencionado (LPF) en forma de cadena RC. A efectos prácticos, esto es suficiente, pero debe entenderse que es imposible aislar la señal original del PWM utilizando un filtro de paso bajo sin distorsión. Después de todo, el espectro PWM contiene un número infinito de armónicos que inevitablemente caerán en la banda de paso del filtro. Por lo tanto, uno no debe hacerse ilusiones sobre la forma de la sinusoide reconstruida.

Control de LED RGB PWM muy eficiente y efectivo. Este dispositivo tiene tres uniones p-n: rojo, azul y verde.Al cambiar por separado el brillo del brillo de cada canal, puede obtener casi cualquier color del brillo del LED (con la excepción del blanco puro). Las posibilidades para crear efectos de iluminación con PWM son infinitas.

La aplicación más común de una señal digital modulada por ancho de pulso es controlar la corriente o el voltaje promedio que fluye a través de una carga. Pero también es posible el uso no estándar de este tipo de modulación. Todo depende de la imaginación del desarrollador.

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