Modulação por largura de pulso (PWM)

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Uso de PWM como uma técnica de comutação

A modulação por largura de pulso (PWM) é uma técnica comumente usada para controlar geralmente a energia CC para um dispositivo elétrico, tornada prática por interruptores eletrônicos modernos. No entanto, ele também encontra seu lugar em helicópteros AC. O valor médio da corrente fornecida à carga é controlado pela posição da chave e pela duração de seu estado. Se o período de ativação da chave for mais longo em comparação com o período de desativação, a carga receberá potência comparativamente maior. Portanto, a frequência de chaveamento PWM deve ser mais rápida.



Normalmente, a comutação deve ser feita várias vezes por minuto em um fogão elétrico, 120 Hz em um dimmer de lâmpada, de alguns quilohertz (kHz) a dezenas de kHz para um acionamento motorizado. A frequência de comutação para amplificadores de áudio e fontes de alimentação de computador é de cerca de dez a centenas de kHz. A relação entre o tempo de ativação e o período de tempo do pulso é conhecida como ciclo de serviço. Se o ciclo de trabalho for baixo, isso implica em baixa potência.


A perda de energia no dispositivo de comutação é muito baixa, devido à quantidade quase insignificante de corrente fluindo no estado desligado do dispositivo e quantidade insignificante de queda de tensão em seu estado desligado. Os controles digitais também usam a técnica PWM. O PWM também tem sido usado em certos sistemas de comunicação onde seu ciclo de trabalho é usado para transmitir informações por um canal de comunicação.



Ciclo de trabalho de onda quadrada

O PWM pode ser usado para ajustar a quantidade total de energia fornecida a uma carga sem perdas normalmente incorridas quando uma transferência de energia é limitada por meios resistivos. As desvantagens são as pulsações definidas pelo ciclo de serviço, frequência de comutação e propriedades da carga. Com uma frequência de chaveamento suficientemente alta e, quando necessário, usando filtros eletrônicos passivos adicionais, o trem de pulso pode ser suavizado e a forma de onda analógica média recuperada. Os sistemas de controle PWM de alta frequência podem ser facilmente implementados usando chaves semicondutoras.

Como já foi dito acima, quase nenhuma energia é dissipada pela chave no estado ligado ou desligado. Entretanto, durante as transições entre os estados ligado e desligado, tanto a tensão quanto a corrente são diferentes de zero e, portanto, uma energia considerável é dissipada nas chaves. Felizmente, a mudança de estado entre totalmente ligado e totalmente desligado é bastante rápida (normalmente menos de 100 nanossegundos) em relação aos tempos normais de ligar ou desligar e, portanto, a dissipação de potência média é bastante baixa em comparação com a energia sendo fornecida, mesmo quando altas frequências de comutação são usados.

Uso de PWM para fornecer energia DC para carregar

A maior parte do processo industrial precisa ser executada em certos parâmetros no que diz respeito à velocidade do inversor. Os sistemas de acionamento elétrico usados ​​em muitas aplicações industriais requerem maior desempenho, confiabilidade e velocidade variável devido à sua facilidade de controlabilidade. O controle de velocidade do motor DC é importante em aplicações onde precisão e proteção são essenciais. O objetivo de um controlador de velocidade do motor é receber um sinal que representa a velocidade necessária e acionar um motor nessa velocidade.


A modulação por largura de pulso (PWM), conforme se aplica ao controle do motor, é uma forma de fornecer energia por meio de uma sucessão de pulsos, em vez de um sinal de variação contínua (analógico). Ao aumentar ou diminuir a largura de pulso, o controlador regula o fluxo de energia para o eixo do motor. A própria indutância do motor atua como um filtro, armazenando energia durante o ciclo 'ON' enquanto a libera a uma taxa correspondente ao sinal de entrada ou de referência. Em outras palavras, a energia flui para a carga não tanto na frequência de chaveamento, mas na frequência de referência.

O circuito é usado para controlar a velocidade de motor DC usando a técnica PWM. O controlador de motor DC de velocidade variável série 12V usa um temporizador 555 IC como um gerador de pulso PWM para regular a velocidade do motor DC12 Volt. IC 555 é o chip de cronômetro popular usado para fazer circuitos de cronômetro. Foi introduzido em 1972 pela Signetics. É chamado de 555 porque há três resistores de 5 K dentro. O IC consiste em dois comparadores, uma cadeia de resistores, um Flip Flop e um estágio de saída. Funciona em 3 modos básicos - Astable, Monostable (onde atua como gerador de pulso único e modo Biestable. Ou seja, quando é acionado, a saída fica alta por um período com base nos valores do resistor de temporização e do capacitor. Modo astável (AMV), o IC funciona como um multivibrador de funcionamento livre. A saída fica alta e baixa continuamente para dar uma saída pulsante como um oscilador. No modo biestável, também conhecido como gatilho Schmitt, o IC opera como um flip-flop com alta ou baixa saída em cada trigger e reset.

Controle de velocidade do motor DC baseado em PWM

Neste circuito, IRF540 MOSFET é usado. Este é o MOSFET de aprimoramento do canal N. É um MOSFET de potência avançado projetado, testado e garantido para suportar um nível especificado de energia no modo de operação avalanche de avaria. Esses MOSFETs de potência são projetados para aplicações como reguladores de chaveamento, conversores de chaveamento, drivers de motor, drivers de relé e drivers para transistores de chaveamento bipolar de alta potência que requerem alta velocidade e baixa potência de acionamento de gate. Esses tipos podem ser operados diretamente de circuitos integrados. A tensão de trabalho deste circuito pode ser ajustada de acordo com as necessidades do motor DC acionado. Este circuito pode funcionar de 5 a 18 VCC.

Circuito acima, ou seja, Controle de velocidade do motor DC por PWM A técnica varia o ciclo de trabalho que, por sua vez, controla a velocidade do motor. IC 555 está conectado em modo astável multi vibrador de funcionamento livre. O circuito consiste em um arranjo de um potenciômetro e dois diodos, que são usados ​​para alterar o ciclo de trabalho e manter a frequência constante. Conforme a resistência do resistor variável ou do potenciômetro é variada, o ciclo de trabalho dos pulsos aplicados ao MOSFET varia e, consequentemente, a potência CC para o motor varia e, portanto, sua velocidade aumenta à medida que o ciclo de trabalho aumenta.

Uso de PWM para fornecer energia AC para carregar

Chaves semicondutoras modernas, como MOSFETs ou transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), são componentes bastante ideais. Assim, controladores de alta eficiência podem ser construídos. Normalmente, os conversores de frequência usados ​​para controlar motores CA têm eficiência melhor que 98%. Fontes de alimentação comutadas têm eficiência mais baixa devido aos baixos níveis de tensão de saída (muitas vezes até menos de 2 V para microprocessadores são necessários), mas ainda mais de 70-80% de eficiência pode ser alcançada.

Controle PWM em AC

Este tipo de controle para CA é o método de ângulo de disparo retardado conhecido por potência. É mais barato e gera muito ruído elétrico e harmônicos em comparação com o controle PWM real, que desenvolve ruído desprezível.

Em muitas aplicações, como aquecimento industrial, controle de iluminação, motores de indução de partida suave e controladores de velocidade para ventiladores e bombas, requer tensão CA variável de fonte CA fixa. O controle do ângulo de fase dos reguladores tem sido amplamente utilizado para esses requisitos. Oferece algumas vantagens, como simplicidade e capacidade de controlar economicamente grande quantidade de energia. No entanto, o ângulo de tiro atrasado causa descontinuidade e muitos harmônicos na corrente de carga e um fator de potência atrasado ocorre no lado CA quando o ângulo de tiro aumenta.

Esses problemas podem ser melhorados usando o chopper PWM AC. Este chopper PWM AC oferece várias vantagens, como corrente de entrada senoidal com fator de potência próximo da unidade. No entanto, para reduzir o tamanho do filtro e melhorar a qualidade do regulador de saída, a frequência de chaveamento deve ser aumentada. Isso causa grande perda de comutação. Outro problema é a comutação entre a chave de transferência S1 e a chave de roda livre S2. Ele causa o pico de corrente se os dois interruptores forem ligados ao mesmo tempo (curto-circuito), e o pico de tensão se os dois interruptores forem desligados (sem caminho de giro livre). Para evitar esses problemas, foram usados ​​snubber RC. No entanto, isso aumenta a perda de potência no circuito e é difícil, caro, volumoso e ineficiente para aplicações de alta potência. É proposto o chopper CA com comutação de tensão de corrente zero (ZCS-ZVS). Seu regulador de tensão de saída precisa variar o tempo de desligamento controlado pelo sinal PWM. Assim, é necessário usar o controle de frequência para obter a comutação suave e os sistemas de controle geral usam as técnicas PWM produzindo o tempo de ativação. Esta técnica tem vantagens como controle simples com modulação sigma-delta e corrente contínua de entrada. Os recursos da configuração do circuito proposto e os padrões de corte PWM são apresentados a seguir.

PWM