Circuito de onda senoidal PWM (SPWM) usando Opamp

SPWM refere-se à modulação de largura de pulso de onda senoidal, que é um arranjo de largura de pulso no qual os pulsos são mais estreitos no início, que gradualmente ficam mais largos no meio e, em seguida, mais estreitos novamente no final do arranjo. Este conjunto de pulsos quando implementado em uma aplicação indutiva como o inversor permite que a saída seja transformada em uma forma de onda senoidal exponencial, que pode parecer exatamente idêntica a uma forma de onda senoidal de grade convencional,

Adquirir uma saída de onda senoidal de um inversor pode ser a característica mais crucial e mais vantajosa para dar o máximo de eficiência à unidade, em termos de qualidade de saída. Vamos aprender como fazer onda senoidal PWM ou SPWM usando um opamp.

Simular uma forma de onda senoidal não é fácil

Alcançar uma saída de onda senoidal pode ser bastante complexo e pode não ser recomendado para inversores, porque os dispositivos eletrônicos normalmente não 'gostam' de correntes ou tensões crescentes exponencialmente. Uma vez que os inversores são feitos essencialmente usando dispositivos eletrônicos de estado sólido, uma forma de onda senoidal é normalmente evitada.

Dispositivos eletrônicos de energia quando forçados a operar com ondas sinusoidais produzem resultados ineficientes, pois os dispositivos tendem a ficar relativamente mais quentes em comparação com quando operados com pulsos de onda quadrada.

Portanto, a próxima melhor opção para implementar um onda senoidal de um inversor é a propósito de PWM, que significa modulação por largura de pulso.

PWM é uma maneira avançada (variante digital) de produzir uma forma de onda exponencial através de larguras de pulso quadradas que variam proporcionalmente, cujo valor líquido é calculado para corresponder exatamente ao valor líquido de uma forma de onda exponencial selecionada, aqui o valor 'líquido' se refere ao valor RMS. Portanto, um PWM perfeitamente calculado com referência a uma dada onda senoidal pode ser usado como um equivalente perfeito para replicar a dada onda senoidal.

Além disso, os PWMs tornam-se idealmente compatíveis com dispositivos eletrônicos de energia (mosfets, BJTs, IGBTS) e permitem que funcionem com dissipação de calor mínima.

No entanto, gerar ou criar formas de onda PWM de onda senoidal é normalmente considerado complexo, e isso porque a implementação não é fácil de simular mentalmente.

Até eu tive que passar por um brainstorming antes de poder simular corretamente a função por meio de um pensamento e imaginação intensos.

O que é SPWM

O método mais fácil conhecido de gerar uma onda sinusoidal PWM (SPWM), é alimentar um par de sinais que variam exponencialmente para a entrada de um opamp para o processamento necessário. Entre os dois sinais de entrada, um precisa ser muito mais alto em sua frequência em comparação com o outro.

O IC 555 também pode ser usado efetivamente para gerar PWMs equivalentes de seno , incorporando seus opamps embutidos e um circuito gerador de rampa triangular R / C.

A discussão a seguir ajudará você a entender todo o procedimento.

Novos amadores e até mesmo os profissionais agora acharão muito fácil entender sobre como os PWMs de onda senoidal (SPWM) são implementados pelo processamento de alguns sinais usando um opamp, vamos descobrir com a ajuda do diagrama a seguir e simulação.

Usando dois sinais de entrada

Conforme mencionado na seção anterior, o procedimento envolve a alimentação de duas formas de onda que variam exponencialmente às entradas de um amp op.

Aqui, o opamp é configurado como um comparador típico, então podemos assumir que o opamp irá imediatamente começar a comparar os níveis de tensão instantâneos dessas duas formas de onda sobrepostas no momento em que elas aparecem ou são aplicadas às suas entradas.

A fim de habilitar o OP para implementar os PWMs de onda senoidal necessários corretamente em sua saída, é imperativo que um dos sinais tenha uma frequência muito mais alta do que o outro. A frequência mais lenta aqui é aquela que se supõe ser a onda senoidal de amostra que precisa ser imitada (replicada) pelos PWMs.

O ideal é que ambos os sinais sejam ondas senoidais (um com frequência maior que o outro), porém o mesmo também pode ser implementado incorporando uma onda triangular (alta frequência) e uma onda senoidal (onda amostra com baixa frequência).

Como pode ser visto nas imagens a seguir, o sinal de alta frequência é invariavelmente aplicado à entrada inversora (-) do opamp, enquanto a outra onda senoidal mais lenta é aplicada à entrada não inversora (+) do opamp.

Na pior das hipóteses, ambos os sinais podem ser ondas triangulares com os níveis de frequência recomendados conforme discutido acima. Ainda assim, isso o ajudaria a alcançar um PWM equivalente de onda senoidal razoavelmente bom.

O sinal com a frequência mais alta é denominado como sinal de portadora, enquanto o sinal de amostra mais lento é denominado entrada de modulação.

Criando um SPWM com onda triangular e sinewave

Referindo-nos à figura acima, podemos visualizar claramente por meio de pontos traçados os vários pontos de tensão coincidentes ou sobrepostos dos dois sinais em um determinado intervalo de tempo.

O eixo horizontal significa o período de tempo da forma de onda, enquanto o eixo vertical indica os níveis de tensão das duas formas de onda sobrepostas em execução simultânea.

A figura nos informa sobre como o opamp responderia aos níveis de voltagem instantânea coincidentes mostrados das duas formas de onda e produziria uma onda sinusoidal PWM correspondentemente variável em sua saída.

O procedimento não é tão difícil de imaginar. O opamp simplesmente compara os vários níveis de tensão instantânea da onda triangular rápida com a onda senoidal relativamente mais lenta (também pode ser uma onda triangular) e verifica as instâncias durante as quais a tensão da forma de onda do triângulo pode ser menor do que a tensão da onda senoidal e responde instantaneamente criando alta lógica em suas saídas.

Isto é sustentado enquanto o potencial de onda triangular continua abaixo do potencial de onda senoidal, e no momento em que o potencial de onda senoidal é detectado como sendo menor do que o potencial de onda triangular instantâneo, as saídas são revertidas com um baixo e sustentado até que a situação se reverta .

Esta comparação contínua dos níveis de potencial instantâneo das duas formas de onda sobrepostas sobre as duas entradas dos opamps resulta na criação dos PWMs correspondentemente variáveis ​​que podem ser exatamente a replicação da forma de onda senoidal aplicada na entrada não inversora do opamp.

Opamp processando o SPWM

A imagem a seguir mostra a simulação em câmera lenta da operação acima:

Aqui podemos testemunhar a explicação acima sendo implementada na prática, e é exatamente assim que o OPP estaria executando o mesmo (embora a uma taxa muito maior, em ms).

A figura superior mostra uma representação SPWM um pouco mais precisa do que o segundo diagrama de rolagem, isso porque na primeira figura eu tive o conforto do layout do gráfico no fundo, enquanto no segundo diagrama simulado eu tive que plotar o mesmo sem a ajuda de as coordenadas do gráfico, portanto, posso ter perdido alguns dos pontos coincidentes e, portanto, as saídas parecem um pouco imprecisas em comparação com o primeiro.

No entanto, a operação é bastante evidente e traz distintamente como um amp op deve processar uma onda senoidal PWM comparando dois sinais que variam simultaneamente em suas entradas, conforme explicado nas seções anteriores.

Na verdade, um opamp processaria os PWMs de onda senoidal com muito mais precisão do que a simulação mostrada acima, podendo ser 100 vezes melhor, produzindo PWMs extremamente uniformes e bem dimensionados correspondentes à amostra alimentada. onda senoidal.

Diagrama de circuito