O que é PWM, como medi-lo

PWM significa modulação por largura de pulso, que significa a natureza variável das larguras de pulso que podem ser geradas a partir de uma fonte particular, como um IC discreto, MCU ou um circuito transistorizado.

O que é PWM

Em termos simples, um processo PWM nada mais é do que LIGAR e DESLIGAR uma tensão de alimentação em uma taxa específica com diferentes relações de temporização LIGAR / DESLIGAR, aqui o comprimento da tensão de LIGAR pode ser maior, menor ou igual ao comprimento de DESLIGAR da chave.

Por exemplo, um PWM pode consistir em uma tensão fixada para LIGAR e DESLIGAR na taxa de 2 segundos LIGADO 1 segundo DESLIGADO, 1 segundo LIGADO 2 segundos DESLIGADO ou 1 segundo LIGADO, 1 segundo DESLIGADO.

Quando esta taxa ON / OFF de uma tensão de alimentação é otimizada de forma diferente, dizemos que a tensão é modulada por PWM ou largura de pulso.

Todos vocês já devem estar familiarizados com a forma como um potencial DC constante aparece em um gráfico de tempo de tensão v / s, conforme mostrado abaixo:

Na imagem acima podemos ver uma linha reta no nível 9V, isso é conseguido porque o nível 9V não muda em relação ao tempo e, portanto, somos capazes de testemunhar uma linha reta.

Agora, se este 9V for LIGADO e DESLIGADO a cada 1 segundo, o gráfico acima teria a seguinte aparência:

Podemos ver claramente que agora a linha 9V não é mais um avaliador em linha reta na forma de blocos a cada 1 segundo, uma vez que a linha 9V é LIGADA e DESLIGADA a cada segundo alternadamente.

Os traços acima parecem blocos retangulares porque quando o 9V é LIGADO e DESLIGADO as operações são instantâneas, o que repentinamente faz o 9V ir para o nível zero e, de repente, para o nível 9V, formando assim as formas retangulares no gráfico.

A condição acima dá origem a uma tensão pulsante que tem dois parâmetros a serem medidos, a saber: a tensão de pico e a tensão média ou a tensão RMS.

Pico e tensão média

Na primeira imagem, o pico de voltagem é obviamente 9 V, e a voltagem média também é 9 V simplesmente porque a voltagem é constante, sem interrupções.

No entanto, na segunda imagem, embora a tensão seja LIGADA / DESLIGADA a uma taxa de 1 Hz (1 segundo LIGADA, 1 segundo DESLIGADA), o pico ainda será igual a 9V, porque o pico está sempre atingindo a marca de 9V durante os períodos LIGADO. Mas a tensão média aqui não é de 9 V, em vez de 4,5 V, porque o início e a interrupção da tensão são feitos a uma taxa de 50%.

Nas discussões de PWM, essa taxa ON / OFF é chamada de ciclo de trabalho do PWM, portanto, no caso acima, é um ciclo de trabalho de 50%.

Quando você mede um PWM com um multímetro digital em uma faixa DC, você sempre obterá a leitura do valor médio no medidor.

Novos amadores geralmente se confundem com essa leitura e a consideram o valor de pico, o que é totalmente errado.

Conforme explicado acima, o valor de pico de um PWM será principalmente igual à tensão de alimentação fornecida ao circuito, enquanto a volatilidade média no medidor será a média dos períodos ON / OFF dos PWMs.

Alternando Mosfet com PWM

Portanto, se você estiver trocando um mosfet com um PWM e descobrir que a tensão do portão é, digamos, 3 V, não entre em pânico, pois isso pode ser apenas a tensão média indicada pelo medidor, o pico de tensão pode ser tão alto quanto o fornecimento do seu circuito Tensão.

Portanto, pode-se esperar que o mosfet esteja conduzindo bem e totalmente através desses valores de pico e a tensão média estaria apenas afetando seu período de condução, não as especificações de comutação do dispositivo.

Como discutimos nas seções anteriores, um PWM envolve fundamentalmente a variação das larguras de pulso, em outras palavras, os períodos ON e OFF do DC.

Digamos, por exemplo, que você deseja uma saída PWM com um tempo de ativação 50% menor do que o tempo de ativação.

Vamos supor que o tempo LIGADO selecionado seja 1/2 segundo, então o tempo DESLIGADO seria igual a 1 segundo, o que daria origem a um ciclo de trabalho de 1/2 segundo LIGADO e 1 segundo DESLIGADO, como pode ser visto no diagrama a seguir .

Analisando o ciclo de trabalho do PWM

Neste exemplo, os PWMs são otimizados para produzir uma tensão de pico de 9 V, mas uma tensão média de 3,15 V, uma vez que o tempo LIGADO é apenas 35% de um ciclo LIGA / DESLIGA completo completo.

Um ciclo completo refere-se ao período de tempo que permite que um determinado pulso complete seu tempo LIGADO e um tempo DESLIGADO.

Da mesma forma, pode-se pretender otimizar a largura de pulso de uma frequência com os seguintes dados:

Aqui, o tempo de LIGADO pode ser visto aumentado do que o tempo de DESLIGADO em 65% em um ciclo completo, portanto, aqui o valor médio da tensão torna-se 5,85 V.

A tensão média discutida acima também é chamada de RMS ou valor médio quadrático da tensão.

Como todos esses pulsos são retangulares ou quadrados, o RMS pode ser calculado simplesmente multiplicando a porcentagem do ciclo de trabalho pela tensão de pico.

Otimizando PWM para Simular Sinewave

No entanto, nos casos em que o PWM é otimizado para simular um pulso CA, o cálculo do RMS se torna um pouco complexo.

Vejamos o exemplo do PWM a seguir, que é otimizado para variar sua largura, correspondendo à amplitude variável ou ao nível de um sinal AC sinusoidal.

Você pode aprender mais sobre isso em um dos meus artigos anteriores, onde expliquei como o IC 555 pode ser usado para geração de saída PWM equivalente de onda sinusoidal .

Como podemos ver na imagem acima, a largura dos pulsos está mudando em relação ao nível instantâneo da onda senoidal. Conforme a onda senoidal tende a atingir o pico, a largura correspondente do pulso se torna mais ampla e vice-versa.

Usando SPWM

Isso indica que, como o nível de tensão da onda senoidal muda constantemente com o tempo, os PWMs também mudam com o tempo, variando constantemente suas larguras. Esse PWM também é conhecido como SPWM ou Sinewave Pulse Width Modulation.

Assim, no caso acima, os pulsos nunca são constantes, em vez disso, mudam suas larguras de maneira diferente com o tempo.

Isso torna seu RMS ou o cálculo do valor médio um pouco complexo e não podemos simplesmente multiplicar o ciclo de trabalho com a tensão de pico aqui para atingir o RMS.

Embora a fórmula real para derivar a expressão RMS seja bastante complexa, após as derivações apropriadas, a implementação final na verdade fica muito fácil.

Calculando a tensão RMS de um PWM

Assim, para calcular RMS de uma tensão PWM variável em resposta a uma onda senoidal, pode ser adquirido multiplicando 0,7 (constante) com a tensão de pico.

Portanto, para um pico de 9 V, obtemos 9 x 0,7 = 6,3 V, que é a tensão RMS ou o valor médio de um pico de 9 V a pico PWM simulando uma onda senoidal.

Papel do PWM em circuitos eletrônicos?

Você vai descobrir que o conceito de PWM está essencialmente associado a
projetos de circuito que têm indutores envolvidos especialmente as topologias de reforço de retorno, como inversores, SMPS , MPPT, circuitos de driver de LED etc.

Sem um indutor, um recurso PWM pode não ter nenhum valor real ou função em um determinado circuito, isso ocorre porque apenas um indutor tem a característica inerente de transformar uma largura de pulso variável em uma quantidade equivalente de intensificado (reforçado) ou reduzido (desviado) voltagem ou corrente, que se torna a única e única idéia de uma tecnologia PWM.

Usando PWM com Indutores

Para entender como o PWM afeta uma saída de indutor em termos de tensão e corrente, seria importante primeiro aprender como um indutor se comporta sob a influência de uma tensão pulsante.

Em uma de minhas postagens anteriores, expliquei sobre como funciona um circuito buck boost , este é um exemplo clássico para demonstrar como PWMs ou uma largura de pulso variável podem ser usados ​​para dimensionar uma saída de indutor.

É bem sabido que por 'natureza' um indutor sempre se opõe a uma aplicação repentina de voltagem através dele e permite que ele passe apenas depois de um determinado período de tempo, dependendo de suas especificações de enrolamento, e durante este processo ele armazena uma quantidade equivalente de energia em isto.

Agora, se no decorrer do processo acima a tensão for desligada repentinamente, o indutor novamente será incapaz de lidar com esse desaparecimento repentino da tensão aplicada e tentará equilibrá-la liberando a corrente armazenada nele.

Reação do indutor ao PWM

Assim, um indutor tentará se opor a um LIGAR da tensão armazenando a corrente e tentará equalizar em resposta a um súbito DESLIGAMENTO da tensão 'chutando' a energia armazenada de volta para o sistema.

Este retrocesso é chamado de EMF traseiro de um indutor e o conteúdo desta energia (tensão, corrente) dependerá das especificações do enrolamento do indutor.

Basicamente, o número de voltas decide se a EMF deve ser maior em voltagem do que a voltagem de alimentação ou menor que a voltagem de alimentação, e a espessura do fio decide a quantidade de corrente que o indutor pode ser capaz de processar.

Há outro aspecto do indutor acima, que é o tempo dos períodos de ON / OFF de tensão.

É aí que o uso de um PWM se torna crucial.

Embora o número de voltas determine fundamentalmente os valores de saída para um determinado, eles também podem variar conforme desejado alimentando um indutor PWM otimizado.

Por meio de um PWM variável, podemos forçar um indutor a gerar / converter tensões e correntes em qualquer taxa desejada, seja como uma tensão aumentada (corrente reduzida), ou uma corrente aumentada (tensão reduzida) ou vice-versa.

Em algumas aplicações, um PWM pode ser usado mesmo sem um indutor, como para escurecer uma luz LED, ou em circuitos de temporizador MCU, onde a saída pode ser otimizada para gerar tensões em diferentes interruptores ON, períodos de desligamento para controlar uma carga de acordo com suas especificações de trabalho pretendidas.