O que é PWM - Modulação por largura de pulso

A modulação é um processo elétrico não linear no qual os parâmetros de um sinal (portadora) são alterados usando outro sinal (modulação, informação). Na tecnologia de comunicação, a modulação de frequência, amplitude e fase é amplamente utilizada. Em eletrônica de potência e tecnologia de microprocessadores, a modulação por largura de pulso tornou-se generalizada.

O que é PWM (modulação de largura de pulso)

Com a modulação por largura de pulso do sinal original, a amplitude, a frequência e a fase do sinal original permanecem inalteradas. A duração (largura) do pulso retangular está sujeita a alterações sob a ação do sinal de informação. Na literatura técnica inglesa, é abreviado como PWM - pulse-width modulation.

Como funciona o PWM

O sinal modulado por largura de pulso é formado de duas maneiras:

• analógico;
• digital.

Com o método analógico de criação de um sinal PWM, uma portadora na forma de um sinal triangular ou dente de serra é alimentada a um inversor entrada do comparador, e informações - sobre não-inversão. Se o nível da portadora instantânea for maior que o sinal de modulação, a saída do comparador será zero, se for menor - um. A saída é um sinal discreto com uma frequência correspondente à frequência do triângulo portador ou serra, e um comprimento de pulso proporcional ao nível da tensão modulante.

Como exemplo, a modulação de largura de pulso de um sinal triangular está aumentando linearmente. A duração dos pulsos de saída é proporcional ao nível do sinal de saída.

Os controladores PWM analógicos também estão disponíveis na forma de microcircuitos prontos, dentro dos quais são instalados um comparador e um circuito de geração de portadora. Existem entradas para conectar elementos externos de ajuste de frequência e fornecer um sinal de informação. Um sinal é removido da saída que controla chaves estrangeiras poderosas. Há também entradas para feedback - elas são necessárias para manter os parâmetros de controle definidos. Tal, por exemplo, é o chip TL494. Para os casos em que a potência do consumidor é relativamente pequena, estão disponíveis controladores PWM com chaves integradas. A chave interna do microcircuito LM2596 é projetada para corrente de até 3 amperes.

O método digital é realizado usando microcircuitos ou microprocessadores especializados. A duração do pulso é controlada pelo programa interno. Muitos microcontroladores, incluindo os populares PIC e AVR, possuem um módulo embutido para implementação de hardware de PWM “on board”, para receber um sinal PWM, é necessário ativar o módulo e definir seus parâmetros de operação.Se tal módulo não estiver disponível, o PWM pode ser organizado puramente por software, o que não é difícil. Este método dá mais poder e liberdade através do uso flexível de saídas, mas usa mais recursos do controlador.

Características do sinal PWM

As características importantes do sinal PWM são:

• amplitude (U);
• frequência (f);
• ciclo de trabalho (S) ou ciclo de trabalho D.

A amplitude em volts é ajustada dependendo da carga. Deve fornecer a tensão de alimentação nominal do consumidor.

A frequência do sinal modulado pela largura de pulso é selecionada a partir das seguintes considerações:

1. Quanto maior a frequência, maior a precisão do controle.
2. A frequência não deve ser inferior ao tempo de resposta do dispositivo controlado por PWM, caso contrário ocorrerão ondulações perceptíveis do parâmetro controlado.
3. Quanto maior a frequência, maiores as perdas de comutação. Ela surge do fato de que o tempo de comutação da chave é finito. No estado bloqueado, toda a tensão de alimentação cai no elemento chave, mas quase não há corrente. No estado aberto, a corrente de carga total flui através da chave, mas a queda de tensão é pequena, pois a resistência de saída é de alguns ohms. Em ambos os casos, a dissipação de potência é desprezível. A transição de um estado para outro ocorre rapidamente, mas não instantaneamente. No processo de desbloqueio-bloqueio, uma grande tensão cai em um elemento parcialmente aberto e, ao mesmo tempo, uma corrente significativa flui através dele. Neste momento, a potência dissipada atinge valores elevados. Este período é curto, a chave não tem tempo para aquecer significativamente.Mas com um aumento na frequência desses intervalos de tempo por unidade de tempo, torna-se mais e as perdas de calor aumentam. Portanto, para construir chaves, é importante usar elementos rápidos.
4. Ao dirigir motor elétrico a frequência deve ser retirada da área audível para uma pessoa - 25 kHz e acima. Porque em uma frequência PWM mais baixa, ocorre um apito desagradável.

Esses requisitos geralmente estão em conflito uns com os outros, portanto, a escolha da frequência em alguns casos é um compromisso.

O valor de modulação caracteriza o ciclo de trabalho. Como a taxa de repetição do pulso é constante, a duração do período também é constante (T=1/f). O período consiste em um impulso e uma pausa, tendo uma duração, respectivamente, t_{criança levada} e T_pausas, e T_{criança levada}+t_pausas=T. O ciclo de trabalho é a razão entre a duração do pulso e o período - S \u003d t_{criança levada}/T. Mas, na prática, acabou sendo mais conveniente usar o valor recíproco - o fator de preenchimento: D=1/S=T/t_{criança levada}. É ainda mais conveniente expressar o fator de preenchimento como uma porcentagem.

Qual é a diferença entre PWM e SIR

Na literatura técnica estrangeira não há diferença entre modulação por largura de pulso e regulação por largura de pulso (PWR). Especialistas russos estão tentando distinguir entre esses conceitos. Na verdade, PWM é um tipo de modulação, ou seja, mudanças no sinal da portadora sob a influência de outra, modulando uma. O sinal da portadora atua como portador da informação, e o sinal modulador define essa informação. E a regulação da largura de pulso é a regulação do modo de carga usando PWM.

Razões e aplicações do PWM

O princípio da modulação por largura de pulso é usado em controladores de velocidade de motores assíncronos potentes. Neste caso, o sinal modulador de frequência ajustável (monofásico ou trifásico) é gerado por um gerador de onda senoidal de baixa potência e sobreposto à portadora de forma analógica. A saída é um sinal PWM, que é alimentado às teclas da potência necessária. Então você pode passar a sequência de pulsos resultante através de um filtro passa-baixa, por exemplo, através de um circuito RC simples e selecionar a senóide original. Ou você pode ficar sem ele - a filtragem ocorrerá naturalmente devido à inércia do motor. Obviamente, quanto maior a frequência da portadora, mais a forma de onda de saída está próxima da senóide original.

Surge uma pergunta natural - por que é impossível amplificar o sinal do gerador imediatamente, por exemplo, usando transistores poderosos? Porque um elemento regulador operando em modo linear redistribuirá a potência entre a carga e a chave. Nesse caso, um poder significativo é desperdiçado no elemento-chave. Se um poderoso elemento de controle opera em um modo de chave (trinistor, triac, transistor RGBT), a energia é distribuída ao longo do tempo. As perdas serão muito menores e a eficiência será muito maior.

Na tecnologia digital, não há alternativa específica para a regulação da largura de pulso. A amplitude do sinal é constante, a tensão e a corrente podem ser alteradas apenas modulando a portadora ao longo da largura do pulso e, posteriormente, calculando a média. Portanto, o PWM é usado para regular a tensão e a corrente nos objetos que podem calcular a média do sinal de pulso. A média ocorre de diferentes maneiras:

1. devido à inércia da carga.Assim, a inércia térmica de aquecedores termoelétricos e lâmpadas incandescentes permite que os objetos regulados não esfriem visivelmente nas pausas entre os pulsos.
2. Devido à inércia da percepção. O LED tem tempo para sair de pulso em pulso, mas o olho humano não percebe isso e o percebe como um brilho constante com intensidade variável. Este princípio é usado para controlar o brilho dos pontos dos monitores LED. Mas o piscar imperceptível com uma frequência de várias centenas de hertz ainda está presente e causa fadiga ocular.
3. devido à inércia mecânica. Esta propriedade é utilizada no controle de motores CC escovados. Com uma frequência de regulação corretamente selecionada, o motor não tem tempo para desacelerar em pausas mortas.

Portanto, o PWM é usado onde o valor médio de tensão ou corrente desempenha um papel decisivo. Além dos casos comuns mencionados, o método PWM regula a corrente média em máquinas de solda e carregadores de bateria, etc.

Se a média natural não for possível, em muitos casos esse papel pode ser assumido pelo já mencionado filtro passa-baixa (LPF) na forma de uma cadeia RC. Para fins práticos, isso é suficiente, mas deve-se entender que é impossível isolar o sinal original do PWM usando um filtro passa-baixa sem distorção. Afinal, o espectro PWM contém um número infinito de harmônicos que inevitavelmente cairão na banda passante do filtro. Portanto, não se deve criar ilusões sobre a forma da sinusóide reconstruída.

Controle de LED RGB PWM muito eficiente e eficaz. Este dispositivo tem três junções p-n - vermelho, azul, verde.Ao alterar separadamente o brilho do brilho de cada canal, você pode obter quase qualquer cor do brilho do LED (com exceção do branco puro). As possibilidades para criar efeitos de iluminação com PWM são infinitas.

A aplicação mais comum de um sinal digital modulado por largura de pulso é controlar a corrente ou tensão média que flui através de uma carga. Mas o uso não padronizado deste tipo de modulação também é possível. Tudo depende da imaginação do desenvolvedor.

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