4 Modulacion PWM - PWM PDF

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MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO En la modulación por ancho de pulso (PWM = pulse wide modulation) se comparan señales triangulares o de diente de sierra con niveles de cd u cualquier forma de señal analógica para obtener ondas cuadradas con tiempos de nivel alto o bajo semejantes a los tiempos en que una señal es mayor o menor que la otra.

Las aplicaciones de la modulación por ancho de pulso se dan principalmente en el área de electrónica de potencia. Así por ejemplo, la utilización de Rectificadores Controlados de Silicio (SCRs) controlados con señales PWM permite variar el nivel de cd de una señal rectificada que alimenta a motores de cd industriales. De la misma manera, utilizando TRIACs, se puede controlar el nivel de ca que se entrega a una carga particular.

Las siguientes figuras muestran circuitos de control de cd y ca controlados por PWM

1O K?

10 K?

V1 1 7812 127 a 24 Vrms D1 2A

D2

D5 1N4742A 12 V 1 W

3

2

+ 1N4732A 4.7 V 1 W

100 µf 35 V D3

1 K? 15 K?

7 + 3 LM741 - 2 4

1N4148

V3

2N2907 7

6

LM741 10 K?

1.5 K?

2.2 K?

VA

V5

6

12 K?

RL = 50 ? 50 W

10 nf

7

2 LM741 + 3 4

6

1.8 K?

D4

10 nf

V2

10 K?

4

C106B1 3 G

V4 1 K?

VG

D1, D2, D3, D4, D5 = 1N4007

127 a 24 Vrms 2A 1O K?

10 K?

V1 1 127 a 24 Vrms D1 2A

D2

D5 1N4742A 12 V 1 W

7812

3

2

+ 100 µf 35 V D3

D4

D1, D2, D3, D4, D5 = 1N4007

1N4732A 4.7 V 1 W

1 K? V2 15 K?

7 3 LM741 2 4 +

1.8 K?

6

10 nf 7 2 LM741 + 3 4

1N4148

V3

2N2907 10 nf

7 6

LM741

V5

6

12 K?

10 K?

1.5 K?

2.2 K?

4 V4

RL = 50 ? 50 W VT2

120 T2 ? MAC15A8 2 3 G 1 T1 VG

A 2 1 K

La señal de diente de sierra se obtiene integrando la onda cuadrada producto de comparar la señal rectificada de onda completa con el nivel de cd de (12 V)*(1.8K)/(1.8K +10 K) = 1.83 V. A su vez, la señal PWM se obtiene de comparar la señal diente de sierra con el nivel de cd proporcionado por el potenciómetro de 10 K. La excitación del SCR o del TRIAC la proporciona el transistor PNP 2N2907 en forma de pulsos de cd cuya duración depende del tiempo de carga del condensador de 10 nf.

La modulación PWM también puede ser utilizada en la fabricación de reguladores de voltaje conmutados, que son más eficientes que los reguladores de voltaje lineales debido a que los transistores de potencia, que proporcionan los altos voltajes y corrientes de carga, operan como interruptores en corto o circuito abierto, y por lo tanto no disipan tanta potencia en forma de calor. Ésto permite a su vez la utilización de transistores y disipadores de menor tamaño, por lo que los circuitos son más baratos y más confiables. Una desventaja es que se necesitan inductores y capacitores para fabricar los filtros pasabajas que eliminan las componentes de ca provenientes de la señal PWM, pero éstos son generalmente de valores pequeños debido a que la portadora triangular de la señal PWM es de alta frecuencia, normalmente mayor de 10 KHz. Las siguientes figuras muestran los circuitos de una fuente de cd regulada, y de un regulador de voltaje lineal y uno conmutado.

REGULADOR DE VOLTAJE LINEAL V

CC

+ Av V

REF

-

+ Rr R

1

R

VL L

-

REGULADORES DE VOLTAJE CONMUTADOS CON PWM

Actualmente existen circuitos integrados PWM, que incluyen la mayoría de las funciones y componentes del modulador, salvo las de potencia de salida y algunas de control. Las siguientes figuras muestran el diagrama a bloques, el circuito de un PWM, y el circuito de un regulador de voltaje conmutado que utiliza al CI TL494.

La modulación por ancho de pulso de onda senoidal, mostrada en las siguientes figuras, se utiliza en la fabricación de circuitos INVERSORES, que convierten cd en ca. Observe que la carga es alimentada con pulsos de ca cuadrados de alta potencia modulados senoidalmente por ancho de pulso a frecuencias mucho más altas a las de las líneas de 60 Hz, generalmente múltiplos mayores de 1 KHz. Esto es con el fin de que las armónicas presentes en la carga sean de alta frecuencia y casi no afecten su desempeño.

MODULACIÓN BIPOLAR

MODULACIÓN UNIPOLAR

Los circuitos que alimentan a la carga son llamados MEDIO PUENTE O PUENTE COMPLETO PWM, y son mostrados en las siguiente figuras. Observe que los transistores del medio puente deben ser alimentados con señales de control invertidas en fase, de manera que solamente un transistor esté operando a la vez. En el caso del inversor puente completo, los transistores deben conducir simultáneamente por pares, Q1 y Q2, o Q3 y Q4.

Para realizar la modulación de onda senoidal con el TL494 se requiere comparar una onda senoidal de 60 Hz en el rango de voltaje en que este circuito genera la portadora triangular PWM, como se muestra en la siguiente figura.

Portadora PWM

Senoidal moduladora

En este sentido, si la portadora varía de 2 a 6 V, su nivel de offset o de cd será de 4 Volts, y la señal de 60 Hz moduladora deberá tener una amplitud de 4 Vpp y un nivel de offet de 4 Volts. Ejercicio 1: Diseñe el circuito que realice esta función, si se tiene un oscilador de audio y una fuente de voltaje de +-12 Vcd.

Para obtener una señal PWM unipolar, se deben modular dos portadoras iguales con señales senoidales de la misma amplitud pero defasadas 180 o una respecto de la otra. Posteriormente, las señales moduladas se restan en el puente H completo, aplicando una señal a uno de los transistores que debe conducir y la otra al otro transistor que debe conducir simultáneamente. Ejercicio 2: Diseñe el circuito para modulación unipolar, considerando las mismas señales portadora de PWM y senoidal del ejercicio 1....