Modulador por pulso PWN

AMT 6 - Modulação por largura de pulsos (PWM) -

 

MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS (PWM)

Segundo Muhammad, (2007), se a tensão de saída dos conversores monofásicos semi ou totalmente controlada pela variação do ângulo de disparo, do ângulo de extinção ou do ângulo simétrico, haverá apenas um pulso por semiciclo da corrente de entrada do conversor, e como resultado o harmônico de mais baixa ordem será o terceiro. É difícil filtrar a corrente de harmônica de ordem inferior. No controle de modulação por largura de pulsos (PWM), as chaves do conversor são ligadas e desligadas várias vezes durante um semiciclo e a tensão de saída é controlada pela variação da largura dos pulsos. Os sinais do gatilho são gerados através da comparação de uma onda triangular com um sinal CC. Os harmônicos de ordem inferior podem ser eliminados ou reduzidos selecionando-se o número de pulsos por semiciclo. Entretanto, aumentando-se a amplitude dos harmônicos de ordem superior, que podem facilmente ser filtrados.

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Figura 1 – Modulação por largura de pulsos

Fonte: Eduardo Simas (Técnicas de Modulação)

De uma forma resumida podemos dizer que a modulação por largura de pulsos transforma um sinal contínuo em um monte de pulsos variando a largura de um pulso alto controlando assim a intensidade do sinal de saída. Para não perder as características de um sinal contínuo controlando sua intensidade, a tensão média irá variar em função do tempo em que o sinal ficar em nível alto e o tempo que ficar em nível baixo. Podemos chamar essa relação de ciclo de “ciclo ativo”, ou seja, se um sinal ficar 80% em nível alto significa que ficou 20% em nível baixo, se ficar 30% em nível alto, os outros 70% ficou em nível baixo. Analisando essa teoria a equação da tensão média de uma forma de onda é dada por:

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Onde T é o período da forma de onda e V(t) é a dependência temporal da tensão. Para o PWM utiliza-se a seguinte equação:

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Onde  é a duração do pulso em nível lógico[pic 4]

 é a tensão de pulso do sinal PWM[pic 5]

Métodos de modulação por largura de pulsos geralmente são utilizados para acionamentos de cargas com níveis de tensão diferentes. Sendo eles:

• Controle de aquecedores
• Controle de motores
• Saída analógica de um sistema digital, utilizando-se um filtro.

Para realizar um acionamento de um motor através de PWM, é necessário a utilização de uma ponte H, permitindo assim a inversão do sentido da tensão que está sobre o motor.

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Figura 2 – Ponte H associada a um PWM

Fonte: Google imagens.

Segundo Kelen Cristiana (2009), A razão entre a largura de pulso e o período da onda recebe o nome de ciclo ativo. O pulso PWM apresenta tensão fixa, porém o seu valor médio varia em função deste ciclo. A tensão média é diretamente proporcional ao ciclo ativo e como este varia entre 0 e 1, tem-se que a tensão média da onda pode variar entre 0 e .[pic 7]

Segundo Kelen Cristiana (2009), com esta técnica, pode-se variar a intensidade média da corrente do motor, alimentando-o com pulsos e controlando a duração dos mesmos, sendo assim a tensão de cada pulso se mantém igual a tensão máxima da fonte, mas seu valor médio aplicado ao motor será apenas metade do valor de entrada. Para alterar sua velocidade, basta alterar os pulsos aplicados.

Segundo Kelen Cristiana (2009), aumentando a duração dos pulsos, o motor receberá alimentação por período mais longo e na média, terá uma alimentação correspondente a uma tensão maior, com isso o motor irá rotacionar com maior velocidade. Reduzindo a largura dos pulsos, a velocidade do motor será reduzida, pois diminuindo o pulso aplicado ao motor, a tensão será menor gerando uma redução na sua velocidade.

Existem diversas vantagens para aplicação de PWM, na condição de aberto, nenhuma corrente circula pelo dispositivo de controle e, portanto, sua dissipação é nula. Na condição de fechado, teoricamente, se ele apresenta uma resistência nula, a queda de tensão é nula, e ele não dissipa também nenhuma potência. Isso significa que, em teoria, os controles PWM não dissipam potência alguma, porém, em prática isso não acontece, pois, os dispositivos usados no controle não são capazes de abrir ou fechar o circuito num tempo infinitamente pequeno. Eles precisam de um tempo para mudar de estado, neste intervalo de tempo, sua resistência sobe de um valor muito pequeno até infinito e vice-versa, em uma curva de comutação semelhante a figura abaixo:

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Figura 3 – Curva de comutação

Fonte: Apostila de modulação PWM (Colégio Politec)

Segundo Simas (2010), neste intervalo de tempo a queda de tensão e a corrente através do dispositivo não são nulas, e uma boa quantidade de calor poderá ser gerada conforme carga controlada. Dependendo da frequência de controle e da resposta do dispositivo usado, uma boa quantidade de calor poderá ser gerada neste processo de comutação, entretanto, mesmo com este problema, a potência gerada num controle PWM ainda é muito menor do que num circuito de controle linear equivalente. Transistores de comutação rápidos, FET’s de potência, e outros componentes de chaveamento podem ser suficientemente rápidos para permitir que projetos de controle de potências elevadas sejam implementadas sem a necessidade de grandes dissipadores de calor ou que tenham problemas de perdas de energia por geração de calor que possam ser preocupantes.