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 específica, como um IC discreto, MCU ou circuito transistorizado.

O que é PWM?

Em termos simples, um processo PWM nada mais é do que LIGAR e DESLIGAR uma tensão de alimentação a uma velocidade específica, com diferentes relações de tempo LIGADO / DESLIGADO; aqui a tensão no comprimento da tensão pode ser maior, menor ou igual ao comprimento do Interruptor de desligar.

Por exemplo, um PWM pode consistir em uma tensão fixa para ON e OFF a uma taxa de 2 segundos ON 1 segundo OFF, 1 segundo ON 2 segundos OFF ou 1 segundo ON, 1 segundo OFF.

Quando essa taxa ON / OFF de uma tensão de alimentação é otimizada de maneira diferente, dizemos que a tensão é um PWM ou largura de pulso modulado.

Todos devem estar familiarizados com a aparência de um potencial CC constante em um gráfico de tempo de tensão v / s, como mostrado abaixo:


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

Agora, se esse 9V liga e desliga após cada 1 segundo, o gráfico acima ficaria assim:

Podemos ver claramente que a linha de 9V agora não é mais um avaliador de linha reta em forma de bloco após cada 1 segundo, pois a 9V liga e desliga após cada segundo alternadamente.

Os traços acima se parecem com blocos retangulares, porque quando a 9V é ligada e desligada, as operações são instantâneas, o que reduz repentinamente a 9V para o nível zero e então repentinamente para o nível 9V, formando assim as formas retangulares no gráfico.

A condição anterior gera uma tensão pulsante que possui dois parâmetros para medir, a saber: a tensão máxima e a tensão média ou a tensão RMS.

Tensão de pico e média

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


No entanto, na segunda imagem, mesmo que a tensão seja LIGADA / DESLIGADA a uma velocidade de 1 Hz (1 segundo LIGADA, 1 segundo DESLIGADA), o pico ainda será igual a 9V, porque o pico sempre atinge a marca de 9V durante os períodos ON. Mas a tensão média aqui não é 9V, mas 4.5V, porque a tensão de corte e desconexão é feita a uma taxa de 50%.

Nas discussões do PWM, essa taxa de LIGAR / DESLIGAR é chamada de ciclo de serviço 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 CC, você sempre obtém o valor médio lido no medidor.

Os novos fãs geralmente ficam confusos com essa leitura e a consideram o valor máximo, o que está completamente errado.

Como explicado acima, o valor máximo de um PWM será em grande parte igual à tensão de alimentação alimentada ao circuito, enquanto a volatilidade média no medidor será a média dos períodos ON / OFF dos PWMs.

Mudança de Mosfet com PWM

Portanto, se você estiver trocando um mosfet por um PWM e descobrir que a tensão do portão é de 3V, não entre em pânico, pois pode ser apenas a tensão média indicada pelo medidor, a tensão máxima pode ser tão alta como fornecer seu circuito de tensão.

Portanto, pode-se esperar que o mosfet conduza bem e completamente por esses valores máximos e a tensão média afetaria apenas 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, ou seja, os períodos DC ON e OFF.

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

Suponha que o tempo LIGADO selecionado seja de 1/2 segundo, então o tempo DESLIGADO seria igual a 1 segundo, resultando em 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 PWM

Neste exemplo, os PWMs são otimizados para produzir uma voltagem máxima de 9V, mas uma voltagem média de 3,15V, pois o tempo de ativação é de apenas 35% de um ciclo ON / OFF completo.


Um ciclo completo refere-se ao período de tempo em que o pulso fornecido completa seu tempo ON e seu tempo OFF.

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

Aqui o tempo LIGADO pode ser aumentado em 65% em relação ao tempo DESLIGADO em um ciclo completo; portanto, aqui o valor médio da tensão passa a 5,85V.

A tensão média acima mencionada também é chamada de RMS ou o 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 máxima.

Otimizando o PWM para simular onda senoidal

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

Tomemos o exemplo do seguinte PWM, que é otimizado para variar sua largura correspondente à amplitude variável ou ao nível de um sinal CA sinusoidal.

Você pode obter mais informações sobre isso em um dos meus artigos anteriores, onde expliquei como o IC 555 pode ser usado para Gerando saída PWM equivalente a onda senoidal.

Como podemos ver na imagem acima, a largura dos pulsos está mudando em relação ao nível instantâneo da onda senoidal. À medida que a onda senoidal tende a atingir o pico, a largura correspondente do pulso aumenta e vice-versa.

Usando SPWM

Isso indica que, como o nível de tensão da onda senoidal muda constantemente ao longo do tempo, os PWMs também mudam ao longo do tempo, pois suas larguras variam constantemente. Tal PWM também é conhecido como SPWM ou modulação de largura de pulso senoidal.

Portanto, no caso anterior, os pulsos nunca são constantes, mas alteram suas larguras de maneira diferente ao longo do tempo.

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

Embora a fórmula real para derivar a expressão RMS seja bastante complexa, após as derivações apropriadas, a implementação final se torna bastante fácil.

Cálculo da tensão RMS de um PWM

Portanto, para calcular o RMS de uma tensão PWM variável em resposta a uma onda senoidal, ela pode ser adquirida multiplicando 0,7 (constante) pelo pico de tensão.

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

Papel do PWM em circuitos eletrônicos?

Você descobrirá que o conceito PWM está essencialmente associado a
projetos de circuitos com indutores, especialmente envolvendo topologias de aumento de investimento, como inversores, SMPS, MPPT, circuitos de driver de LED, etc.

Sem um indutor, uma característica PWM pode não ter um valor ou função real 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 aumento (aumento) ou tensão ou corrente de redução (redução), que se torna a idéia total e exclusiva de uma tecnologia PWM.

Usando PWM com indutores

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

Em um dos meus posts anteriores, expliquei sobre como funciona um circuito de reforçoEste é um exemplo clássico para demonstrar como PWM ou uma largura de pulso variável pode ser usada para dimensionar uma saída de indutor.

É sabido que, por “natureza”, um indutor sempre se opõe a uma aplicação repentina de tensão através dele e permite que ele passe apenas após um certo período de tempo, dependendo das especificações do enrolamento, e durante esse processo ele armazena um quantidade equivalente de energia nisso.

Agora, se no decorrer do processo acima a tensão desligar repentinamente o indutor novamente, não será possível lidar com esse desaparecimento repentino da tensão aplicada e tentar equilibrá-la liberando a corrente nele armazenada.

Reação do indutor ao PWM

Portanto, um indutor tentará se opor a uma ignição de tensão armazenando corrente e tentará equalizar em resposta a um desligamento repentino de tensão “chutando” a energia armazenada de volta ao sistema.

Esse recuo é chamado de EMF a jusante de um indutor e o conteúdo dessa energia (tensão, corrente) dependerá das especificações do enrolamento do indutor.

Basicamente, o número de voltas decide se o EMF deve ser mais alto que a tensão de alimentação ou menor que a tensão de alimentação, e a espessura do cabo decide quanta corrente o indutor pode gerar.

Há outro aspecto no indutor acima, que é o tempo dos períodos de tensão ON / OFF.

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

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

Através de um PWM variável, podemos forçar um indutor a gerar / converter tensões e correntes em qualquer velocidade desejada, seja como tensão intensificada (corrente reduzida) ou corrente intensificada (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 timer MCU, onde a saída pode ser otimizada para gerar tensões em diferentes interruptores de ignição, períodos de desligamento para controlar uma carga de acordo com as especificações de trabalho planejadas.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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Veja na FONTE até ser revisado o post.

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