Modulación por ancho de pulso

Un ejemplo de PWM en un variador de velocidad del motor: la tensión de fase a fase (azul) es modulada como una serie de pulsos que se traduce en una forma de onda sinusoidal-como la densidad de flujo (rojo) en el circuito magnético del motor. La suavidad de la forma de onda resultante puede ser controlada por el ancho (número) de impulsos modulados (por dado el ciclo)

Modulación por ancho de pulso (PWM), o modulación duración del pulso (PDM), es un modulación técnica que controla el ancho del pulso, formalmente la duración del pulso, basado en información de señal de modulador. Aunque esta técnica de modulación puede ser utilizada para codificar la información para la transmisión, su uso principal es permitir el control de la energía suministrada a los dispositivos eléctricos, especialmente para cargas de inerciales tales como los motores. Además, PWM es uno de los dos principales algoritmos utilizados en fotovoltaica cargadores de baterías solares, el otro ser MPPT.

El valor medio del voltaje (y actual) alimenta a la carga es controlado por el interruptor entre la oferta y carga cómo encender y apagar a un rápido ritmo. Cuanto más tiempo el interruptor es en comparado con los periodos de inactividad, mayor será la potencia suministrada a la carga.

Frecuencia de conmutación PWM tiene que ser mucho más alto que lo que afectaría a la carga (el dispositivo que utiliza el poder), es decir que la forma de onda resultante percibida por la carga debe ser lo más suave posible. Típicamente la conmutación tiene que hacerse varias veces por minuto en un horno eléctrico, 120Hz en una lámpara, suministros de algunos kilohercios (kHz) a decenas de kHz para una impulsión del motor y en las decenas o cientos de kHz en amplificadores de audio y potencia de los ordenadores.

El término ciclo de deber describe la proporción de 'en' tiempo al intervalo regular o 'período'; un ciclo de deber baja corresponde a baja potencia, porque la energía está apagada durante la mayor parte del tiempo. Ciclo de trabajo se expresa en por ciento, 100% estar totalmente.

La principal ventaja de PWM es que la pérdida de energía en los dispositivos de conmutación es muy baja. Cuando un interruptor está apagado no hay prácticamente no corriente y cuando está en y se transfiere energía a la carga, no hay casi ninguna caída de voltaje en el interruptor. Pérdida de energía, siendo el producto de voltaje y corriente, así es en ambos casos cercana a cero. PWM también funciona bien con controles digitales, que, debido a su naturaleza encendido/apagado, pueden fijar fácilmente el ciclo de trabajo necesarios.

También se ha utilizado en ciertas PWM sistemas de comunicación donde su ciclo de trabajo se ha utilizado para transmitir información sobre un canal de comunicaciones.

Historia

En el pasado, cuando era necesario poder solamente parcial (tales como para un máquina de coser motor), un Reóstato (ubicado en el pedal del pie de la máquina de coser) conectados en serie con el motor ajustado la cantidad de corriente que fluye por el motor, pero también desperdicia energía como calor en el elemento de resistencia. Era un sistema ineficiente, pero tolerable porque estaba bajo el poder total. Este fue uno de varios métodos de control de energía. Hubo otros, algunos aún en uso — como variable Autotransformadores, incluyendo el marca registrada 'Autrastat' para la iluminación teatral; y el Variac, para general AC potencia de ajuste. Estos eran muy eficientes, pero también relativamente costoso.

Durante casi un siglo, algunos motores eléctricos de velocidad variable han tenido eficacia decente, pero eran un poco más complejos que los motores de velocidad constante y a veces requiere aparatos eléctricos externos voluminosos, como un banco de resistencias de potencia variable o convertidor rotativo tales como Unidad de Ward Leonard.

Sin embargo, además de unidades de motor para ventiladores, bombas y robótica servos, había una gran necesidad de medios compactos y de bajo costos para aplicar potencia regulable para muchos dispositivos, tales como estufas eléctricas y atenuadores de la lámpara.

Una aplicación temprana de PWM fue en el Sinclair X 10, un 10 W amplificador de audio disponible en forma de kit en la década de 1960. En alrededor del mismo tiempo PWM comenzó a utilizarse en el control motor AC.

Principio

Figura 1: una onda de pulso, mostrando las definiciones de $y_{min}$, $y_{max}$ y D.

Modulación por ancho de pulso utiliza un onda de pulso rectangular cuya anchura de pulso es modulada resultante en la variación de la media valor de la forma de onda. Si consideramos que una forma de onda de pulso $f(t)$, con período $T$, de bajo valor $y_{min}$, un alto valor $y_{max}$ y un ciclo de deber D (ver figura 1), el valor promedio de la forma de onda viene dada por:

$\bar y=\frac{1}{T}\int^T_0f(t)\,dt.$

Como $f(t)$ es una onda de pulso, su valor es $y_{max}$ para $0<t<D\cdot T$ y $y_{min}$ para $D\cdot T <t<T$. La expresión anterior entonces se convierte en:

$\begin{align} \bar y =\frac{1}{T}\left(\int_0^{DT}y_{max}\,dt+\int_{DT}^T y_{min}\,dt\right)\\ = \frac{D\cdot T\cdot y_{max}+ T\left(1-D\right)y_{min}}{T}\\ = D\cdot y_{max}+ \left(1-D\right)y_{min}. \end{align}$

Esta última expresión puede simplificarse bastante en muchos casos donde $y_{min}=0$ como $\bar y=D\cdot y_{max}$. De esto, es obvio que el valor promedio de la señal ($\bar y$) depende directamente de la D. de ciclo de deber

Figura 2: Un método sencillo para generar el tren de pulsos PWM correspondiente a una determinada señal es el PWM intersective: la señal (aquí la onda sinusoidal rojo) se compara con una onda de diente de Sierra (azul). Cuando este último es menor que el anterior, la señal PWM (magenta) está en estado alto (1). De lo contrario será en el estado bajo (0).

La forma más sencilla para generar una señal PWM es el método intersective, que sólo requiere un diente de Sierra o un triángulo forma de onda (generado fácilmente usando un simple oscilador) y un comparador. Cuando el valor de la señal de referencia (la onda sinusoidal roja en la figura 2) es más que la forma de onda de modulación (azul), la señal PWM (magenta) está en estado de alta, de lo contrario será en el estado bajo.

Delta

Artículo principal: Modulación Delta

En el uso de la modulación delta para control PWM, la señal de salida está integrada, y el resultado se compara con los límites, que corresponden a un desplazamiento de la señal de referencia por una constante. Cada vez que la integral de la señal de salida alcanza uno de los límites, la señal PWM cambia de estado. Figura 3

Figura 3: Principio del delta del PWM. La señal de salida (azul) se compara con los límites (verdes). Estos límites corresponden a la señal de referencia (rojo), compensado por un valor determinado. Cada vez que la señal de salida (azul) llega a uno de los límites, la señal PWM cambia de estado.

Delta-sigma

Artículo principal: Modulación Delta-Sigma

En modulación Delta-Sigma como un método de control PWM, se resta la señal de salida de una señal de referencia para formar una señal de error. Este error está integrado, y cuando la integral del error excede los límites, la salida cambia de estado. Figura 4

Figura 4: Principio del sigma delta PWM. La forma de onda verde superior es la señal de referencia, en el cual se resta la señal de salida (PWM, en la trama de fondo) para formar la señal de error (azul, en parcela superior). Este error es integrado (parcela media), y cuando la integral del error excede los límites (líneas rojas), la salida cambia de estado.

Modulación de espacio vectorial

Artículo principal: Modulación de espacio vectorial

Espacio vectorial modulación es un algoritmo de control PWM para la generación de múltiples fase AC, en el cual se muestrea la señal de referencia regularmente; después de cada muestra, conmutación activo no-cero vectores adyacentes al vector de referencia y uno o más de los vectores cero conmutación son seleccionados para la fracción correspondiente del período de muestreo con el fin de sintetizar la señal de referencia como el promedio de los vectores usados.

Control de par directo (DTC)

Artículo principal: Control de par directo

Control de par directo es un método utilizado para el control de motores de corriente alterna. Está estrechamente vinculada con la modulación delta (ver arriba). Esfuerzo de torsión del motor y flujo magnético se calculan y estos son controlados para permanecer dentro de sus bandas de histéresis activando la nueva combinación de modificadores de semiconductor del dispositivo cada vez que alguno de la señal intenta desviar fuera de la banda.

Tiempo que proporcióna

Muchos circuitos digitales pueden generar señales PWM (por ejemplo, muchos Microcontroladores tienen salidas PWM). Normalmente usan un contador eso incrementa periódicamente (está conectado directamente o indirectamente a la reloj del circuito) y se restablece al final de cada período del PWM. Cuando el valor del contador es mayor que el valor de referencia, el PWM salida cambios de estado de alto a bajo (o de bajo a alto). Esta técnica se conoce como tiempo de dosificación, particularmente como control de tiempo-dosificación – que proporción de fijo tiempo de ciclo se gasta en el estado alto.

El contador incrementado y periódicamente reajuste es la versión discreta del método de intersección diente de sierra. El comparador analógico del método de intersección se convierte en una comparación simple entero entre el valor actual del contador y el valor de referencia digital (posiblemente digitalizados). El ciclo de trabajo sólo puede ser variado en pasos discretos, en función de la resolución de contador. Sin embargo, un contador de alta resolución puede proporcionar un rendimiento satisfactorio.

Tipos

Figura 5: Tres tipos de señales PWM (azul): modulación de vanguardia (parte superior), borde posterior modulación (medio) y legumbres centrados (ambos bordes están modulados, parte inferior). Las líneas verdes son la forma de onda de diente de Sierra (primeros y segundos casos) y una forma de onda del triángulo (tercer caso) utilizados para generar las formas de onda PWM mediante el método intersective.

Tres tipos de modulación por ancho de pulso (PWM) son posibles:

1. El centro de pulso puede fijarse en el centro de la ventana de tiempo y ambos bordes del pulso se trasladó a comprimir o expandir el ancho.
2. El borde de plomo puede celebrarse en el borde principal de la ventana y el borde de cola modulada.
3. El borde de la cola puede ser fijado y el borde de plomo modulada.

Espectro

La resultante Espectros (de los tres casos) son similares, y cada uno contiene un dc componente, una banda lateral de la base que contiene la modulación de la señal y la fase modulada portadores en cada uno armónico de la frecuencia del pulso. Las amplitudes de los grupos armónicos están restringidas por un $\sin x / x$ envolvente)Función sinc) y se extienden hasta el infinito. El ancho de banda infinito es causada por la operación no lineal del modulador de ancho de pulso. En consecuencia, sufre un PWM digital suavizado distorsión que reducir significativamente su aplicabilidad para moderno sistema de comunicaciones. Al limitar el ancho de banda del núcleo de PWM, efectos de suavizado pueden ser evitados.

Por el contrario, la modulación delta es un proceso aleatorio que produce espectro continuo sin distintos armónicos.

Teorema de muestreo de PWM

El proceso de conversión de PWM es lineal y generalmente se supone que es imperfecta por PWM, recuperación de señal de filtro de paso bajo. El teorema de muestreo de PWM demuestra que la conversión de PWM puede ser perfecto. El teorema afirma que "cualquier señal de banda base de pasa-banda dentro de ±0.637 puede ser representado por una onda de modulación (PWM) de anchura de impulso con una amplitud de unidad. El número de pulsos en la forma de onda es igual al número de muestras de Nyquist y la restricción de pico es independiente de la forma de onda sea nivel dos o tres niveles".

Aplicaciones

Servos

PWM se utiliza para controlar Servomecanismos, ver servocontrol.

Telecomunicaciones

En telecomunicacionesPWM es una forma de señal modulación donde el ancho de los impulsos corresponde a los valores de datos específicos codificados en un extremo y decodificados en el otro.

Pulsos de diferentes longitudes (la información) se enviarán a intervalos regulares (los frecuencia portadora de la modulación).

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Reloj ||    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    
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PWM Signal      | |    |  |   |    |        |    | | |
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Data       0     1       2      4      0      4     1      0

La inclusión de un señal de reloj No es necesario, como la vanguardia de la señal de datos puede ser usada como el reloj si se añade un pequeño desvío al valor de los datos con el fin de evitar un valor de datos con un pulso de longitud cero.

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Señal PWM ||    |  |   |   |  |     | | |    |     | |  |   | |  
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Data            0       1      2       4     0        4      1     0

Entrega de potencia

PWM puede utilizarse para controlar la cantidad de energía entregada a una carga sin incurrir en las pérdidas que resultarían de la entrega de potencia lineal por medios resistivos. Posibles desventajas de esta técnica son las pulsaciones definidas por el ciclo de deber, propiedades de la carga y la frecuencia de conmutación. Con un suficientemente alta frecuencia de conmutación y, cuando sea necesario, usando pasivos adicionales filtros electrónicos, el tren de pulso se puede alisar y promedio de forma de onda analógica se recuperó.

Alta frecuencia Sistemas de control de potencia PWM son fácilmente realizables con los interruptores del semiconductor. Como se explicó anteriormente, casi ninguna energía es disipada por el interruptor en sobre o estado. Sin embargo, durante las transiciones entre dentro y fuera de los Estados, voltaje y la corriente están distinto de cero y por lo tanto energía es disipada en los interruptores. Cambiando rápidamente el estado entre totalmente encendido y totalmente apagado (normalmente menos de 100 nanosegundos), la disipación de energía en los interruptores puede ser bastante baja en comparación con el poder ser entregado a la carga.

Interruptores semiconductores modernos tales como MOSFET o Transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) es componentes muy adecuados para los controladores de alta eficiencia. Convertidores de frecuencia utilizados para controlar motores de corriente alterna pueden tener eficacia superior al 98%. Conmutación de alimentación tiene menor eficiencia debido a los niveles de voltaje bajo de la salida (a menudo incluso menos de 2 V para microprocesadores son necesarias) pero aún más de lo que puede lograrse 70 – 80% de eficiencia.

Controladores de ventilador de velocidad variable para las computadoras suelen utilizan PWM, que es mucho más eficiente en comparación con un potenciómetro o Reóstato. (Ninguno de estos últimos es práctico para operar electrónicamente, requerirían un motor pequeño).

Potenciómetros para uso doméstico emplean a un tipo específico de control PWM. Uso en el hogar potenciómetros típicamente incluyen un circuito electrónico que suprime el flujo de corriente durante las porciones definidas de cada ciclo de la tensión de línea. Ajuste del brillo de la luz emitida por una fuente de luz es simplemente una cuestión de establecer en qué voltaje (o fase) en la halfcycle AC el regulador comienza a suministrar corriente eléctrica a la fuente de luz (por ejemplo mediante el uso de un interruptor electrónico como un Triac). En este caso el ciclo de trabajo PWM es la relación entre el tiempo de conducción a la duración del ciclo AC medio definido por la frecuencia de la tensión de línea de CA (50 Hz ó 60 Hz dependiendo del país).

Estos tipos bastante simples de atenuadores pueden utilizarse eficazmente con inerte (o relativamente lento reaccionar) fuentes como las lámparas incandescentes, por ejemplo, para el cual la modulación adicional en suministra energía eléctrica que es causada por el regulador de luz provoca solamente insignificantes adicional las fluctuaciones en la luz emitida de luz. Sin embargo, algunos otros tipos de fuentes de luz como diodos emisores de luz (LED), encender y extremadamente rápida y notablemente parpadean si se suministra con voltajes de baja frecuencia en coche. Efectos de parpadeo perceptible de tales fuentes de luz de respuesta rápida pueden reducirse mediante el aumento de la frecuencia PWM. Si las ligeras fluctuaciones son lo suficientemente rápidas, el sistema visual humano ya no puede resolverlos y el ojo percibe la intensidad media hora sin parpadeo (véase umbral de fusión de parpadeo).

En las cocinas eléctricas, continuamente energía variable se aplica a los elementos de calefacción como la encimera o la parrilla utilizando un dispositivo conocido como un SIMMERSTAT. Esto consiste en un oscilador térmico en aproximadamente dos ciclos por minuto y el mecanismo varía el ciclo de trabajo según el ajuste de la perilla. La constante de tiempo térmica de las resistencias es varios minutos, para que las fluctuaciones de temperatura son demasiado pequeñas para importar en la práctica.

Regulación de voltaje

Artículo principal: Fuente de alimentación de conmutación

PWM también se utiliza de manera eficiente reguladores de voltaje. Por cambio de voltaje a la carga con el ciclo de trabajo apropiado, la salida será aproximado de una tensión al nivel deseado. Generalmente se filtra el ruido de conmutación con un inductor y un condensador.

Un método mide la tensión de salida. Cuando es menor que el voltaje deseado, se enciende el interruptor. Cuando la tensión de salida está por encima de la tensión deseada, se apaga el interruptor.

Amplificación y efectos de audio

PWM se utiliza a veces en la síntesis de sonido (música), en particular síntesis sustractiva, que da un efecto de sonido similar a coro o ligeramente desintonizados osciladores jugados juntos. (De hecho, PWM es equivalente a la diferencia de dos ondas de diente de Sierra con uno de ellos invertido.[1]) Normalmente está modulada la relación entre el nivel de alta y baja con un oscilador de baja frecuencia. Además, variando el ciclo de trabajo de una forma de onda de pulso en un instrumento de síntesis sustractiva crea variaciones tímbricas útiles. Algunos sintetizadores tienen un ciclo de servicio trimmer para sus salidas de onda cuadrada, y el condensador de ajuste puede ser fijado por oreja; el punto de 50% (onda cuadrada verdadera) era distintivo, porque esencialmente armónicos impares desaparecen al 50%. Las ondas de pulso, generalmente un 50%, 25% y 12,5%, conforman el bandas sonoras de videojuegos clásicos.

Una nueva clase de amplificadores de audio basado en el principio PWM se está popularizando. Llamado"Amplificadores clase D", que producen un equivalente de PWM de la señal de entrada analógica que se alimenta a la altavoz mediante una red de filtro adecuado para bloquear el portador y recuperar el audio original. Estos amplificadores son caracterizados por las figuras muy buena eficacia (≥ 90%) y compacto tamaño/ligero para grandes potencias. Hace algunas décadas, amplificadores PWM industriales y militares han sido de uso común, a menudo para conducir Servomotores. Bobinas de gradiente de campo en MRI las máquinas son conducidas por relativamente alta potencia amplificadores PWM.

Históricamente, se ha utilizado una forma cruda de PWM para jugar de nuevo sonido digital PCM en el Altavoz de PC, que es conducido por sólo dos niveles de voltaje, típicamente 0 V y 5 V. Por cuidadosamente cronometrando la duración de los pulsos y confiando en filtrado las propiedades físicas del altavoz (respuesta de frecuencia limitada, autoinductancia, etc.) fue posible obtener una lectura aproximada de mono PCM samples, aunque en muy baja calidad y con resultados muy diversos entre las implementaciones.

En épocas más recientes, la Direct Stream Digital método de codificación de sonido fue introducido, que utiliza una forma generalizada de modulación por ancho de pulso llamada modulación de pulso densidad, a una velocidad de muestreo suficientemente alta (típicamente del orden de MHz) para cubrir la totalidad acústica rango de frecuencias con suficiente fidelidad. Este método es utilizado en la SACD formato y la reproducción de la señal de audio codificada es esencialmente similar al método utilizado en los amplificadores clase D.

Eléctrica

Señales SPWM (modulación de anchura de pulso de seno – triángulo) se utilizan en el diseño de micro-inversor (utilizado en solar o usos de la energía del viento). Estas señales de conmutación se alimentan a los FETs que se utilizan en el dispositivo. Eficacia del dispositivo depende el contenido de armónicos de la señal PWM. Hay mucha investigación sobre la eliminación de armónicos indeseados y mejorar la fuerza fundamental, algunos de los cuales implica el uso de una señal portadora modificada en lugar de una clásica señal diente de Sierra con el fin de disminuir las pérdidas de energía y mejorar la eficiencia. Otro uso común es en robótica donde las señales PWM se utilizan para controlar la velocidad del robot mediante el control de los motores.

Véase también

• Modulación Delta-Sigma
• Modulación de amplitud de pulso
• Modulación por impulsos codificados
• Modulación de pulso-densidad
• Modulación de pulso-posición
• Control de radio
• Servo del RC
• Control deslizante de modo -produce suave comportamiento mediante conmutación discontinua en sistemas
• Modulación de espacio vectorial
• Amplificador clase D

Enlaces externos

• Una introducción a Delta Sigma convertidores
• Tutorial de introducción en PWM y cuadratura de codificación
• Modulación de anchura de pulso con temporizador 555
• Modulación de anchura de pulso en el lazo del control PID - simulador gratis

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