Modulación por ancho de pulso (PWM)

La modulación por ancho de pulsos (PWM) es una técnica muy utilizada para controlar de forma general la potencia de CC de un aparato eléctrico, que se ha hecho práctica gracias a los modernos interruptores electrónicos de potencia. Sin embargo, también tiene cabida en los choppers de CA. El valor medio de la corriente suministrada a la carga se controla mediante la posición del interruptor y la duración de su estado. Si el periodo de encendido del interruptor es más largo que su periodo de apagado, la carga recibe una potencia comparativamente mayor. Por tanto, la frecuencia de conmutación PWM debe ser más rápida.

Normalmente, la conmutación debe realizarse varias veces por minuto en una estufa eléctrica, 120 Hz en un regulador de luz, desde unos pocos kilohercios (kHz) hasta decenas de kHz para el accionamiento de un motor. La frecuencia de conmutación de los amplificadores de audio y las fuentes de alimentación de los ordenadores es de entre diez y cientos de kHz. La relación entre el tiempo de encendido y el período de tiempo del impulso se conoce como ciclo de trabajo. Si el ciclo de trabajo es bajo, implica una baja potencia.

La pérdida de potencia en el dispositivo de conmutación es muy baja, debido a la cantidad casi insignificante de corriente que fluye en el estado de apagado del dispositivo y a la cantidad insignificante de caída de tensión en su estado de apagado. Los controles digitales también utilizan la técnica PWM. El PWM también se ha utilizado en ciertos sistemas de comunicación, donde su ciclo de trabajo se ha utilizado para transmitir información a través de un canal de comunicaciones.

El PWM puede utilizarse para ajustar la cantidad total de potencia entregada a una carga sin las pérdidas que normalmente se producen cuando la transferencia de potencia está limitada por medios resistivos. Los inconvenientes son las pulsaciones definidas por el ciclo de trabajo, la frecuencia de conmutación y las propiedades de la carga. Con una frecuencia de conmutación suficientemente alta y, cuando sea necesario, utilizando filtros electrónicos pasivos adicionales, se puede suavizar el tren de pulsos y recuperar la forma de onda analógica media. Los sistemas de control PWM de alta frecuencia pueden implementarse fácilmente utilizando interruptores semiconductores.

Como ya se ha dicho anteriormente, el interruptor no disipa casi nada de energía en estado encendido o apagado. Sin embargo, durante las transiciones entre los estados de encendido y apagado, tanto la tensión como la corriente son distintas de cero, por lo que se disipa una potencia considerable en los interruptores. Por suerte, el cambio de estado entre el encendido y el apagado total es bastante rápido (normalmente menos de 100 nanosegundos) en relación con los tiempos típicos de encendido o apagado, por lo que la disipación de potencia media es bastante baja en comparación con la potencia suministrada, incluso cuando se utilizan frecuencias de conmutación elevadas.

Uso de PWM para suministrar potencia de CC a la carga

La mayoría de los procesos industriales requieren funcionar con determinados parámetros en lo que respecta a la velocidad del accionamiento. Los sistemas de accionamiento eléctrico utilizados en muchas aplicaciones industriales requieren un mayor rendimiento, fiabilidad y velocidad variable debido a su facilidad de control. El control de la velocidad del motor de corriente continua es importante en aplicaciones en las que la precisión y la protección son fundamentales. La finalidad de un regulador de velocidad del motor es tomar una señal que represente la velocidad requerida y accionar un motor a esa velocidad.

La modulación por ancho de pulso (PWM), aplicada al control del motor, es una forma de suministrar energía a través de una sucesión de pulsos, en lugar de una señal que varía continuamente (analógica). Aumentando o disminuyendo la anchura de los pulsos, el controlador regula el flujo de energía hacia el eje del motor. La propia inductancia del motor actúa como un filtro, almacenando energía durante el ciclo "ON" y liberándola a un ritmo correspondiente a la señal de entrada o de referencia. En otras palabras, la energía fluye hacia la carga no tanto a la frecuencia de conmutación, sino a la frecuencia de referencia.

El circuito se utiliza para controlar la velocidad del motor de CC mediante la técnica PWM. El controlador de motor de CC de velocidad variable en serie de 12 V utiliza un CI temporizador 555 como generador de impulsos PWM para regular la velocidad del motor de CC de 12 voltios. El CI 555 es un popular chip temporizador que se utiliza para hacer circuitos temporizados. Fue introducido en 1972 por Signetics. Se llama 555 porque tiene tres resistencias de 5 K en su interior. El CI consta de dos comparadores, una cadena de resistencias, un Flip Flop y una etapa de salida. Funciona en 3 modos básicos: astable, monoestable (donde actúa como generador de impulsos de un solo disparo) y biestable. Es decir, cuando se dispara, la salida se eleva durante un periodo basado en los valores de la resistencia y el condensador de sincronización. En el modo Astable (AMV), el CI funciona como un multivibrador de funcionamiento libre. La salida sube y baja continuamente para dar una salida pulsante como un oscilador. En el modo Biestable, también conocido como disparador Schmitt, el CI funciona como un Flip-Flop con salida alta o baja en cada disparo y reinicio.

En este circuito se utiliza el MOSFET IRF540. Se trata de un MOSFET de mejora de canal N. Es un MOSFET de potencia avanzado diseñado, probado y garantizado para soportar un nivel específico de energía en el modo de funcionamiento de avalancha de ruptura. Este MOSFET de potencia está diseñado para aplicaciones como reguladores de conmutación, convertidores de conmutación, controladores de motores, controladores de relés y controladores de transistores de conmutación bipolares de alta potencia que requieren alta velocidad y baja potencia de accionamiento de la puerta. Estos tipos pueden funcionar directamente desde los circuitos integrados. La tensión de trabajo de este circuito puede ajustarse según las necesidades del motor de CC accionado. Este circuito puede funcionar desde 5-18VDC.

El circuito anterior, es decir, el control de la velocidad del motor de CC mediante la técnica PWM, varía el ciclo de trabajo que, a su vez, controla la velocidad del motor. El IC 555 está conectado en modo astable a un multivibrador de funcionamiento libre. El circuito consta de una disposición de un potenciómetro y dos diodos, que se utiliza para cambiar el ciclo de trabajo y mantener la frecuencia constante. A medida que se varía la resistencia de la resistencia variable o del potenciómetro, varía el ciclo de trabajo de los pulsos aplicados al MOSFET y, en consecuencia, varía la potencia de corriente continua del motor y, por tanto, su velocidad aumenta a medida que aumenta el ciclo de trabajo.

Uso de PWM para suministrar potencia de CA a la carga

Los interruptores semiconductores modernos, como los MOSFET o los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), son componentes bastante ideales. Así se pueden construir controladores de alta eficiencia. Normalmente, los convertidores de frecuencia utilizados para controlar los motores de CA tienen una eficiencia superior al 98 %. Las fuentes de alimentación conmutadas tienen una eficiencia menor debido a los bajos niveles de tensión de salida (a menudo se necesitan incluso menos de 2 V para los microprocesadores), pero aún así se puede conseguir una eficiencia superior al 70-80 %.

Este tipo de control para la CA es el conocido método de ángulo de disparo retardado. Es más barato y genera mucho ruido eléctrico y armónicos en comparación con el control PWM real que desarrolla un ruido despreciable.

En muchas aplicaciones, como la calefacción industrial, el control de la iluminación, los motores de inducción de arranque suave y los reguladores de velocidad para ventiladores y bombas, se requiere una tensión de CA variable a partir de una fuente de CA fija. El control del ángulo de fase de los reguladores se ha utilizado ampliamente para estos requisitos. Ofrece algunas ventajas, como la sencillez y la capacidad de controlar una gran cantidad de potencia de forma económica. Sin embargo, el retraso en el ángulo de disparo provoca discontinuidad y abundantes armónicos en la corriente de carga y se produce un factor de potencia retrasado en el lado de CA cuando aumenta el ángulo de disparo.

Estos problemas pueden mejorarse utilizando un chopper de CA PWM. Este chopper de CA PWM ofrece varias ventajas, como una corriente de entrada sinusoidal con un factor de potencia cercano a la unidad. Sin embargo, para reducir el tamaño del filtro y mejorar la calidad del regulador de salida hay que aumentar la frecuencia de conmutación. Esto provoca una gran pérdida de conmutación. Otro problema es la conmutación entre el interruptor de transferencia S1 y el interruptor de giro libre S2. Provoca un pico de corriente si los dos interruptores se conectan al mismo tiempo (cortocircuito), y un pico de tensión si los dos interruptores se desconectan (no hay camino libre). Para evitar estos problemas, se utilizó un snubber RC. Sin embargo, esto aumenta la pérdida de potencia en el circuito y es difícil, caro, voluminoso e ineficiente para las aplicaciones de alta potencia. Se propone el chopper de CA con conmutación de tensión de corriente cero (ZCS-ZVS). Su regulador de tensión de salida necesita variar el tiempo de desconexión controlado por la señal PWM. Por tanto, es necesario utilizar el control de frecuencia para conseguir la conmutación suave y los sistemas de control generales utilizan las técnicas PWM que producen el tiempo de conmutación. Esta técnica tiene ventajas como el control sencillo con modulación sigma-delta y la corriente de entrada continua. A continuación se presentan las características de la configuración del circuito propuesto y los patrones de picado PWM.