Usuari:Mcapdevila/Modulació per amplària d'impuls

La modulació per amplària d'impuls o PWM ( sigles de l'anglès Pulse-Width Modulation) d'un senyal o font d'energia, és una tècnica en la qual es modifica el cicle de treball d'un senyal periòdic (una ona sinusoïdal o ona quadrada, per exemple), ja sigui per transmetre informació a través d'un canal de comunicacions o per controlar la quantitat d'energia que s'envia a una càrrega.

El cicle de treball d'un senyal periòdic és l'ample relatiu de la seva part positiva en relació amb el període. Expressat matemàticament:

D={\frac {\tau }{T}}

D és el cicle de treball

\tau

és el temps en què la funció és positiva (ample de l'impuls)

T és el període de la funció

Generalment, tot sistema que processa informació binària per controlar un procés analògic requereix una etapa d'entrada analògic-digital i una etapa de sortida digital-analògica (convertidors ADC i DAC). Per reduir costos en els dissenys que no necessiten alta resolució en l'etapa de sortida, és possible substituir el DAC per un algorisme de Modulació per amplària d'impuls (PWM). Una unitat PWM permet assignar certa duració de temps en alt o en baix a una dada digital de n bits que es considera sortida sortida de l'etapa processadora. Això s'aconsegueix connectant un comptador i un circuit comparador. Una de les entrades es connecta a un oscil·lador d'ona dents de serra, mentre que l'altra queda disponible per al senyal modulador. A la sortida la freqüència és generalment igual a la del senyal dents de serra, i el cicle de treball està en funció del portador.

El principal inconvenient que presenten els circuits PWM és la possibilitat que hi hagi interferències generades per radiofreqüència. Aquestes poden minimitzar ubicant el controlador a prop de la càrrega i realitzant un filtrat de la font d'alimentació.

Història

En el passat, quan només es necessitava poca potència (per exemple, per a una màquina de cosir), s'utilitzaven reòstats es tractava d'un règim ineficaç, però tolerable; des de fa aproximadament un segle, alguns motors elèctrics de velocitat variable han tingut una eficiència decent, però eren una mica més complexos que els motors de velocitat constant, i de vegades requereixen voluminosos aparells elèctrics externs, com ara un banc de resistències de potència variable o un convertidor rotatiu, com ara Ward Leonard.

Una de les primeres aplicacions del PWM era el Sinclair X10, un amplificador de 10 W d'àudio disponibles en forma de kit a la dècada de 1960. En la mateixa època el PWM va començar a ser utilitzat en el control de motors de corrent altern.^[1]

Paràmetres importants

Alguns paràmetres importants d'un PWM són:

La relació d'amplituds entre el senyal portador i el modulador, sent recomanable que l'últim no superi el valor pic del portador i estigui centrat en el valor mitjà d'aquest.
La relació de freqüències, on en general es recomana que la relació entre la freqüència de la portadora i la de senyal sigui de 10 a 1.

Tanmateix quan s'utilitzen servomotors cal anar amb compte en les marques comercials ja que hi ha ocasions en què els valors varien entre 1 ms i 2 ms i aquests valors propicien errors.

Tipus

Es poden donar fins a quatre tipus de modulació per amplada d'impuls (PWM):

El centre d'impuls pot ser fix al centre de la finestra de temps i els dos flancs de l'impuls són desplaçats per comprimir o expandir l'ample del senyal.
El flanc de pujada pot ser fixat al flanc de pujada de la finestra i el flanc de baixada és modulat.
El flanc de baixada pot ser fixat i el flanc de pujada modulat.
La freqüència de repetició d'impuls pot ser modificada pel senyal i l'amplada d'impuls pot ser constant. No obstant això, aquest mètode té una aplicació més restringida que la dels altres tres.

Aplicacions

En l'actualitat existeixen molts circuits integrats en els quals s'implementa la modulació PWM, a més d'altres molt particulars per aconseguir circuits funcionals que puguin controlar fonts commutades, controls de motors, controls d'elements termoelèctrics, choppers per a sensors en ambients sorollosos i algunes altres aplicacions. Es distingeixen per fabricar aquest tipus d'integrats companyies com Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, i algunes altres més.

En els motors

La modulació per amplària d'impuls és una tècnica utilitzada per regular la velocitat de gir dels motors elèctrics d'inducció o asíncrons. Manté el parell motor constant i no suposa un desaprofitament de l'energia elèctrica. S'utilitza tant en corrent continu com en altern, com el seu nom indica, en controlar: un moment alt (activat o alimentat) i un moment baix (apagat o desconnectat), controlat normalment per rellevats (baixa freqüència) o MOSFET o tiristors (alta freqüència).

Altres sistemes per regular la velocitat modifiquen la tensió elèctrica, amb la qual cosa disminueix el parell motor, o interposen una resistència elèctrica, amb el que es perd energia en forma de calor en aquesta resistència.

Una altra manera de regular el gir del motor és variant el temps entre impulsos de durada constant, el que s'anomena modulació per freqüència d'impulsos.En aquest cas com més s'aproximi l'ample dels impulsos al període més gran serà el voltatge de sortida i més ràpid es tancarà la porta, i com més petit sigui l'ample dels impulsos més petit serà el voltatge de sortida que fa girar el motor, i més lent es tancarà. És a dir que a partir de l'ample dels impulsos determinem el voltatge de sortida.

En els motors de corrent altern també es pot utilitzar la variació de freqüència.

La modulació per amplària d'impuls també s'usa per controlar servomotors, els quals modifiquen la seva posició d'acord a l'ample de l'impuls enviat cada un cert període que depèn de cada servo motor. Aquesta informació pot ser enviada utilitzant un microprocessador com el Z80, o un microcontrolador (per exemple, un PIC 16F877A de l'empresa Microchip).

Regulació de voltatge

PWM s'utilitza també en eficaços reguladors de voltatge. En canviar de voltatge amb el cicle de treball adequat, la sortida s'aproxima a una tensió en el nivell desitjat. El soroll de commutació sol ser filtrat amb un inductor i un condensador. Un mètode mesura la tensió de sortida. Quan és menor que la tensió desitjada, s'encén l'interruptor. Quan la tensió de sortida és superior a la tensió desitjada, s'apaga l'interruptor.

Com a part d'un convertidor ADC

Una altra aplicació és enviar informació de manera analògica. És útil per comunicar-se de forma analògica amb sistemes digitals. Per a un sistema digital, és relativament fàcil mesurar quant dura una ona quadrada. Tanmateix, si no es té un conversor analògic a digital no es pot obtenir informació d'un valor analògic, ja que només es pot detectar si hi ha una determinada tensió, 0 o 5 volts per exemple (valors digitals de 0 i 1), amb una certa tolerància, però no es pot mesurar un valor analògic. No obstant, el PWM en conjunció amb un oscil·lador digital, un comptador i una porta I com a porta de pas, podrien fàcilment implementar un ADC . El pas del senyal, d'una forma analògica a una forma digital vindrà determinat pel marge de voltatge entre unitats de bits. Normalment per a cada 19,5 mV, s'augmenta en un bit la sortida del convertidor. Per tant, aquesta sortida tindrà un valor o un altre segons el marge de voltatge del convertidor.

Àudio

Històricament, un senyal directe de tipus PWM s'ha fet servir per reproduir só digital PCM a l'altaveu dels PCs, el qual funciona mitjançant dos voltatges, típicament 0V i 5V. Calculant acuradament la duració dels polsos, i tenint en compte les propietats físiques de filtratge de l'altaveu (resposta en freqüència limitada, auto-inductància, etc.) era possible obtenir una aproximació de mostres mono PCM, encara que amb una qualitat molt baixa, i amb resultats altament variants entre implementacions.

Referències

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Mcapdevila/Modulació per amplària d'impuls

↑ Schönung, A.; Stemmler, H. «Geregelter Drehstrom-Umkehrantrieb mit gesteuertem Umrichter nach dem Unterschwingungsverfahren». BBC Mitteilungen. Brown Boveri et Cie, vol. 51, 8/9, 8-1964, pàg. 555–577.

Vegeu també

[1] Schönung, A.; Stemmler, H. «Geregelter Drehstrom-Umkehrantrieb mit gesteuertem Umrichter nach dem Unterschwingungsverfahren». BBC Mitteilungen. Brown Boveri et Cie, vol. 51, 8/9, 8-1964, pàg. 555–577.

[1]