APLICACIONES DE LA MODULACIÓN PWM
1. Introducción La modulación digital hizo posible muchos cambios y mejoras en diferentes circuitos y aparatos electrónicos ya que con esta tecnología se pudo dar una mejor utilidad y calidad en las diferentes aplicaciones que se le puede dar. Entre ellas, se encuentra el tipo de modulación PWM, que ofrece diferentes tipos de aplicaciones tanto en motores, leds intermitentes o conversores ADC. Principalmente el funcionamiento de esta modulación consiste en la duración de los pulsos para poder contralar por ejemplo la velocidad de giro un motor o variar la intensidad de un led. Por ello este tipo tipo de modulación es importante y estudiaremos sus características y aplicaciones que se le puede dar.
2. Modulación PWM (Pulse-Width-Modulation) También conocida como “Modulación por ancho de pulso”, es una técnica de
modulación que se ajusta la anchura del pulso, formalmente la duración del pulso, sobre la base de información de la señal moduladora. Esta técnica de modulación puede utilizarse para codificar la información para su transmisión, su uso principal es permitir el control de la potencia suministrada a los dispositivos eléctricos. La modulación de ancho de pulso PWM, a veces también se nombra como modulación de duración de pulso y se denota como PDM. La técnica prevé la transferencia de las características de una señal analógica a uno de los parámetros de un pulso
Figura 1. Esquema de modulación digital
En la figura 1, se puede observar el esquema que se utiliza para la modulación digital, ésta puede servir tanto como para PWM, PPM o modulación PAM En la modulación de ancho de pulso PWM, los pulsos de amplitud constante varían su duración (ancho del ciclo útil) proporcionalmente a los valores de f (t) (la información) en los instantes de muestreo. En PWM, la señal f (t) se muestrea en forma periódica a una tasa bastante rápida como para satisfacer los requisitos del teorema del muestreo. En cada instante de muestreo se genera un pulso de amplitud fija y ancho proporcional a los valores de muestra de f (t), con un ancho mínimo t o asignado al valor mínimo de f (t). La variación del ancho del pulso a partir de t o es proporcional a f (t), definiéndose una constante de proporcionalidad k1. Consideremos como modulante la señal: Con V=1 voltio
()
La duración de los pulsos varía como: ()
( )
Donde
0 es
la duración o anchura del pulso sin modular.
Sea además, un tren de pulsos pT (t) dado por: nw sen( 0 0 ) A 0 2 A 0 2 cos(nw0t ) pT (t ) T T n 1 nw0 0 2
0
= duración del pulso.
A = amplitud del pulso. T = período de los pulsos.
Si en esta ultima ecuación se considera que auxiliar:
La ecuación pT (t) se convierte en:
A=1 voltio y se usa una variable
pT (t )
0
T
sen( x) cos(nw0t ) T n 1 x
2 0
Entonces el tren de pulsos modulado es: f PWM (t )
0
T
(1 msenwmt )
2
n n 1
nw0 0 1 msenwmt cos nw s t 2
sen
El primer término es una componente contínua, la cual se puede bloquear por medio de un condensador. El segundo término corresponde a la señal moduladora multiplicada por un factor:
Si las otras frecuencias laterales en la expresión están suficientemente alejadas de f m, la modulante puede recuperarse pasando la señal modulada a través de un filtro pasa bajo.
2.1 Generación de PWM La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra y el ciclo de trabajo está en función de la portadora. La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.
Figura 2. Forma de salida de PWM
La señal f (t) se muestra por medio del S/H (Mantenedor Sample and Hold) el cual está sincronizado con el generador de rampa por medio de una señal común. Ésta señal tiene valores constantes durante un cierto intervalo de tiempo para luego cambiar su valor en dependencia del valor de la señal f (t) de entrada al S/H.
Las señales de salida del muestreo y el generador de rampa son sumados algebraicamente. Luego, pasa a través de un comparador que tiene en una de sus entradas un voltaje de referencia, que permite variar el ancho de los pulsos de la modulación PWM a un valor adecuado.
2.2 Demodulación de una señal con PWM Si se desea extraer la modulante a partir de una señal modulada en PWM, basta con pasar la señal PWM por un filtro pasa baja. La modulación PWM de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo (D) de una señal periódica (una sinusoidal o cuadrada), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
Figura 3. Modulación PWM en un ciclo
3. Características El módulo PWM posee las siguientes características:
Cada canal se puede configurarse para ser capturador de entrada, comparador de salidas, o alineación de flancos PWM. Escoger la polaridad en las salidas del PWM (positiva o negativa) El módulo puede ser configurado como buffer o como alineación central de la modulación del ancho de pulso (CPMW por sus siglas en inglés). El “timer ” puede ser modificado para usarse con una escala predeterminada del bus “clock”, un clock fijo o un clock externo:
1. La preescala se define dividiendo el clock del bus entre 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 o 128. El bus clock al que opera el microcontrolador es de 1MHz. 2. El clock fijo es sincronizado con el bus clock mediante un circuito sincronizador. 3. Para el clock externo, el pin puede compartirse con un pin de un canal o de cualquier otra entrada, por lo tanto hay que tener cuidado al configurar este pin.
Un interruptor por canal y un contador para las interrupciones.
Los canales pueden ser configurados independientemente como capturadores de entrada, comparador de salidas, o alineación de los flancos de PWM. Un bit de control puede modificarse para que todos los canales del módulo sean configurados como alineación de la modulación del ancho de pulso, si este es el caso se inhabilita las otras opciones de configuración. Cuando el Microcontrolador está en BDM background o BDM foreground, el TPM suspende las operaciones y las reanuda apenas el microcontrolador regresa a estado normal. Cuando esta en stop, todos los clocks del Microcontrolador se paran, incluyendo el oscilador principal, por lo tanto el modulo TPM es inhabilitado momentáneamente. En el modo de espera (wait mode), el TPM opera de forma normal ya que no genera una referencia a tiempo real ni el interrupt necesario para despertar el micro de este estado. Los modos de operación son los siguientes:
Modo de captura de entrada: Cuando un evento preseleccionado de flanco ocurre en el pin asociado al canal que se esta usando, el valor actual del contador del timer de 16 bits es guardado en el registro de valor del canal y una bandera de interrupción se coloca en uno. Un flanco de subida, flanco de bajada, cualquier flanco o ningún flanco (canal inhabilitado) puede ser seleccionado como el flanco activo que dispara la captura de entrada. Modo de comparación de salida: Cuando el valor en el registro del contador es igual al valor del registro del canal, una bandera de un bit de interrupción se coloca en uno, y una acción de salida seleccionada es forzada en el pin del Microcontrolador. La salida que se ve en el pin puede ser forzada a cero, a uno, intercambiar/conmutar las salidas o simplemente ignorarlo. Modo de alineación de flancos de PWM: El valor del registro de 16 bits +1 define el período de la señal de salida del PWM. El valor del registro del canal define el duty cicle (tiempo en que la señal permanece en un estado activo) de la señal de salida del PWM. También se puede definir la polaridad de la señal de salida. Las interrupciones ocurren apenas termine el período de la señal, es decir en el punto de transición del duty cicle (cuando la señal pasa de activa a inactiva) Modo de alineación central del PWM: El doble del valor del registro del modulo de 16 bits define el periodo de las salidas PWM, y los registros de
valores de los canales definen la mitad de la duración del duty cycle. El contador del “timer ” cuenta hasta que llega al valor del registro del modulo y luego cuenta desde este valor hasta cero. Mientras el contador esta contando hacia abajo, y el valor del contador es el mismo que el del modulo, la salida PWM se activa. En el caso contrario, es decir cuando esta contando hacia arriba y los valores coinciden, la salida PWM se desactiva.
3.1Modulación en bajo y alto nivel En la modulación en bajo nivel la salida del oscilador y la señal moduladora se aplican al modulador con bajo nivel de potencia, del orden de “miliwatts” o unos
pocos watts. La salida del modulador es luego amplificada mediante amplificadores de potencia hasta alcanzar el nivel requerido a la salida del transmisor. Todos los amplificadores de potencia en este caso, deben ser lineales.
Figura 4. Arquitectura de un transmisor modulador en bajo nivel
En el caso de la modulación en alto nivel, como se muestra en la figura 4, la portadora de RF y la señal moduladora se amplifican por separado. La portadora mediante amplificadores no lineales, generalmente clase C y la señal moduladora mediante amplificadores lineales. Con amplificadores clase C puede alcanzarse eficiencias superiores al 80% en tanto que con amplificadores clase A la eficiencia suele ser del orden del 20% y con clase AB, poco más de 30%.
Figura 5. Arquitectura de un transmisor modulado en nivel alto
4. Aplicaciones de la modulación PWM La modulación por acho de pulsos es uno de los esquemas más utilizados en la actualidad en transmisores AM y permite conseguir eficiencias bastante superiores a las que se tiene con AM tradicional. En cierta forma puede considerarse como una modulación de alto nivel. La señal moduladora o de información se convierte en un tren de pulsos de duración variable que se amplifica al nivel suficiente para aplicarlo como señal moduladora al paso amplificador final del transmisor. La señal de RF se conduce por separado al amplificador final y en éste, se combina con la señal de información que este se reconvierte en su forma analógica original. El tren de pulsos es, de hecho una señal digital y, por tanto puede amplificarse con técnicas no lineales. También existen circuitos integrados que hacen uso de la modulación PWM además de otros muy particulares para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones.
5. Aplicación en los motores La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos de inducción o asíncronos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza tanto en corriente continua como en alterna, como su nombre lo indica, al controlar: un momento alto (encendido o alimentado) y un momento bajo (apagado o desconectado), controlado normalmente por relevadores (baja frecuencia) MOSFET o tiristores (alta frecuencia). Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma de calor en esta resistencia. Otra forma de regular el giro del motor es variando el tiempo entre pulsos de duración constante, lo que se llama modulación por frecuencia de pulsos. En los motores de corriente alterna también se puede utilizar la variación de frecuencia. La modulación por ancho de pulsos también se usa para controlar servomotores, los cuales modifican su posición de acuerdo al ancho del pulso enviado cada un cierto período que depende de cada servo motor. Esta información puede ser enviada utilizando un microprocesador como el Z80, o un microcontrolador (por ejemplo, un PIC 16F877A de la empresa Microchip).
5.1 Aplicación en los servomotores Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robótica, pero su uso no está limitado a éstos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos. Los servomotores hacen uso de la modulación por ancho de pulsos (PWM) para controlar la dirección o posición de los motores de corriente continua. La mayoría trabaja en la frecuencia de los cincuenta hercios, así las señales PWM tendrán un periodo de veinte milisegundos. La electrónica dentro del servomotor responderá al ancho de la señal modulada. Si los circuitos dentro del servomotor reciben una señal de entre 0,5 a 1,4 milisegundos, éste se moverá en sentido horario; entre 1,6 a 2 milisegundos moverá el servomotor en sentido antihorario; 1,5 milisegundos representa un estado neutro para los servomotores estándares. A continuación se exponen ejemplos de cada caso:
Figura 6. Señal de ancho de pulso modulado
Figura 7. Motor en sentido horario funcionando a 0,7 ms.
Figura 8. Motor neutral funcionando a 1,5 ms
Figura 9. Motor en sentido antihorario funcionando a 1,8 ms
6. Aplicación como parte de un conversor ADC Otra aplicación es enviar información de manera analógica. Es útil para comunicarse de forma analógica con sistemas digitales. Para un sistema digital, es relativamente fácil medir cuanto dura una onda cuadrada. Sin embargo, si no se tiene un conversor analógico digital no se puede obtener información de un valor analógico, ya que sólo se puede detectar si hay una determinada tensión, 0 o 5 voltios por ejemplo (valores digitales de 0 y 1), con una cierta tolerancia, pero no puede medirse un valor analógico. Sin embargo, el PWM en conjunción con un oscilador digital, un contador y una puerta AND como puerta de paso, podrían fácilmente implementar un ADC.
6.1 Aplicaciones en los leds intermitentes Esto consiste en pasar energía al led y pausar el programa, para después cortar energía al led y volver a pausar el programa, todo dentro de un loop sin fin. Pero cuando solo se quiere variar la intensidad con la que se enciende el led se tiene que aplicar la modulación PWM La modulación por ancho de pulsos funciona dejando el pulso fijo durante el lapso de tiempo, variando solamente su amplitud, eliminando con esto, el problema del tiempo.
Figura 10. Pulso en un periodo
En la figura se muestra cómo se comporta un pulso de manera normal, donde durante un lapso de tiempo se activa el pulso, para después mantenerse, posteriormente se baja a 0 y se mantiene de nueva cuenta, y se vuelve a elevar, todo esto dentro del loop establecido.
Figura 11. Amplitud en un periodo
Posteriormente se aplica la técnica de modulación de pulsos para darle más amplitud al pulso en 0 y acortar el tiempo del pulso alto, esto dentro de un solo periodo. Figura 12. Reducción de la amplitud
Luego se acorta la amplitud del pulso en 0, alargando la amplitud del pulso alto, todo dentro de un periodo Para tener un control perfecto del led, tenemos que saber lo cantidad de pulsos o ciclos por segundo, para en base a eso, el tiempo en el que se ejecuta un periodo, esto es aproximadamente a una frecuencia de 30 pulsos o ciclos por segundos para el caso de un led.
7. Conclusiones La modulación PWM posee distintas aplicaciones que pueden hacer un mejor rendimiento de los aparatos electrónicos según su uso. Principalmente se pueden dar utilidades si se desea controlar la potencia del dispositivo ya que gracias a la duración de pulsos de la modulación esta puede manipularse con facilidad. En caso de los motores electrónicos, la modulación PWM hace un papel muy importante al controlar la potencia y la velocidad con la que se la controla y esta aplicación se debe gracias a la variación de pulso. En los dispositivos leds que se desea variar la intensidad con la que se apaga y enciende la modulación PWM controla la duración de pulso para que el led esté encendido o apagado. En los servomotores el ancho de pulso controla la dirección y posición de corriente continua En conclusión todas las aplicaciones de la modulación PWM se deben a las variaciones de pulsaciones que pueden controlar todo tipo de variación.
Bibliografía http://personales.unican.es/perezvr/pdf/AM%20mediante%20PWM.pdf http://picfernalia.blogspot.com/2012/06/modulacion-pwm-pulse-width-modulation.html http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos http://www.slideshare.net/pedrinhoudh/modulacion-pwm http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=47802507
