La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-widt de pulse-width h modulation modulation)) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada cuadrada,, por ejemplo), 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. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:
D=t/T D es el ciclo de trabajo t es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) T es es el período de la función 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. Estas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.
¿Que es una Señal Modulada por Ancho de Pulso (PWM) y Para Qué es Utilizada? Problema: He escuchado que podría utilizar Modulación de Ancho de Pulso en mi a plicación. ¿Qué es Modulación de Ancho de Pulso Pulso (PWM) y para qué es utilizada?
Solución: La modulación de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) de una señal es una técnica que logra producir el efecto de una señal analógica sobre una carga, a partir de la variación de la frecuencia y ciclo de trabajo de una señal digital. El ciclo de trabajo describe la cantidad de tiempo que la señal está en un estado lógico alto, como un porcentaje del tiempo total que este toma para completar un ciclo completo. La frecuencia determina que tan rápido se completa un ciclo (por ejemplo: 1000 Hz corresponde a 1000 ciclos en un segundo), y por consiguiente que tan rápido se cambia entre los estados lógicos alto y bajo. Al cambiar una señal del estado alto a bajo a una tasa lo suficientemente rápida y con un cierto ciclo de trabajo, la salida parecerá comportarse como una señal analógica constante cuanto esta está siendo aplicada a algún dispositivo.
Ejemplo: Para crear una señal de 3V dada una fuente digital que puede ser alta (5V) o baja (0V), usted podría utilizar un PWM con un ciclo de trabajo del 60%. El cual generaría una señal de 5V el 60% del tiempo. Si la señal es conmutada lo suficientemente rápido, el voltaje visto en las terminales del dispositivo parecerá ser el valor promedio de la señal. Si el estado lógico bajo es 0V (que es el caso más común) entonces el voltaje promedio puede ser calculado multiplicando el voltaje que represente el estado lógico alto por el ciclo de trabajo, o 5V x 0.6 = 3V. Seleccionar un ciclo de trabajo del 80% sería equivalente a 4V, un 20% a 1V, y así sucesivamente.
Señales de PWM son utilizadas comunmente en el control de aplicaciones. Su uso principal es el control de motores de corriente continua, aunque también pueden ser utilizadas para controlar válvulas, bombas, sistemas hidráulicos, y algunos otros dispositivos mecánicos. mecánicos. La frecuencia a la cual la señal de PWM se generará, dependerá de la aplicación y del tiempo de respuesta del sistema que está siendo controlado. A continuación se muestran algunas aplicaciones y sus respectivas frecuencias:
Calentar elementos o sistemas con tiempos de respuesta lentos: 10-100 Hz o superior.
Motores eléctricos de corriente continua: 5-10 kHz o superior.
Fuentes de poder o amplificadores de audio: 20-200 kHz o superior. Nota: Ciertos sistemas pueden requerir frecuencias superiores a las mostradas anteriormente y dependerá del tipo de respuesta requerido. A continuación se muestran algunos algunos gráficos demostrando demostrando señales PWM PWM con diferentes ciclos ciclos de trabajo:
Ciclo de trabajo del 25%
Ciclo de trabajo del 50%
Ciclo de trabajo del 75%
Abanicos de velocidad variable y su activacion
BMW
Hemos escrito antes sobre el sistema de refrigeración del motor y como la computadora del motor ha venido convirtiéndose en la gestora de la activación del abanico por medio de una señal a masa(negativa) a un relay que alimenta de corriente al abanico eléctrico.
En algunos vehículos principalmente de alta gama gam a encontramos abanicos de velocidad variable activados por la computadora del motor, m otor, ya sea por diseño, espacio o donde se implementan nuevas tecnologías, el punto es que solo existe en estos casos un abanico eléctrico para regular la temperatura tanto del radiador del motor como el del condensador del aire acondicionado y es por esto que el abanico eléctrico debe tener la capacidad de variar su velocidad según incremente la temperatura del motor o se active la climatizacion. En estos casos la señal para activar el abanico proviene de la computadora(DME) con la diferencia en cuanto a otras marcas o estilos que la señal de la computadora no llega a un relay sino que sale directamente de la DME hacia el abanico eléctrico en donde por transistores se puede variar la velocidad a la que gira el abanico. La señal que sale en estos casos no es una señal con un voltaje fijo o una masa permanente, de hecho se trata de una señal PWM(Pulse Width Modulation) o en español Pulso por Amplitud Modulada o modulación por anchura de pulso.
En estos casos entran al abanico eléctrico tres cables , 2 gruesos que corresponden a una corriente positiva y otra negativa las cuales están presentes de forma permanente y localizaremos otro cable mas delgado con la señal PWM que proviene del modulo de control del motor. Como se trata de una señal PWM negativa poco podremos observar con un voltimetro digital o una luz de prueba a fin de corroborar la señal, se necesitara de un osciloscopio o un DVOM automotriz con la capacidad de medir m edir frecuencia, la señal debe estar entre los rangos de 10Hz y 100Hz. Estos abanicos eléctricos se dañan de forma frecuente y hay que tener mucho cuidado con tratar de hacer un puente con algún cable desde positivo(lo aclaro por aquello de las dudas computadora del motor.
) al cable delgado pues se podría dañar dañar la
Como dijimos este abanico es utilizado tanto para enfriar el refrigerante de motor como el condensador del aire acondicionado, cuando la climatizacion es activada el sistema de calefacción y aire acondicionado(IHKA) gestiona por una de d e las redes del vehículo (K-bus) la activación del abanico
SEÑAL MODULADA POR ANCHO DE PULSO CONTRA SEÑAL MODULADA POR FRECUENCIA Una señal Modulada por Ancho de Pulso (PWM) . es una señal ON y OFF. Un buen ejemplo de señal de Modulada por Ancho de Pulso es un Inyector de combustible. El tiempo que la señal esta en “ON” determina cuanto tiempo el inyector inyectará
combustible. La señal Modulada por Ancho de Pulso energiza al inyector a una frecuencia fija. Esto quiere decir que el inyector se energiza y desenergiza la misma cantidad de veces cada segundo. El tiempo que permanece energizado es lo que provoca que el inyector funcione proporcionando combustible. El tiempo en “ON” es referido como un porcentaje de señal Modulada por Ancho de Pulso. MODULADA POR FRECUENCIA Una señal Modulada por Frecuencia puede ser descrita mejor usando el sensor de velocidad del vehiculo (VSS). El VSS produce una señal digital bien definida en “ON y OFF”, similar a la señal Modulada Por Ancho de Pulso. La señal modulada por Frecuencia esta siempre al 50% de su ciclo de trabajo. Esto significa que la señal esta siembre en “ON” la misma cantidad de veces que esta en “OFF”.
Conforme la velocidad del vehículo se incrementa la señal del VSS se incrementa en Frecuencia. Aunque la Frecuencia se ha incrementado el ciclo de trabajo será del 50%.
QUE ES EL DUTY CYCLE O CICLO DE TRABAJO En términos eléctricos, el ciclo de trabajo o Duty Cycle es la relación existente entre el tiempo en que una señal se encuentra en estado activo con el periodo de dicha señal, normalmente este termino es aplicado para señales cuadradas, donde se intenta emular una señal analogica mediante la variabilidad del estado alto y bajo de una señal digital.
Por ejemplo en la imagen que se muestra arriba, TH es el tiempo en estado activo y TW es el periodo de la señal, para calcular el Duty Cycle tenemos que hacer lo siguiente.
El 100 es solamente para expresarlo en porcentajes, existen algunos casos particulares que se pueden dar al trabajar este tipo de señales que es bueno comentar.
0% Duty: Cuando el Duty Cycle es igual cero significa que en ningún momento la señal se encuentra en estado alto, significa que la señal no entrega potencia. 50% Duty: Al colocar el Duty Cycle en 50%, significa que la mitad del periodo la señal se encuentra en estado alto, lo que significa que si utilizamos esta señal para alimentar un motor o prender un led, lo estaríamos haciendo con la mitad de la potencia que tenemos disponible, para el caso del led se notaria que la luz se enciende con menor intensidad y en el caso del motor se movería mas rápido. 75% Duty: Este caso significa que estamos entregando una potencia de salida del 75% de la máxima posible. 100% Duty: Estamos entregando la totalidad de la potencia posible, lo que significa que la señal nunca se encuentra en estado bajo.
Como se puede ver, lo interesante es que controlando el tiempo en que la señal esta en alto, podemos controlar la potencia que le aplicamos a la señal, de esta manera como dije antes podemos controlar la velocidad de un motor, la intensidad de un led, o cualquier otra cosa mas. Todo lo que vimos hasta ahora forma parte de lo que se conoce como Modulación por ancho de pulsos o PWM, esta técnica se basa en modificar el tiempo en ON de una señal cuadrada para controlar la potencia que se le suministrara a un dispositivo electrónico.
APLICACIONES PWM (MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS)
Motores: Como dijimos antes, podemos controlar la potencia del motor, lo que significa que podemos regular la velocidad del motor Regulador de intensidad de luz: Al controlar la potencia que se le suministra a una lampar podemos controlar controlar su luminosida luminosidad, d, cuanto menor sea sea el Duty Cycle menor sera la iluminacion de la lampara. Conversor Analógico a digitales: Es una técnica utilizada en los sistemas de conversión de señales analogica a digital, forma parte del circuito de conversión.
MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO DE SEÑALES ANALÓGICAS El concepto de Modulación por ancho a ncho de pulso de señales analógicas o digitales conocida como PWM es una técnica utilizada para diversas aplicaciones aplicacion es en el campo de la robotica, un ejemplo puede ser controlar la velocidad de los motores, básicamente lo que se hace es variar el ciclo de trabajo del motor encendiendo y apagando muy rápidamente. Si analizamos la velocidad de giro de un motor podemos ver que depende de la potencia, cuyo valor a su ves es dependiente del voltaje y de la corriente que se le aplique ( P = V.I), si queremos reducir la velocidad de giro tendríamos que reducir la potencia media otorgada por el motor, para eso nos vemos obligados a controlar algunas de las dos variables involucradas (V o I) (V = Voltaje I = Corriente ). La corriente no la podemos modificar, ya que esta es en función de la carga aplicada, por lo tanto si queremos controlar la velocidad tenemos que centrarnos en el control del voltaje aplicado V.
EJEMPLO Supongamos que alimentamos el motor con una señal de tensión continua.
Analizamos el caso suponie Analizamos suponiendo ndo un interv intervalo alo de tiempo de un segundo con una corriente nominal I de diez mili amperes. Para este caso la potencia suministrada seria P = 12V*10mA*1s = 0.12w
Ahora suponga supongamos mos que queremos lograr, la mitad de la velocidad ( Mitad de potencia ).
Enviamos una señal cuadrada de la siguiente forma,de 0 a 0.5 segundos enviamos un nivel alto de tensión (12V) y de 0.5 a 1 Segundo enviamos un nivel bajo de tensión (0V), por lo tanto la potencia media responderá a la siguiente ecuación P = V*I*T
POTENCIA
DE
P = 12V*10mA*0.5s = 0.06w POTENCIA DE P =
0 0,5
0,5 A
0V*10mA*0.5s
SEGUNDOS 1
SEGUNDO = 0w
Por lo tanto la potencia total sera Pt= 0.06w. De esta manera podemos controlar la velocidad de un motor de forma muy precisa y muy simple. La técnica de Modulación por ancho de pulsos (PWM) es muy utilizada en rebotica para diferentes aplicaciones, como dijimos antes nos permite controlar motores de todo tipo.