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Curso Tcnico em EletrnicaEletrnica I ndustr ial

Apostila sobre Modulao PWMProf. Ar iovaldo Ghirardello

INTRODUO

Os controles de potncia, inversores de frequncia, conversores para servomotor, fonteschaveadas e muitos outros circuitos utilizam a tecnologia do PWM (Pulse Width Modulation)ou Modulao de Largura de Pulso como base de seu funcionamento.

A maneira tradicional, ou mais simples de se controlar uma carga de potncia atravs de umreostato em srie, conforme mostra a figura 1.

Variando-se a resistncia apresentada pelo reostato pode-se modificar a corrente na carga e,portanto, a potncia aplicada a ela. Este tipo de controle ainda encontrado nas lmpadas depainis de alguns carros mais antigos.

A grande desvantagem deste tipo de controle, denominado linear , que a queda de tenso noreostato multiplicada pela corrente que ele controla representa uma grande quantidade de calorgerada.

O controle passa a dissipar (e pedir) mais potncia que a aplicada na prpria carga emdeterminadas posies do ajuste. Alm desta perda ser inadmissvel, ela faz com que o componenteusado no controle seja capaz de dissipar elevadas potncias, ou seja, torna-se caro e grande(normalmente reostatos ou potencimetros de fio, mesmo para potncias relativamente baixas).

O uso de transistores ou circuitos integrados em um controle mais elaborado, que ainda varielinearmente a potncia aplicada pelo controle direto da corrente, pode ser feito conforme ilustra afigura 2.

Embora o potencimetro usado no controle dissipe pequena potncia, pois a corrente nele menor,este tipo de controle ainda tem um problema: a potncia dissipada pelo dispositivo que controla acorrente principal elevada.

Esta potncia depende da corrente e da queda de tenso no dispositivo e, da mesma forma, emcertas posies do ajuste, pode ser maior que a prpria potncia aplicada ao dispositivo.

Na eletrnica moderna, o rendimento com pequenas perdas e a ausncia de grandes dissipadoresque ocupem espao fundamental, principalmente quando circuitos de alta potncia esto sendocontrolados.

Desta forma, este tipo de controle de potncia linear no conveniente, sendo requisitadas outrasconfiguraes de maior rendimento como as que fazem uso das tecnologias PWM.

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Na matria Fontes Chaveadas explicado como funcionam as fontes chaveadas, que justamenteusam a tecnologia PWM, mas os motores de corrente contnua ou alternada e outras cargas comosolenides, aquecedores e lmpadas incandescentes tambm podem us-la. Como tal tecnologiafunciona o que passamos a ver agora.

PWM

PWM a abreviao de Pulse Width Modulation ou Modulao de Largura de Pulso.Para que se entenda como funciona esta tecnologia no controle de potncia, partimos de um

circuito imaginrio formado por um interruptor de ao muito rpida e uma carga que deve sercontrolada, de acordo com a figura 3.

Quando o interruptor est aberto no h corrente na carga e a potncia aplicada nula.No instante em que o interruptor fechado, a carga recebe a tenso total da fonte e a potncia

aplicada mxima.Como fazer para obter uma potncia intermediria, digamos 50%, aplicada carga?Uma idia fazermos com que achave seja aberta e fechada rapidamente de modo a ficar 50% do

tempo aberta e 50% fechada. Isso significa que, em mdia, teremos metade do tempo com corrente emetade do tempo sem corrente, veja a figura 4.

A potncia mdia e, portanto, a prpria tenso mdia aplicada carga neste caso 50% da tensode entrada.

Veja que o interruptor fechado pode definir uma largura de pulso pelo tempo em que ele fica nestacondio, e um intervalo entre pulsos pelo tempo em que ele fica aberto. Os dois tempos juntosdefinem o perodo e, portanto, uma frequncia de controle.

A relao entre o tempo em que temos o pulso e a durao de um ciclo completo de operao dointerruptor nos define ainda o ciclo ativo, conforme mostrado na figura 5.

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Variando-se a largura do pulso e tambm o intervalo de modo a termos ciclos ativos diferentes,podemos controlar a potncia mdia aplicada a uma carga. Assim, quando a largura do pulso varia dezero at o mximo, a potncia tambm varia na mesma proporo, conforme est indicado na figura 6.

Este princpio usado justamente no controle PWM: modulamos (variamos) a largura do pulso demodo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga e, com isso, a potncia aplicada a ela.

NA PRTICA

Na prtica, substituimos o interruptor por algum dispositi vo de estado slido que possa abrir efechar o circuito rapidamente como, por exemplo, um transistor bipolar, um FET de potncia, umIGBT ou at mesmo um SCR.

A este dispositivo ento ligado um oscilador que possa ter seu cicloativo controlado numa grande faixa de valores. Na prtica, difcil chegar durao zero do pulso e 100%, j que isso implicaria na parada do oscilador, mas podemos chegar bem perto disso.

Na figura 7 temos um exemplo de circuito que pode ser usado num controle PWM simples paraum motor DC de pequena potncia (com corrente de at alguns ampres).

O oscilador, montado com um circuito integrado 4093 tem sua sada no nvel alto determinadapelo ajuste do potencimetro, enquanto que sua sada no nvel baixo determinada pelo resistor R1(fixo). Assim, fazendo R1 suficientemente pequeno em relao ao valor do potencimetro, o circuitopoder gerar sinais numa ampla faixa de ciclos ativos.

Estes sinais so ento aplicados ao transistor de potncia que comanda a carga.

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TIPOS DE PWM

O exemplo de aplicao o que se denomina de simple magnitude PWM, onde o sinal aplicado carga determina simplesmente a potncia que ela deve receber, pela largura do pulso.

No entanto, existe um segundo tipo de controle PWM denominado Locked anti-phase PWM,que pode incluir na modulao do sinal informaes sobre a potncia aplicada carga e o sentido dacorrente que deve circular por ela. Este tipo de controle, em especial, interessante quando se trata demotores eltricos onde o sentido da corrente determina o sentido da rotao ou do torque. O seu princpio de funcionamento simples de ser entendido.

Se os pulsos aplicados carga no variarem entre 0V e um valor mximo de tenso +V, porexemplo, mas entre uma tenso negativa e uma tenso positiva (-V a +V), o ciclo ativo determinatambm o sentido de circulao da corrente pela carga.

Se, por exemplo, o ciclo ativo for de 50% conforme mostra a figura 8, a tenso mdia na carga, eportanto a potncia, ser zero.

Agora, variando o ciclo ativo para mais e para menos de 50%, teremos uma predominncia dospulsos positivos ou negativos de modo que a corrente mdia tende a circular num sentido ou noutro,de acordo com a mesma figura.

Logo, neste tipo de circuito, a corrente na carga variar entre 100% e +100%, conforme o cicloativo do sinal aplicado.

Um circuito simples de aplicao para este tipo de controle fornecido na figura 9.

Usamos uma fonte simtrica de +6V/-6V para controlar um pequeno motor de 50mA a partir deum integrado LM555. Uma etapa de potncia com transistores pode ser acrescentada a este circuito,para o uso com motores de maior corrente.

O potencimetro ajusta tanto a largura como os intervalos entre os pulsos de modo que a carga edescarga do capacitor sejam derivadas por diodos diferentes, agindo assim no ciclo ativo do sinal desada.

Este circuito pode ser facilmente simulado no Electronics Workbench, ou at mesmo montado emuma matriz de contatos.

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Um ponto importante que deve ser observado neste tipo de circuito que na posio de 50% deajuste do potencimetro (potncia mdia nula na carga), na verdade temos uma corrente circulando otempo todo por ela, o que vai causar dissipao de calor.

Assim sendo, para cargas elevadas, este tipo de controle no dos mais indicados e nofuncionaria, por exemplo, se a carga controlada fosse justamente um elemento de aquecimento ouuma lmpada!

Mesmo no caso de motores DC preciso ter muito cuidado na escolha da frequncia de operaodo circuito para que na condio de parado (0% de potncia) ele no se mantenha vibrando nafrequncia do oscilador. Eventualmente componentes adicionais podem ser previstos em paralelo como motor como, por exemplo, um capacitor, para evitar este problema.

VANTAGENS DO PWM

Na operao de um controle por PWM existem diversas vantagens a serem consideradas e algunspontos para os quais o projetista deve ficar atento para no jogar fora estas vantagens.

Na condio de aberto, nenhuma corrente circula pelo dispositivo de controle e, portanto, suadissipao nula. Na condio de fechado, teoricamente, se ele apresenta uma resistncia nula, aqueda de tenso nula, e ele no dissipa tambm nenhuma potncia.

Isso significa que, na teoria, os controles PWM no dissipam potncia alguma e, portanto,consistem em solues ideais para este tipo de aplicao.

Na prtica, entretanto, isso no ocorre.Em primeiro lugar, os dispositivos usados no controle no so capazes de abrir e fechar o circuito

num tempo infinitamente pequeno. Eles precisam de um tempo para mudar de estado e, nesteintervalo de tempo, sua resistncia sobe de um valor muito pequeno at infinito e vice-versa, numacurva de comutao semelhante a mostrada na figura 10.

Neste intervalo de tempo a queda de tenso e a corrente atravs do dispositivo no so nulas, euma boa quantidade de calor poder ser gerada conforme a carga controlada.

Dependendo da frequncia de controle e da resposta do dispositivo usado, uma boa quantidade decalor poder ser gerada neste processo de comutao.

Entretanto, mesmo com