¿Cómo están relacionados el voltaje y el ciclo de trabajo en la modulación por ancho de pulso (PWM)?

Relación entre el Voltaje y el Ciclo de Trabajo en la Modulación por Ancho de Pulso (PWM)

La Modulación por Ancho de Pulso (PWM) es una técnica que regula el voltaje de salida promedio controlando el ciclo de trabajo de una señal de conmutación. La PWM se utiliza ampliamente en aplicaciones como el control de motores, la gestión de energía y la atenuación de LED. Comprender la relación entre el voltaje y el ciclo de trabajo en la PWM es crucial para usar y diseñar sistemas PWM correctamente.

1. Principio Básico de la PWM

• Señal PWM: Una señal PWM es una onda cuadrada periódica con una frecuencia fija pero una proporción variable de niveles altos (encendido) y bajos (apagado) dentro de cada ciclo. Esta proporción se llama ciclo de trabajo.

• Ciclo de Trabajo: El ciclo de trabajo es la relación del tiempo en que la señal está alta (encendida) respecto al período total del ciclo PWM. Se expresa generalmente como un porcentaje o como una fracción entre 0 y 1. Por ejemplo, un ciclo de trabajo del 50% significa que la señal está alta durante la mitad del ciclo y baja durante la otra mitad; un ciclo de trabajo del 100% significa que la señal siempre está alta; y un ciclo de trabajo del 0% significa que la señal siempre está baja.

• Frecuencia PWM: La frecuencia de la señal PWM determina la duración de cada ciclo. Las frecuencias más altas resultan en ciclos más cortos, y la señal PWM cambia más rápidamente.

2. Relación entre el Voltaje y el Ciclo de Trabajo en la PWM

• Voltaje Promedio: En la PWM, el voltaje de salida promedio es proporcional al ciclo de trabajo. Si el voltaje pico de la señal PWM es   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, el voltaje de salida promedio   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; se\; puede\; calcular\; utilizando\; la\; siguiente\; fórmula:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Donde:

• Vavg es el voltaje de salida promedio.

• D es el ciclo de trabajo (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax es el voltaje pico de la señal PWM (generalmente el voltaje de alimentación).

• Efecto del Ciclo de Trabajo en el Voltaje Promedio:

• Cuando el ciclo de trabajo es del 0%, la señal PWM siempre está baja, y el voltaje de salida promedio es 0.

• Cuando el ciclo de trabajo es del 100%, la señal PWM siempre está alta, y el voltaje de salida promedio es igual al voltaje pico Vmax.

• Cuando el ciclo de trabajo está entre el 0% y el 100%, el voltaje de salida promedio es una proporción del voltaje pico. Por ejemplo, un ciclo de trabajo del 50% resulta en un voltaje de salida promedio que es la mitad del voltaje pico.

3. Ejemplos de Aplicaciones de la PWM

a. Control de Motores

• En el control de motores, la PWM se utiliza para regular la velocidad o el par del motor. Al cambiar el ciclo de trabajo de la señal PWM, se puede controlar el voltaje promedio aplicado al motor, ajustando así la potencia de salida del motor. Por ejemplo, reducir el ciclo de trabajo disminuye el voltaje promedio, ralentizando el motor, mientras que aumentar el ciclo de trabajo incrementa el voltaje promedio, acelerando el motor.

b. Atenuación de LED

• En las aplicaciones de atenuación de LED, la PWM se utiliza para ajustar el brillo de un LED. Al cambiar el ciclo de trabajo de la señal PWM, se puede controlar la corriente promedio a través del LED, ajustando así su brillo. Por ejemplo, un ciclo de trabajo del 50% resulta en un brillo del LED que es la mitad de su máximo, mientras que un ciclo de trabajo del 100% hace que el LED esté completamente brillante.

c. Convertidores DC-DC

• En los convertidores DC-DC (como los convertidores buck o boost), la PWM se utiliza para regular el voltaje de salida. Al ajustar el ciclo de trabajo de la señal PWM, se puede controlar el tiempo de encendido y apagado del dispositivo de conmutación, lo que a su vez ajusta el voltaje de salida. Por ejemplo, en un convertidor buck, aumentar el ciclo de trabajo eleva el voltaje de salida, mientras que disminuir el ciclo de trabajo lo reduce.

4. Ventajas de la PWM

• Alta Eficiencia: La PWM controla el voltaje mediante operaciones de conmutación en lugar de regulación lineal (por ejemplo, usando divisores de voltaje resistivos), lo que resulta en menores pérdidas de energía y mayor eficiencia.

• Control Preciso: Al ajustar precisamente el ciclo de trabajo, la PWM permite un control fino sobre el voltaje o la corriente de salida.

• Flexibilidad: La PWM se puede adaptar fácilmente a diversas aplicaciones, como el control de motores, la atenuación de LED y la gestión de energía.

5. Limitaciones de la PWM

• Interferencia Electromagnética (EMI): Dado que las señales PWM son señales de conmutación de alta frecuencia, pueden generar interferencia electromagnética, especialmente a frecuencias más altas. Deben emplearse técnicas adecuadas de filtrado y blindaje en el diseño de sistemas PWM.

• Ruido: En algunas aplicaciones, las señales PWM pueden introducir ruido audible, particularmente en equipos de audio o en accionamientos de motores. Este problema se puede mitigar seleccionando una frecuencia PWM apropiada.

Resumen

En la Modulación por Ancho de Pulso (PWM), el voltaje de salida promedio es directamente proporcional al ciclo de trabajo. El ciclo de trabajo determina la proporción de tiempo en que la señal está alta dentro de un ciclo PWM, lo que a su vez afecta el voltaje de salida promedio. Al ajustar el ciclo de trabajo, se puede regular flexiblemente el voltaje o la corriente de salida sin cambiar el voltaje de alimentación. La tecnología PWM se utiliza ampliamente en el control de motores, la atenuación de LED, la gestión de energía y otras aplicaciones, ofreciendo alta eficiencia y control preciso.