Como están relacionados o voltaxe e o ciclo de traballo na modulación de anchura de pulso (PWM)?

Relación entre o voltaxe e o ciclo de traballo na Modulación da Largura do Pulso (PWM)

A Modulación da Largura do Pulso (PWM) é unha técnica que regula a tensión de saída media controlando o ciclo de traballo dunha señal de conmutación. A PWM empregase amplamente en aplicacións como o control de motores, a xestión de enerxía e o atenuado de LED. Comprender a relación entre a tensión e o ciclo de traballo na PWM é crucial para usar e deseñar correctamente sistemas PWM.

1. Principio Básico da PWM

• Señal PWM: Unha señal PWM é unha onda cadrada periódica cunha frecuencia fixa pero cunha proporción variable de niveis altos (on) e baixos (off) dentro de cada ciclo. Esta proporción chámase ciclo de traballo.

• Ciclo de Traballo: O ciclo de traballo é a relación do tempo no que a señal está alta (on) co período total do ciclo PWM. Xeralmente exprésase como un porcentaxe ou como unha fracción entre 0 e 1. Por exemplo, un ciclo de traballo do 50% significa que a señal está alta durante a metade do ciclo e baixa durante a outra metade; un ciclo de traballo do 100% significa que a señal está sempre alta; e un ciclo de traballo do 0% significa que a señal está sempre baixa.

• Frecuencia PWM: A frecuencia da señal PWM determina a duración de cada ciclo. Frecuencias máis altas resultan en ciclos máis curtos, e a señal PWM cambia máis rapidamente.

2. Relación entre a Tensión e o Ciclo de Traballo na PWM

• Tensión Media: Na PWM, a tensión de saída media é proporcional ao ciclo de traballo. Se a tensión máxima da señal PWM é   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, a tensión de saída media   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; pode\; calcularse\; utilizando\; a\; seguinte\; fórmula:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Onde:

• Vavg é a tensión de saída media.

• D é o ciclo de traballo (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax é a tensión máxima da señal PWM (xeralmente a tensión de alimentación).

• Efecto do Ciclo de Traballo na Tensión Media:

• Cando o ciclo de traballo é do 0%, a señal PWM está sempre baixa, e a tensión de saída media é 0.

• Cando o ciclo de traballo é do 100%, a señal PWM está sempre alta, e a tensión de saída media é igual á tensión máxima Vmax.

• Cando o ciclo de traballo está entre o 0% e o 100%, a tensión de saída media é unha proporción da tensión máxima. Por exemplo, un ciclo de traballo do 50% resulta nunha tensión de saída media que é a metade da tensión máxima.

3. Exemplos de Aplicación da PWM

a. Control de Motores

• No control de motores, a PWM empregase para regular a velocidade ou o par dun motor. Cambiando o ciclo de traballo da señal PWM, pode controlarse a tensión media aplicada ao motor, axustando así a potencia de saída do motor. Por exemplo, reducindo o ciclo de traballo diminúese a tensión media, freando o motor, mentres que aumentando o ciclo de traballo aumentase a tensión media, acelerando o motor.

b. Atenuado de LED

• Nas aplicacións de atenuado de LED, a PWM empregase para axustar o brillo dun LED. Cambiando o ciclo de traballo da señal PWM, pode controlarse a corrente media a través do LED, axustando así o seu brillo. Por exemplo, un ciclo de traballo do 50% resulta nun brillo de LED que é a metade do máximo, mentres que un ciclo de traballo do 100% fai que o LED estea totalmente brillante.

c. Convertidores DC-DC

• Nos convertidores DC-DC (como os convertidores buck ou boost), a PWM empregase para regular a tensión de saída. Axustando o ciclo de traballo da señal PWM, pódense controlar o tempo de activación e desactivación do dispositivo de conmutación, o que a súa vez axusta a tensión de saída. Por exemplo, nun convertidor buck, aumentar o ciclo de traballo eleva a tensión de saída, mentres que diminuílo abaisa a tensión de saída.

4. Ventajas da PWM

• Alta Eficiencia: A PWM controla a tensión mediante operacións de conmutación en lugar de regulación linear (por exemplo, usando divisores de tensión resistivos), resultando en menores perdas de enerxía e maior eficiencia.

• Control Preciso: Axustando precisamente o ciclo de traballo, a PWM permite un control fino sobre a tensión ou corrente de saída.

• Flexibilidade: A PWM pode adaptarse facilmente a varias aplicacións, como o control de motores, o atenuado de LED e a xestión de enerxía.

5. Limitacións da PWM

• Interferencia Electromagnética (EMI): Como as señais PWM son señais de conmutación de alta frecuencia, poden xerar interferencia electromagnética, especialmente a frecuencias máis altas. Deberían empregarse técnicas adecuadas de filtrado e blindado no deseño de sistemas PWM.

• Ruido: En algúns casos, as señais PWM poden introducir ruido audible, especialmente en equipos de audio ou controladores de motores. Este problema pode mitigarse seleccionando unha frecuencia PWM apropiada.

Resumo

Na Modulación da Largura do Pulso (PWM), a tensión de saída media é directamente proporcional ao ciclo de traballo. O ciclo de traballo determina a proporción de tempo que a señal está alta dentro dun ciclo PWM, o que a súa vez afecta a tensión de saída media. Axustando o ciclo de traballo, a tensión ou corrente de saída pode regularse flexibelmente sen cambiar a tensión de alimentación. A tecnoloxía PWM empregase amplamente no control de motores, atenuado de LED, xestión de enerxía e outras aplicacións, ofrecendo alta eficiencia e control preciso.