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• Cesar Omar Estrada Barojas

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Modulación por ancho de pulso (PWM). La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM [pronunciado pe dobleuve eme], siglas en inglés de pulse-width 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, 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:

Donde: D es el ciclo de trabajo. es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso). T 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. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.

Fig. Una señal de onda cuadrada de amplitud acotada (Ymin,Ymax) mostrando el ciclo de trabajo D. Aplicaciones. En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa 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. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras más.

Fig. Diagrama de ejemplo de la utilización de la modulación de ancho de pulsos en un variador de frecuencia.

El abanico de aplicaciones en las que se puede utilizar esta técnica es muy amplio, incluyendo el control de fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones, tales como el manejo de servos de modelismo. En la actualidad existen muchos circuitos integrados que integran la función PWM, tales como los microcontroladores PIC que hemos utilizado en otros proyectos. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras más.

fig. PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal.

En relación a los motores, que es de lo que trata este documento, podemos decir que la modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza, como su nombre lo indica, al controlar mediante algún circuito de potencia el momento alto (encendido o alimentado) y el momento bajo (apagado o desconectado) del motor. Reguladores de conmutación - Convertidores DC-DC Los conversores conmutados en alta frecuencia son circuitos de potencia donde los semiconductores, o llaves de potencia, conmutan a una frecuencia mucho mayor que la de variación de las formas de onda de entrada y salida del conversor. Esto permite emplear filtros pasa-bajos para eliminar los componentes armónicos no deseados. No podemos usar la inversión de la forma de onda de entrada para bloquear los semiconductores, como se hace con los conmutados por la red. Los interruptores deberán entonces controlarse al conducir y bloquear. Los conversores DC-DC forman

parte de este grupo de convertidores, controlan el flujo de energía entre dos sistemas de continua. Ejemplos de aplicación son: fuentes de alimentación CC (Switch Mode Power Supplies, SMPS) para equipamiento electrónico, control de máquinas eléctricas de corriente continua, etc. En los reguladores de conmutación, el elemento regulador es un transistor que está constantemente conmutando entre corte y saturación. En estas regiones de operación, el transistor disipa muy poca potencia (típicamente menos de 1mW en corte y menos de 1W en saturación). Debido a este modo de operación, los reguladores de conmutación son bastante eficientes (a menudo alcanzan el 80% de eficiencia), especialmente cuando las diferencias entre la entrada y la salida son altas. Además, los reguladores de conmutación pueden generar tensiones de salida mayores que la entrada no regulada y tensiones de salida de polaridad opuesta a la entrada. Otra ventaja que tienen las fuentes de alimentación conmutadas (switchers) es que se pueden conectar directamente a la tensión de la línea rectificada y filtrada, sin que sea necesario un transformador de potencia de alterna, dando lugar a las fuentes conmutadas conectadas a la línea (line-powered switching supplies). El resultado es una fuente de continua pequeña, ligera y además funcionan a menor temperatura debido a su mayor eficiencia. Por estas razones, las fuentes conmutadas se utilizan casi universalmente en computadores y en instrumentos portátiles. Los principales problemas que tienen las fuentes conmutadas son el ruido de conmutación presente en la salida y el costo. En los reguladores de conmutación (véase la figura de abajo), un transistor que funciona como conmutador aplica periódicamente toda la tensión no regulada a una autoinducción durante intervalos cortos. La corriente de la autoinducción crece durante cada pulso, almacenando una energía (1/2LI2) que se transfiere a un filtro capacitivo a la salida. Igual que en los reguladores lineales, se compara la salida con una tensión de referencia, pero en los reguladores de conmutación la salida se controla cambiando la anchura de pulso del oscilador en vez de controlando linealmente la tensión de base.

Fig. Regulador de tensión conmutada.

El corazón del regulador de conmutación es un oscilador PWM (modulación por anchura de pulsos) en donde la anchura de pulso es controlada por tensión. La salida del PWM conmuta un transistor entre corte y saturación, con un ciclo útil (duty cycle) que se controla con la diferencia entre la tensión de realimentación VFB y VREF. Básicamente, si el VFB > VREF el ciclo útil del PWM disminuye hasta que VFB = VREF; Por el contrario si VFB < VREF, el ciclo aumenta. Por tanto, el voltaje de salida es proporcional al ciclo útil del PWM. Frecuencias típicas para el PWM están en el rango de 1kHz a 200kHz. Debido a las altas frecuencias que se utilizan, los componentes del filtro pueden ser relativamente pequeños y aún así consiguen una excelente reducción del rizado. La mayoría de los reguladores de conmutación modernos emplean FETs VMOS y DMOS de potencia como elemento de conmutación para conseguir una mayor velocidad de operación. Convertidor Buck. El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislación galvánica, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida. La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma de calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autoregulación.

Fig. Esquema básico de un convertidor Buck. El interruptor suele ser un MOSFET, IGBT o BJT.

El funcionamiento del conversor Buck es sencillo, consta de un inductor controlado por dos dispositivos semiconductores los cuales alternan la conexión del inductor bien a la fuente de alimentación o bien a la carga.

Fig. Las dos configuraciones de un Buck. (a) La energía se transfiere de la fuente a la bobina al condensador y a la carga. (b) la energía se transfiere de la bobina y el condensador a la carga.

Convertidor Boost. El convertidor Boost (o elevador) es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos). Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento. Un conector de suministro de energía habitual normalmente no se puede conectar directamente a dispositivos como ordenadores, relojes o teléfonos. La conexión de suministro genera una tensión alterna (AC) y los dispositivos requieren tensiones continuas (DC). La conversión de potencia permite que dispositivos de continua utilicen energía de fuentes de alterna, este es un proceso llamado conversión AC a DC y en él se usan convertidores AC a DC como rectificadores. La energía también puede provenir de fuentes DC como baterías, paneles solares, rectificadores y generadores DC, pero ser de niveles inadecuados. El proceso de cambiar una tensión de continua a otra diferente es llamado conversión DC a DC. Un convertidor Boost es uno de los tipos de convertidores DC a DC. Presenta una tensión de salida mayor que la tensión de la fuente, pero la corriente de salida es menor que la de entrada. El principio básico del convertidor Boost consiste en dos estados distintos dependiendo del estado del interruptor S : 

Cuando el interruptor está cerrado (On-state) la bobina L almacena energía de la fuente, a la vez la carga es alimentada por el condensador C.



Cuando el interruptor está abierto (Off-state) el único camino para la corriente es a través del diodo D y circula por el condensador (hasta que se carga completamente) y la carga.

Existen dos situaciones de funcionamiento: Modo continuo (toda la energía se transfiere a la carga, sin llegar a que la corriente se anule), y Modo Discontinuo (la carga consume menos de lo que el circuito puede entregar en un ciclo).

Fig. Las dos configuraciones de un Boost. (a) La energía se transfiere de la fuente a la bobina y del condensador a la carga. (b) la energía se transfiere de la fuente y de la bobina al condensador y a la carga.