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Eletrnica Industrial Apostila sobre Modulao PWM pgina 1 de 6Curso Tcnico em EletrnicaEletrnica Industrial Apostila sobre Modulao PWM INTRODUOOs 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 um reostato 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 de painis de alguns carros mais antigos.A grande desvantagem deste tipo de controle, denominado linear, que a queda de tenso no reostato multiplicada pela corrente que ele controla representa uma grande quantidade de calor gerada.O controle passa a dissipar (e pedir) mais potncia que a aplicada na prpria carga em determinadas 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 a figura 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 a corrente principal elevada.Esta potncia depende da corrente e da queda de tenso no dispositivo e, da mesma forma, em certas 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 dissipadores que ocupem espao fundamental, principalmente quando circuitos de alta potncia esto sendo controlados.Desta forma, este tipo de controle de potncia linear no conveniente, sendo requisitadas outras configuraes de maior rendimento como as que fazem uso das tecnologias PWM.Eletrnica Industrial Apostila sobre Modulao PWM pgina 2 de 6Na matria Fontes Chaveadas explicado como funcionam as fontes chaveadas, que justamente usam a tecnologia PWM, mas os motores de corrente contnua ou alternada e outras cargas como solenides, aquecedores e lmpadas incandescentes tambm podem us-la. Como tal tecnologia funciona o que passamos a ver agora.PWMPWM 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 umcircuito 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 potnciaaplicada 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% dotempo 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 nesta condio, e um intervalo entre pulsos pelo tempo em que ele fica aberto. Os dois tempos juntos definem 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.Eletrnica Industrial Apostila sobre Modulao PWM pgina 3 de 6Variando-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 de zero 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 de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga e, com isso, a potncia aplicada a ela.NA PRTICANa prtica, substituimos o interruptor por algum dispositivo de estado slido que possa abrir e fechar o circuito rapidamente como, por exemplo, um transistor bipolar, um FET de potncia, um IGBT 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 determinada pelo 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 circuito poder gerar sinais numa ampla faixa de ciclos ativos.Estes sinais so ento aplicados ao transistor de potncia que comanda a carga.Eletrnica Industrial Apostila sobre Modulao PWM pgina 4 de 6TIPOS DE PWMO 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 de motores 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 determina tambm 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 dos pulsos 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.Eletrnica Industrial Apostila sobre Modulao PWM pgina 5 de 6Um ponto importante que deve ser observado neste tipo de circuito que na posio de 50% de ajuste do potencimetro (potncia mdia nula na carga), na verdade temos uma corrente circulando o tempo 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 ou uma 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 na frequncia do oscilador. Eventualmente componentes adicionais podem ser previstos em paralelo como motor como, por exemplo, um capacitor, para evitar este problema.VANTAGENS DO PWMNa operao de um controle por PWM existem diversas vantagens a serem consideradas e alguns pontos 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 circuitonum 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, numa curva 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, e uma 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 este problema, a potncia gerada num controle PWM ainda muito menordo que num circuito de controle linear equivalente. Transistores de comutao rpidos, FETs depotncia, e outros componentes de chaveamento podem ser suficientemente rpidos para permitir que projetos de controles de potncias elevadas sejam implementados sem a necessidade de grandes dissipadores de calor ou que tenham problemas de perdas de energia por gerao de calor que possamser preocupantes.O segundo problema que poder surgir vem justamente do fato de que os transistores de efeito decampo ou bipolares usados em comutao no se comportam como resistncias nulas, quandosaturados.Os transistores bipolares podem apresentar uma queda de tenso de at alguns volts quandosaturados, o mesmo ocorrendo com os FETs.Deve-se observar em especial o caso dos FETs de potncia que so, s vezes, considerados comutadores perfeitos, com resistncias de frao de ohm entre o dreno e a fonte quando saturados (Rds(on)) mas na prtica no isso que ocorre.A baixssima resistncia de um FET de potncia quando saturado (resistncia entre dreno e fonteno estado on) s vlida para uma excitao de comporta feita com uma tenso relativamente alta.Eletrnica Industrial Apostila sobre Modulao PWM pgina 6 de 6Assim, dependendo da aplicao, principalmente nos circuitos de baixa tenso, os transistores de potncia bipolares ou mesmo os IGBTs podem ser ainda melhores que os FETs de potncia.CIRCUITOS INTEGRADOSPara implementao de controles PWM existem muitos circuitos integrados especiais, alguns deles incluindo as etapas de potncia e at mesmo circuitos de pontes H para reverso de sentido.Um circuito integrado bastante popular neste tipo de aplicao o LMD18200, da National, queconsiste numa ponte H com controle PWM para cargas de 3 A e tenses de at 55 V.Este circuito integrado fornecido num invlucro SIL de alta potncia, de 11 pinos, para sermontado num radiador de calor, tendo seu diagrama em blocos mostrado na figura 11.A entrada de controle de direo e parada (brake) compatvel com lgica TTL. Os interessados podem encontrar o data-sheet deste componente no site da National Semiconductor em http://www.national.comCONCLUSONuma Infinidade de aplicaes prticas que envolvem desde o controle de potncia de motorese outras cargas at fontes chaveadas, a tcnica do PWM empregada.Saber exatamente como ela funciona muito importante para todos aquelas que trabalham com eletrnica de potncia, principalmente os ligados a manuteno e instalao de equipamentos industriais.