Publicado: Sexta, 06 Abril 2012 00:13
Os controles de potência, fontes chaveadas e muitos outros circuitos utilizam a tecnologia do PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação de Largura de Pulso como base de seu funcionamento. Neste artigo analisamos o princípio de funcionamento dos dispositivos PWM para que os leitores que trabalham nas áreas de Projeto, Manutenção e Montagem de Equipamentos que empregam esta tecnologia saibam exatamente como ela funciona.
A maneira tradicional de se controlar uma carga de potência é através de um reostato em série, conforme mostra a figura 1.
Variando-se a resistência apresentada pelo reostato (potenciômetro) pode-se modificar a corrente na carga e, portanto, a potência aplicada a ela. Este tipo de controle ainda é encontrado nas lâmpadas de painéis de alguns carros mais antigos.
A grande desvantagem deste tipo de controle, denominado "linear", é que a queda de tensão no reostato multiplicada pela corrente que ele controla representa uma grande quantidade de calor gerada.
O controle passa a dissipar (e pedir) mais potência que a aplicada na própria carga em determinadas posições do ajuste. Além desta perda ser inadmissível, ela faz com que o componente usado no controle seja capaz de dissipar elevadas potências, ou seja, torna-se caro e grande (normalmente reostatos ou potenciômetros de fio, mesmo para potências relativamente baixas).
Em outro artigo deste site explicamos como funcionam as fontes chaveadas, que justamente usam a tecnologia PWM, mas os motores de corrente contínua e outras cargas como solenóides, aquecedores e lâmpadas incandescentes também podem usá-la. Como tal tecnologia funciona é o que passamos a ver agora.
Para que o leitor entenda como funciona esta tecnologia no controle de potência, partimos de um circuito imaginário formado por um interruptor de ação muito rápida e uma carga que deve ser controlada, de acordo com a figura 3.
Uma idéia é fazermos com que a chave seja aberta e fechada rapidamente de modo a ficar 50% do tempo aberta e 50% fechada. Isso significa que, em média, teremos metade do tempo com corrente e metade do tempo sem corrente, veja a figura 4.
Na prática, substituímos o interruptor por algum dispositivo de estado sólido que possa abrir e fechar o circuito rapidamente como, por exemplo, um transistor bipolar, um FET de potência ou até mesmo um SCR.
A este dispositivo é então ligado um oscilador que possa ter seu ciclo ativo controlado numa grande faixa de valores. Na prática, é difícil chegar à duração zero do pulso e à 100%, já 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 para um motor DC de pequena potência (com corrente de até alguns ampères).
O oscilador, montado com um circuito integrado 4093 tem sua saída no nível alto determinada pelo ajuste do potenciômetro, enquanto que sua saída no nível baixo é determinada pelo resistor R1 (fixo). Assim, fazendo R1 suficientemente pequeno em relação ao valor do potenciômetro, o circuito poderá gerar sinais numa ampla faixa de ciclos ativos.
O exemplo de aplicação é o que se denomina de "simple magnitude PWM", onde o sinal aplicado à carga determina simplesmente a potência 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 modulação do sinal informações sobre a potência aplicada à carga e o sentido da corrente que deve circular por ela.
Este tipo de controle, em especial, é interessante quando se trata de motores elétricos onde o sentido da corrente determina o sentido da rotação.
Se os pulsos aplicados à carga não variarem entre 0 V e um valor máximo de tensão +V, por exemplo, mas entre uma tensão negativa e uma tensão positiva (-V a +V), o ciclo ativo determina também o sentido de circulação da corrente pela carga.
Se, por exemplo, o ciclo ativo for de 50% conforme mostra a figura 8, a tensão média na carga e, portanto a potência, será zero.
Logo, neste tipo de circuito a corrente na carga variará entre -100% e +100%, conforme o ciclo ativo do sinal aplicado.
Usamos uma fonte simétrica de +6/-6 V para controlar um pequeno motor de 50 mA a partir de um circuito integrado 555. Uma etapa de potência com transistores poderá ser acrescentada a este circuito.
Este circuito foi simulado no Electronics Workbench e na figura 10 temos as formas de onda na saída, e sobre o capacitor.
Na operação de um controle por PWM existem diversas vantagens a ser consideradas e alguns pontos para os quais o projetista deve ficar atento para não jogar fora estas vantagens.
Em primeiro lugar, os dispositivos usados no controle não são capazes de abrir e fechar o circuito num tempo infinitamente pequeno. Eles precisam de um tempo para mudar de estado e, neste intervalo de tempo, sua resistência sobe de um valor muito pequeno até infinito e vice-versa, numa curva de comutação semelhante a mostrada na figura 11.
Neste intervalo de tempo a queda de tensão e a corrente através do dispositivo não são nulas, e uma boa quantidade de calor pode-rá ser gerada conforme a carga controlada.
Dependendo da frequência de controle e da resposta do dispositivo usado, uma boa quantidade de calor pode-rá ser gerada neste processo de comutação.
Entretanto, mesmo com este problema, a potência gerada num controle PWM ainda é muito menor do que num circuito de controle linear equivalente. Transistores de comutação rápidos, FETs de potência e outros componentes de chaveamento podem ser suficientemente rápidos para permitir que projetos de controles de potências elevadas sejam implementados sem a necessidade de grandes dissipadores de calor ou que tenham problemas de perdas de energia por geração de calor que possam ser preocupantes.
Um circuito integrado bastante popular neste tipo de aplicação é o LMD18200, da National, que consiste numa ponte H com controle PWM para cargas de 3 A e tensões de até 55 V.
Este circuito integrado é fornecido num invólucro SIL de alta potência, de 11 pinos, para ser montado num radiador de calor, tendo seu diagrama em blocos mostrado na figura 12.
Saber exatamente como ela funciona é muito importante para todos aqueles que trabalham com eletrônica de potência, principalmente os ligados à manutenção e instalação de equipamentos industriais.