Ús de PWM com a tècnica de commutació
La modulació d’amplada de pols (PWM) és una tècnica que s’utilitza habitualment per controlar generalment l’alimentació de CC a un dispositiu elèctric, fet pràctic pels moderns interruptors d’alimentació electrònics. No obstant això, també troba el seu lloc en els helicòpters de corrent altern. El valor mitjà del corrent subministrat a la càrrega està controlat per la posició del commutador i la durada del seu estat. Si el període d'activació de l'interruptor és més llarg en comparació amb el període d'aturada, la càrrega rep una potència comparativament superior. Per tant, la freqüència de commutació PWM ha de ser més ràpida.
Normalment, el canvi s’ha de fer diverses vegades al minut en una estufa elèctrica, 120 Hz en un regulador de llum, des de pocs kilohertz (kHz) fins a desenes de kHz per a un motor. La freqüència de commutació dels amplificadors d'àudio i les fonts d'alimentació de l'ordinador és d'entre deu i centenars de kHz. La proporció entre el temps d’activació i el període de temps del pols es coneix com a cicle de treball. Si el cicle de treball és baix, implica poca potència.
La pèrdua d'energia del dispositiu de commutació és molt baixa, a causa de la quantitat gairebé insignificant de corrent que flueix en l'estat apagat del dispositiu i de la quantitat insignificant de caiguda de tensió en estat OFF. Els controls digitals també utilitzen la tècnica PWM, que també s’ha utilitzat en determinats sistemes de comunicació on s’ha utilitzat el seu cicle de treball per transmetre informació a través d’un canal de comunicacions.
El PWM es pot utilitzar per ajustar la quantitat total de potència lliurada a una càrrega sense pèrdues que normalment es produeixen quan una transferència de potència està limitada per mitjans resistius. Els inconvenients són les pulsacions definides pel cicle de treball, la freqüència de commutació i les propietats de la càrrega. Amb una freqüència de commutació suficientment alta i, quan calgui, mitjançant filtres electrònics passius addicionals, es pot suavitzar el tren de pols i recuperar la forma d’ona analògica mitjana. Els sistemes de control PWM d'alta freqüència es poden implementar fàcilment mitjançant interruptors de semiconductor.
Com ja s'ha dit anteriorment, l'interruptor no dissipa gairebé cap alimentació en estat d'encesa o apagat. Tanmateix, durant les transicions entre estats d'encesa i apagat, tant el voltatge com el corrent són diferents de zero i, per tant, es dissipa una força considerable als commutadors. Per sort, el canvi d'estat entre totalment activat i completament apagat és bastant ràpid (normalment menys de 100 nanosegons) en relació amb els temps d'encès o apagat típics, de manera que la dissipació de potència mitjana és bastant baixa en comparació amb la potència que s'ofereix fins i tot quan es produeixen freqüències de commutació elevades. s’utilitzen.
Ús de PWM per subministrar energia CC a la càrrega
La major part del procés industrial requereix executar-se en determinats paràmetres pel que fa a la velocitat de la unitat. Els sistemes d’accionament elèctric que s’utilitzen en moltes aplicacions industrials requereixen un major rendiment, fiabilitat i velocitat variable a causa de la seva facilitat de control. El control de velocitat del motor de corrent continu és important en aplicacions on la precisió i la protecció són essencials. El propòsit d'un controlador de velocitat del motor és agafar un senyal que representa la velocitat requerida i conduir un motor a aquesta velocitat.
La modulació d'ample de pols (PWM), tal com s'aplica al control del motor, és una manera de subministrar energia mitjançant una successió de polsos en lloc d'un senyal (analògic) que varia contínuament. En augmentar o disminuir l’amplada del pols, el controlador regula el flux d’energia cap a l’eix del motor. La pròpia inductància del motor actua com un filtre, emmagatzemant energia durant el cicle “ON” mentre l’allibera a una velocitat que correspon al senyal d’entrada o de referència. En altres paraules, l'energia flueix a la càrrega no tant en la freqüència de commutació, sinó en la freqüència de referència.
El circuit s'utilitza per controlar la velocitat de DC motor mitjançant la tècnica PWM. El controlador de motor CC de velocitat variable de la sèrie 12V utilitza un temporitzador IC 555 com a generador d’impulsos PWM per regular la velocitat del motor DC12 volts. IC 555 és el popular xip temporitzador que s’utilitza per fer circuits de temporitzador. Va ser introduït el 1972 per Signetics. Es diu 555 perquè hi ha tres resistències de 5 K a l’interior. El CI consta de dos comparadors, una cadena de resistències, un Flip Flop i una etapa de sortida. Funciona en 3 modes bàsics: Astable, Monostable (on actua com un generador d’impulsos d’un sol tret i mode Bistable. És a dir, quan s’activa la sortida augmenta durant un període en funció dels valors de la resistència de sincronització i del condensador. En mode Astable (AMV), l'IC funciona com un multivibrador de funcionament lliure. La sortida gira alta i baixa contínuament per donar una sortida pulsant com a oscil·lador. En el mode Bistable també conegut com a activador Schmitt, l'IC funciona com un Flip-Flop amb o sortida baixa en cada activador i reinici.
En aquest circuit s’utilitza el MOSFET IRF540. Es tracta d’un MOSFET de millora del canal N. Es tracta d’un MOSFET de potència avançat dissenyat, provat i garantit per suportar un nivell d’energia especificat en el mode de funcionament de l’allau d'avaria. Aquest MOSFET de potència està dissenyat per a aplicacions com ara reguladors de commutació, convertidors de commutació, controladors de motors, controladors de relés i controladors per a transistors de commutació bipolars d’alta potència que requereixen una potència d’entrada de porta alta i baixa velocitat. Aquests tipus es poden operar directament des de circuits integrats. La tensió de treball d’aquest circuit es pot ajustar segons les necessitats del motor de CC impulsat. Aquest circuit pot funcionar des de 5-18VDC.
A sobre del circuit, és a dir, Control de velocitat del motor CC mitjançant PWM La tècnica varia el cicle de treball que al seu torn controla la velocitat del motor. IC 555 està connectat en mode astable i funciona amb múltiples vibradors. El circuit consisteix en una disposició d’un potenciòmetre i dos díodes, que s’utilitza per canviar el cicle de treball i mantenir constant la freqüència. Com que la resistència de la resistència variable o del potenciòmetre varia, el cicle de treball dels polsos aplicats al MOSFET varia i, en conseqüència, la potència de corrent continu al motor varia i, per tant, la seva velocitat augmenta a mesura que augmenta el cicle de treball.
Ús de PWM per subministrar corrent altern a la càrrega
Els commutadors moderns de semiconductor com els MOSFET o els transistors bipolars de porta aïllada (IGBT) són components força ideals. Així es poden construir controladors d’alta eficiència. Normalment, els convertidors de freqüència que s’utilitzen per controlar motors de CA tenen una eficiència superior al 98%. Les fonts d’alimentació de commutació tenen una eficiència inferior a causa de nivells de voltatge de sortida baixos (sovint es necessiten fins i tot menys de 2 V per als microprocessadors), però encara es pot aconseguir una eficiència superior al 70-80%.
Aquest tipus de control de corrent altern és el mètode conegut de l'angle de cocció retardat. És més barat i genera molt soroll elèctric i harmònics en comparació amb el control PWM real que desenvolupa un soroll insignificant.
En moltes aplicacions, com ara la calefacció industrial, el control de la il·luminació, els motors d’inducció d’arrencada suau i els controladors de velocitat per a ventiladors i bombes, es necessita una tensió de CA variable des d’una font de CA fixa. El control de l'angle de fase dels reguladors s'ha utilitzat àmpliament per a aquests requisits. Ofereix alguns avantatges com la simplicitat i la capacitat de controlar econòmicament una gran quantitat de potència. No obstant això, l'angle de cocció retardat causa discontinuïtat i abundants harmònics en el corrent de càrrega i es produeix un factor de potència retardat al costat de CA quan l'angle de cocció augmenta.
Aquests problemes es poden millorar utilitzant un helicòpter AC PWM. Aquest triturador de corrent altern PWM ofereix diversos avantatges, com ara el corrent d’entrada sinusoïdal amb un factor de potència quasi unitari. No obstant això, per reduir la mida del filtre i millorar la qualitat del regulador de sortida s’hauria d’incrementar la freqüència de commutació. Això provoca una gran pèrdua de commutació. Un altre problema és la commutació entre l’interruptor de transferència S1 i l’interruptor de roda lliure S2. Provoca l'augment de corrent si els dos commutadors estan activats alhora (curtcircuit) i l'augment de la tensió si els dos interruptors estan apagats (no hi ha recorregut de roda lliure). Per evitar aquests problemes, es van utilitzar canals RC. No obstant això, això augmenta la pèrdua de potència del circuit i és difícil, car, voluminós i ineficient per a aplicacions d'alta potència. Es proposa un helicòpter de corrent altern amb commutació de tensió de corrent zero (ZCS-ZVS). El regulador de tensió de sortida ha de variar el temps d’apagada controlat pel senyal PWM. Per tant, cal utilitzar el control de freqüència per aconseguir la commutació suau i els sistemes de control generals utilitzen les tècniques PWM que produeixen temps d’activació. Aquesta tècnica té avantatges com el control simple amb modulació sigma-delta i continua el corrent d’entrada. A continuació es presenten les característiques de la configuració del circuit proposada i els patrons tallats de PWM.
