Artigo I – Parte 1 Revista Automação - Volume 1

Assunto: Modulação PWM

Rio, 08/05/2006

 

Modulação por Largura de Pulsos – PWM
Parte 1

Engº Antonio Figueira

www.antoniofigueira.com.br

 

Prezados leitores:

 

         É com muito prazer que participo do grupo de colaboradores da Revista Automação. Nos nossos artigos vamos tratar de temas relevantes e seja uma nova fonte de informações e conhecimentos para os nossos leitores. Nesse primeiro artigo  vamos iniciar os estudos sobre a modulação por largura de pulsos - PWM. O assunto é extenso, por isso vamos dividi-lo em partes.

 O conhecimento da técnica de modulação PWM  com certeza vão ajudar os nossos leitores a compreender como é funcionamento dos circuitos de controle de muito equipamentos e sistemas que convivemos no nosso cotidiano. Por exemplo: os sistemas no-breaks, shortbreaks, conversores de freqüência,  estabilizadores de tensão,  retificadores, fontes chaveadas, iluminação de emergência, etc.

É importante que o leitor aprenda os conceitos básicos das técnicas de modulação por largura de pulsos, e também conheça os circuitos eletrônicos básicos usados para gerar  pulsos PWM – Pulse Width Modulated.

Nesse artigo não faremos análises matemáticas  sobre a modulação por largura de pulsos. Para os leitores que desejarem conhecer mais sobre o assunto,  estamos indicando, na bibliografia, alguns livros  que trata do assunto com muita propriedade.

A técnica de modulação por largura de pulsos é a base fundamental para um projeto de um circuito de controle de um sistema no-break, conversor de energia estático, fontes chaveadas, etc. Utilizando essa técnica pode-se fazer o controle da tensão, do fator de potência, da distorção harmônica, controle  de corrente, de freqüência, converter energia alternada para contínua, de contínua para alternada, e elevar ou abaixa  corrente contínua, e muito mais. Os  sistemas de energia, em especial os no-breaks monofásicos e trifásicos, short-breaks e conversores de energia, são exemplos de equipamentos que empregam essa técnica.

Através da modulação por largura de pulsos se faz o  controle das tensões do retificador e do inversor, controla-se a distorção harmônica e fator de potência, controla-se as correntes do circuito retificador e inversor, a freqüência de saída do inversor, mantém-se a relação tensão/freqüência  constante, estabilizar-se a tensão de saída do inversor e compensar-se as variações da tensão de corrente contínua de entrada do inversor. No sistema estabilizador por controle de fase utiliza-se a modulação por largura de pulsos para faz a regulação da tensão de saída.

A técnica de modulação por largura de pulsos vem sofrendo avanços e aprimoramentos ao longo dos anos, e a cada nova descoberta, a eficiência do método melhora ainda mais.

 Atualmente temos diversos tipos de modulação PWM. A seguir, faremos uma análise dos mais utilizados, são eles:

1) Modulação por largura de pulsos únicos  -   PWM;
2) Modulação por largura de pulsos múltiplos -  UPWM;
3) Modulação por largura de pulsos senoidal - SPWM;
4) Modulação por largura de pulsos senoidal modificada - MSPWM;
5) Controle por deslocamento de fase;
6) Modulação trapezoidal;
7) Modulação escada;
8) Modulação degrau;
9) Modulação por injeção de harmônicos;
10) Modulação delta.

 

Para haver a modulação por largura de pulso temos que atender alguns pré-requisitos básicos. Primeiro, é preciso um circuito modulador por largura de pulsos.  Segundo, precisamos ter no mínimo dois sinais de formas de ondas diferentes. O primeiro sinal é chamado de sinal de referência. A sua  amplitude e freqüência são constantes.  O segundo sinal é chamado de sinal de amostragem. A sua amplitude é variável, e a freqüência constante.

Esses sinais são processados pelo circuito modulador, que executado uma operação de soma eletronicamente. Também podemos dizer que os sinais passam por um processo de comparação entre si.

Os sinais resultantes são pulsos nas formas quadradas ou retangulares,  de largura variável e amplitude constante.  A freqüência do sinal de referência determina a quantidade de pulsos por semiciclo,  e a freqüência do sinal de amostragem define a freqüência  da tensão de saída.

 

Modulação Por Largura de Pulso Único - PWM

 

A modulação por largura de pulso único tem como característica principal o processamento de um único pulso por semiciclo. A figura 4.1 mostra as formas de ondas utilizadas.

 

 

 

O sinal de referência é uma onda dente-de-serra contendo apenas um pulso por período. O sinal de amostragem é uma onda de tensão contínua. A variação do sinal de amostragem modifica a largura dos pulsos PWM resultantes.

A técnica possui algumas deficiências. O fator de distorção aumenta significativamente quando a tensão de saída é baixa e o terceiro harmônico é o dominante.

         As Figs. 4.1a, 4.1b, 4.1c e 4.1d mostram as formas de ondas no circuito modulador. No primeiro exemplo, o sinal de amostragem da Fig. 4.1a é uma onda dente-de-serra de amplitude  e freqüência constante. Para melhor compreensão, vamos utilizar um sinal de tensão contínua como sinal de amostragem. A Fig. 4.1b mostra a forma de onda do sinal de amostragem. A Fig. 4.1c mostra os dois sinais sobrepostos. A Fig. 4.1d representa os pulsos modulados em largura - PWM.

         Na Fig. 41c, representamos a sobreposição do sinal de referência com o sinal de amostragem. Podemos observar na Fig. 4.2, que mostra o circuito básico de  um modulador por largura de pulsos. A tensão de referência onda dente de serra é aplicado no ponto PT1, entrada inversora do CI-1. O sinal de amostragem é aplicado na entrada não-inversora do CI-1 (pino 3).

Vamos analisar o que está ocorrendo no segmento de 0-1 da Fig. 4.1d. O sinal de amostragem  que está com valor de tensão maior, comparado com o sinal de referência, comanda a saída do CI-1 (pino 6) para nível alto. Nesse caso, o transistor T1 fica cortado, por isso a tensão no ponto PT4 será baixa, conforme mostrado na Fig. 4.1d, no segmento de 0-1.

         No segmento 1-2, a tensão de referência (V1) é maior do que a  tensão dos sinal de amostragem (V2). Nesse caso,  o sinal de referência  vai comandar a saída do CI-1, obrigando-a permanecer em nível baixo, zero volt. Essa condição será mantida até  que ocorra um mudança no valor da tensão de entrada. Nesse mesmo segmento, ponto PT4 a tensão será de +Vcc.

         Nos segmentos 3-4, 5-6 e 7-8 ocorre o mesmo que no segmento 1-2. E os segmentos 2-3, 4-5, 6-7 e 8-9 serão iguais aos segmento 0-1. As Figs. 4.1d e 4.1e mostra as formas de ondas resultantes na saída do circuito operacional (pino 6), e no circuito de drive no coletor do transistor T1, no ponto PT4.

         Dando continuidade às nossas análises, vamos admitir que a tensão do sinal de amostragem  mude de valor, variando no tempo, e que o sinal de referência mantenha-se fixo. Nesse caso, vãos ter na saída do circuito operacional os pulsos de onda quadrada e de largura variável.

         A freqüência de operação do nosso modulado em estudo é de 120 Hertz, Por isso, ele é chamado de  “modulador por largura de pulsos de baixa freqüência.

A Fig. 4.2 mostra o esquemático básico do modulador por largura de pulsos múltiplos utilizando apenas componentes discretos.

O circuito operacional CI-1 funciona na configuração comparador-somador de sinais, e o transistor T1 funciona como drive e inversor de sinal.

Na entrada negativa (inversora) do CI-1 é aplicado o sinal de referência, e  na entrada positiva (não-inversora) é aplicado o sinal de amostragem. Os dois sinais são processados pelo modulador e, na saída (PT4), vamos ter os pulsos modulados em largura.

 

 

 

Modulação por Largura de Pulsos Múltiplos, ou Modulação por Largura de Pulsos Uniformes - UPWM

 

A modulação por largura de pulsos múltiplos, também é conhecida por modulação por largura de pulsos uniforme – UPWM  ( do inglês Uniform  Pulse Width Modulation). A fig. 4.4 mostra as formas de onda.

Nessa técnica a característica principal é a quantidade de pulsos aplicados no mesmo período. A freqüência do sinal de amostragem determina o número de pulsos por semiciclo e a freqüência de saída.  A grande vantagem da utilização de pulsos múltiplos  é a redução do conteúdo harmônico  da tensão de saída.

O sinal de referência utilizado nesse modulador é uma quadrada de amplitude constante. O sinal de amostragem é uma onda triangular de amplitude variável. Os pulsos resultantes da modulação do mesmo semiciclo apresentam a mesma largura entre si, esse fato está relacionado com a forma de onda do sinal de referência.

As técnicas UPWM e SPWM serão analisadas com mais detalhes nesse capítulo. A opção não é por acaso, isso porque,  nas últimas décadas essas técnicas foram  as mais utilizadas pelos fabricantes brasileiros de sistemas no-breaks e short-breaks. Por isso, os leitores devem assimilar bem  os estudos  teóricos sobre as duas técnicas e o funcionamento dos respectivos circuitos moduladores.

 

Circuito Integrado gerador de pulsos UPWM 3524

 

Existem no mercado vários circuitos integrados que foram desenvolvidos especificamente para funcionar como moduladores por largura de pulsos múltiplos. Os integrados UPWM mais difundidos no mercado brasileiro são os das séries: 1524,  2524, 3524, 2525 e  2535.

A Fig. 4.5 mostra o diagrama de blocos dos circuitos internos do integrado UC 3524. As letras que colocadas antes do código numérico, identifica o fabricante do integrado, pode ser: UC, LM, SN, CA, SG, etc. A seguir faremos uma descrição das características principais desse velho conhecido, que nos proporcionaram momentos de alegrias ao longo da nossa vida profissional.

 

 

1 - Tensão de Alimentação

 

O positivo da alimentação é pelo pino 15. A tensão contínua mínima é de 8 Vcc, e a máxima de 40 Vcc., o massa ( “terra”)  é no pino 8.

 

2 - Fonte regulada interna

 

Uma  fonte regulada interna, com tensão de + 5 Vcc, alimenta seus circuitos internos. Essa tensão também está disponível no pino 16  para uso externo.

 

3 - Circuito oscilador

 

O Capacitor de temporização externo (Ct), ligado no pino 7, e o resistor de temporização (Rt), ligado no pino 6 do circuito integrado, determinam a freqüência de operação do oscilador VCO.  Esse circuito gera uma onda na forma de dente de serra.

 É possível fazer o controle fino da freqüência de oscilação aplicando uma tensão de correção externa através do pino 7.  Para calcular a freqüência do oscilador devemos usar a fórmula a seguir. A freqüência máxima de operação do integrado é 500 khz.

 

F  @ 1.18  ¸ (Rt.Ct)            (khz)

F  =  Freqüência em kilohertz (khz)

Rt =  Resistor de temporização em  kilohms

Ct =  Capacitor de temporização em microfarads

k =  1.18  constante

 

4 - Amplificador de erro

 

O amplificador de erro possui uma entrada inversora e uma não inversora. Na porta A, aplica-se a tensão de referência, e na porta B, a tensão contínua de amostragem. A diferença de tensão  entre os dois sinais são amplificadas, e o produto resultante é uma tensão contínua que é chamado de sinal de pedestal.

O pedestal é aplicado, internamente, à entrada do circuito comparador. Através do pino 9 tem-se um acesso a saída do amplificador de erro.

Em muitos casos deve-se instalar, externamente, uma malha de realimentação para evitar que ocorra uma oscilação indesejável do amplificador de erro.

 

5 - Circuito Comparador

 

A comparação do sinal de pedestal, oriundo do amplificador de erro, e a onda dente de serra gerada pelo oscilador VCO (oscilador controlado por tensão),  são comparados pelo circuito.

Na porta de saída do mesmo circuito,  temos os pulsos modulados em largura - PWM. A modulação é controlada pelo sinal de pedestal, que por sua vez, depende diretamente do sinal externo de amostragem.

 

6 - Circuito Flip Flop

 

O flip flop é um oscilador de onda quadrada  que trabalha sincronizado pelos pulsos do VCO. Sua função é a de comandar a liberação dos pulsos PWM através das chaves eletrônica, formadas pelas portas NOR

 

7 - Transistores de drive

 

Os dois transistores internos do drive são responsáveis pela amplificação e inversão dos pulsos PWM. Os pulsos estão disponíveis para uso externo nos coletores e emissores dos transistores, através dos pinos 11, 12, 13 e 14

 

8 - Amplificador limitador de corrente

 

O sensor de corrente é usado em projetos de circuitos limitadores de corrente externo. Quando é  ajustado um valor de corrente, e esse valor é atingido, imediatamente  os  pulsos de saída são bloqueados.

As portas de entrada do circuito são os pinos 4 e 5. Para gerar o sinal do sensor de corrente pode-se utilizar um shunt de corrente contínua, ou um transformador de corrente  (TC).

 

9 - Circuito de bloqueio ou shut down

 

A função do circuito shut down é a de inibir a geração dos pulsos PWM. Para acionar o circuito deve-se aplicar, no pino 10, uma tensão positiva de +Vcc

 

10 - Malha de compensação

 

O amplificador de erro está sujeito a oscilação indesejável. Para evitar que isso ocorra é necessário que o circuito tenha uma malha de compensação. Essa malha é ligada entre a entrada e a saída do amplificador de erro, ou seja, dos pinos 1 e 9 ou 2 e 9. A entrada que deve receber a malha é a mesma que é aplicada ao sinal de tensão variável, ou sinal de amostragem.

 

4.2.2 - Polarização do circuito integrado 3524

 

A Fig. 4.6 mostra o esquema eletrônico básico do circuito integrado modulador pr largura de pulsos 3524, e seus componentes de polarização.

 

 

A alimentação do circuito integrado é feita através do pino 15 pela fonte de tensão de corrente contínua +Vcc.

O trimpot P1, e o resistor R1, ligados em série, carregam o capacitor de temporização C1 com a tensão contínua da fonte interna do integrado +5 Vcc, presente no pino 16. A descarga do capacitor C1 é feita pelo circuito oscilador interno.

No momento que a fonte é ligada inicia-se a carga e descarga do capacitor C1, e o resultado, é uma onda na forma de dente de serra. Esse sinal é usado como referência interna para o comparador.

No trimpot P1 é feito o ajuste da freqüência do oscilador.

O divisor de tensão formado pelos resistores R2 e R3 divide a tensão da fonte interna, presente no pino 16, e cria uma tensão de referência na entrada positiva do amplificador de erro (pino 2).

Para calcular o valor da tensão no ponto V1 deve-se utilizar a fórmula abaixo:

V 1    =  [( R3)  ¸ ((R2+R3)] x  ( 5 Vcc)

 

A tensão de amostragem é dividida pelos resistores R4, P2 e R5,  e  cria uma tensão de referência na porta de entrada do amplificador de erro.

O valor da tensão V2 poder variar de um valor mínimo (P1 fechado) até um valor máximo (P1 aberto), que pode ser calculado pelas fórmulas a seguir.

O trimpot P2 é usado para variar o valor da resistência dos dois braços do divisor, e conseqüentemente, variar o ponto de trabalho do divisor. O ajuste altera o valor da tensão V2.

Depois de ajustado em um determinado valor o trimpot P2, a variação da tensão na entrada negativa do amplificador de erro (V2), só irá ocorrer quando houver uma variação na tensão de amostragem. Isso acarretar uma variação do pedestal e,  conseqüentemente, uma variação na largura dos pulsos PWM.

Usando as fórmulas a seguir, pode-se calcular os valores máximos e mínimos da tensão de V2.

V2 máximo =  [( R5+P2) ¸ ((R4+P2+R5)]x ( Vam)

V2 mínimo  =  [( R5) ¸ ((R4+P2+R5)]x ( Vam)

Vam = Tensão de amostragem

 

A malha de compensação é formada pelo resistor R10 e o capacitor C2. Os  resistores R6, R7, R8 e R9 fazem a polarização da base dos transistores do drive do estágio de saída.

No próximo artigo vamos continuar os estudos sobre a modulação por largura de pulsos. Até breve, caros leitores.