PULSE WIDTH MODULATION

PULSE WIDTH MODULATION

CONCEITOS E CIRCUITO-EXEMPLO

Albert MoreiraThiago NegreirosMarcos Portnoi

Introduo

De acordo o teorema da amostragem, um sinal limitado em faixa, isto , um sinal com largura de banda limitada em B Hz, especificado completamente por seus valores espaados a intervalos uniformes de 1/(2B) segundos, ou menos. Ao invs de transmitir todo o sinal continuamente, necessita-se transmiti-lo apenas em um nmero finito de instantes (2B por segundo ou 2B Hz). A informao na amostra pode ser transmitida usando modulao de pulso.

Existem vrias formas de modulao de pulso, a saber:

Modulao por Amplitude de Pulso (PAM)

Modulao por Posio de Pulso (PPM)

Modulao por Cdigo de Pulso (PCM)

Modulao por Largura de Pulso (PWM)

Esta pesquisa objetiva tratar a Modulao por Largura de Pulso (PWM) qualitativamente e apresentar um exemplo de circuito modulador.

Modulao de largura de Pulso

Tambm conhecida por PWM, do ingls Pulse Width Modulation, este tipo de modulao mantm a amplitude dos pulsos constantes e varia-se a sua largura proporcionalmente aos valores de f(t) (sinal modulador) nos instantes correspondentes, como mostra a Figura 1.

Figura 1: Modulao PWM.

Circuito Modulador PWM

O circuito aqui descrito na Figura 2 um controlador de entrada DC e sada DC tipo PWM, com alimentao de 12 volts, e foi projetado para ser basicamente um controlador de lmpadas (dimmer) ou de motores DC.

A grande vantagem do uso circuitos PWM como controladores contra os circuitos resistivos quanto a eficincia. Enquanto o PWM trabalha com eficincia quase 1 (menos de 1% de perda), para um circuito resistivo trabalhando a 50% da carga, 50% vai realmente para alimentao da carga e 21% perdido em aquecimento nos resistores. Isto uma grande vantagem para fontes de energia renovvel.

Uma outra grande vantagem que, na modulao de largura de pulso, os pulsos esto com o valor nominal de pico, gerando um maior torque nos motores. Um controlador resistivo, j que dever ter uma tenso reduzida, poder causar parada de um motor devido ao torque reduzido. Alm disso, pode-se usar potencimetros menores para controlar uma variedade de cargas, ao contrrio dos resistivos que usam potencimetros grandes e caros.

Uma das desvantagens do PWM a complexidade e a possibilidade de gerar interferncia de rdio freqncia (RFI). RFI pode ser minimizada colocando o controlador perto da carga e em alguns casos, usando filtros adicionais.

O circuito mostrado requer um oscilador estvel para oper-lo. U1a e U1d formam uma forma de onda quadrada/triangular com freqncia de aproximadamente 400Hz. Este sinal que ser comparado com o sinal de entrada (ver adiante) a fim de produzir os pulsos variveis em largura. A freqncia da onda triangular tem de ser suficiente para produzir amostras bastantes do sinal modulador, de forma que se possa reconstru-lo na demodulao. Segundo o critrio de Nyquist, a freqncia do sinal comparador (onda triangular) tem de ser de pelo menos 2B Hz, sendo B a largura de banda do sinal modulador. Para este circuito apresentado, como o sinal de entrada ou modulador um sinal DC, com variao atravs de um potencimetro, a freqncia de 400Hz adequada. Ademais, no se tenciona demodular o sinal PCM, de forma que uma reconstruo perfeita do sinal modulador no necessria.

U1c usado para gerar uma referncia de 6 volts, a qual usada como um terra virtual para o oscilador. Isto necessrio para que o oscilador opere com uma nica fonte ao invs de uma fonte de tenso simtrica, como de praxe.

U1b conectado em um circuito comparador e a parte do circuito que gera a largura de pulso varivel. Um comparador um circuito no qual a sada do amplificador operacional (op-amp) verdadeira ou falsa, dependendo de se a tenso aplicada no pino positivo de entrada do op-amp for maior que a tenso aplicada no pino negativo de entrada (verdadeiro) ou vice-versa (falso). O pino 6 do U1b recebe uma tenso varivel de R6, VR1 e R7. Ista comparado com o pulso triangular do pino 14 da U1d. Quando a onda superior voltagem do pino 6, U1 produz uma sada alta. Quando a onda mais baixa que a voltagem do pino 6, U1 produz uma sada baixa. Variando a voltagem do pino 6, os pontos ligados/desligados so movidos para cima e para baixo da onda triangular, produzindo um pulso de largura varivel.

Os resistores R6 e R7 so usados para setar os pontos finais do controle VR1. Os valores mostrados permitem ao controlador ter um valor mximo e mnimo com o deslizar do potencimetro. Estes valores dos componentes podem ser variados para mudar o comportamento do potencimetro.

Q1 um transistor MOSFET canal-n. Ele recebe a tenso de pulso modulado na largura no gate e chaveia a corrente da carga ora sim, ora no. Quando Q1 est em ligado, ele far com que um terra seja fornecido para a carga. Quando Q1 est desligado, o terra da carga fica flutuando. Deve-se haver cuidado de forma que os terminais da carga no estejam aterrados ou um curto-circuito ir ocorrer. A carga ter a fonte de tenso no lado positivo durante todo o tempo.

O LED1 fornece uma luminosidade varivel em resposta largura do pulso. O capacitor C3 suaviza a sada chaveada e remove algumas interferncias de rdio-freqncia (RFI), que uma das desvantagens que podem ocorrer na modulao PWM. O diodo D1 serve para cortar a tenso reversa de cargas indutivas dos motores.

Os componentes chave S1, fusvel F1, e toda fiao entre o FET, fonte e carga devero ser capazes de suportar a corrente mxima da carga.

Figura 2: Circuito-exemplo.

Consideraes Finais

O funcionamento do circuito-exemplo, de posse de um oscilador, que permita ver o sinal de entrada, o sinal comparador (onda triangular) e o sinal de sada, bastante ilustrativo para ter clara compreenso da Modulao por Largura de Pulso (PWM). Sugere-se, em laboratrio, acoplar os osciladores conforme demonstrado na Figura 2, o que dar uma mostra interessante das formas de onda e seu efeito na largura dos pulsos de sada.

Referncias Bibliogrficas

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LATHI, B. P. Modern digital and analog communication systems. 3. ed, New York, Oxford University Press, 1998. p. 251 a 262.