Modulacin por ancho de pulso (PWM).Lamodulacin por ancho de pulsos(tambin conocida comoPWM[pronunciadope dobleuve eme], siglas en ingls depulse-width modulation) de una seal o fuente de energa es una tcnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una seal peridica (unasenoidalo unacuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir informacin a travs de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energa que se enva a una carga.El ciclo de trabajo de una seal peridica es el ancho relativo de su parte positiva en relacin con el perodo. Expresado matemticamente:

Donde:Des el ciclo de trabajo. es el tiempo en que la funcin es positiva (ancho del pulso).Tes el perodo de la funcin.

La construccin tpica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la seal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la seal dientes de sierra y el ciclo de trabajo est en funcin de la portadora.La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. stas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentacin.

Fig. Una seal deonda cuadradadeamplitudacotada (Ymin,Ymax) mostrando el ciclo de trabajoD.

Aplicaciones.

En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulacin PWM, adems de otros muy particulares para lograr circuitos funcionales que puedan controlarfuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoelctricos,chopperspara sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compaas comoTexas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras ms.

Fig. Diagrama de ejemplo de la utilizacin de la modulacin de ancho de pulsos en unvariador de frecuencia.El abanico de aplicaciones en las que se puede utilizar esta tcnica es muy amplio, incluyendo el control de fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoelctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones, tales como el manejo de servos de modelismo. En la actualidad existen muchos circuitos integrados que integran la funcin PWM, tales como los microcontroladores PIC que hemos utilizado en otros proyectos. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compaas como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras ms.

fig. PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal.En relacin a los motores, que es de lo que trata este documento, podemos decir que la modulacin por ancho de pulsos es una tcnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores elctricos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energa elctrica. Se utiliza, como su nombre lo indica, al controlar mediante algn circuito de potencia el momento alto (encendido o alimentado) y el momento bajo (apagado o desconectado) del motor.Reguladores de conmutacin - Convertidores DC-DCLos conversores conmutados en alta frecuencia son circuitos de potencia donde los semiconductores, o llaves de potencia, conmutan a una frecuencia mucho mayor que la de variacin de las formas de onda de entrada y salida del conversor. Esto permite emplear filtros pasa-bajos para eliminar los componentes armnicos no deseados. No podemos usar la inversin de la forma de onda de entrada para bloquear los semiconductores, como se hace con los conmutados por la red. Los interruptores debern entonces controlarse al conducir y bloquear. Los conversores DC-DC forman parte de este grupo de convertidores, controlan el flujo de energa entre dos sistemas de continua. Ejemplos de aplicacin son: fuentes de alimentacin CC (Switch Mode Power Supplies, SMPS) para equipamiento electrnico, control de mquinas elctricas de corriente continua, etc.En losreguladoresde conmutacin, el elemento regulador es untransistorque est constantemente conmutando entre corte y saturacin. En estas regiones de operacin, el transistordisipa muy pocapotencia (tpicamente menos de 1mW en corte y menos de 1W en saturacin). Debido a este modo de operacin, losreguladoresde conmutacin son bastanteeficientes(a menudo alcanzan el 80% deeficiencia), especialmente cuando las diferencias entre la entrada y la salida son altas.Adems, losreguladoresde conmutacin puedengenerartensionesde salida mayores que la entrada noreguladaytensionesde salida de polaridad opuesta a la entrada.Otra ventaja que tienen lasfuentesde alimentacin conmutadas (switchers) es que se pueden conectar directamente a la tensin de la lnea rectificada y filtrada, sin que sea necesario untransformadordepotenciadealterna, dando lugar a lasfuentes conmutadasconectadasa la lnea (line-powered switching supplies).El resultado es una fuente de continua pequea, ligera y adems funcionan a menor temperatura debido a su mayoreficiencia. Por estas razones, lasfuentesconmutadas se utilizan casi universalmente encomputadoresy en instrumentos porttiles.Los principales problemas que tienen lasfuentesconmutadas son el ruido de conmutacin presente en la salida y el costo.En losreguladoresde conmutacin (vase la figura de abajo), untransistorque funciona como conmutador aplica peridicamente toda latensinno reguladaa una autoinduccin durante intervalos cortos.Lacorrientede la autoinduccin crece durante cada pulso, almacenando una energa (1/2LI2) que se transfiere a un filtro capacitivo a la salida.Igual que en losreguladores lineales, se compara la salida con una tensin de referencia, pero en losreguladoresde conmutacin la salida se controla cambiando la anchura de pulso del oscilador en vez de controlando linealmente la tensin de base.

Fig. Regulador de tensin conmutada.El corazn delregulador de conmutacines un oscilador PWM (modulacin por anchura de pulsos) en donde la anchura de pulso es controlada por tensin.La salida del PWM conmuta untransistorentre corte y saturacin, con un ciclo til (duty cycle) que se controla con la diferencia entre la tensin de realimentacin VFBy VREF.Bsicamente, si el VFB> VREFel ciclo til del PWM disminuye hasta que VFB= VREF; Por el contrario si VFB< VREF, el ciclo aumenta.Por tanto, el voltaje de salida esproporcionalal ciclo til del PWM. Frecuencias tpicas para el PWM estn en el rango de 1kHz a 200kHz. Debido a las altas frecuencias que se utilizan, los componentes del filtro pueden ser relativamente pequeos y an as consiguen una excelente reduccin del rizado.La mayora de losreguladoresde conmutacinmodernos empleanFETs VMOS y DMOS de potenciacomo elemento de conmutacin para conseguir una mayor velocidad de operacin.Convertidor Buck.El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislacin galvnica, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseo es similar a un convertidor elevador o Boost, tambin es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida.La forma ms simple de reducir una tensin continua (DC) es usar un circuito divisor de tensin, pero los divisores gastan mucha energa en forma de calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autoregulacin.

Fig.Esquemabsico de un convertidor Buck. El interruptor suele ser unMOSFET,IGBToBJT.

El funcionamiento del conversor Buck es sencillo, consta de un inductor controlado por dos dispositivos semiconductores los cuales alternan la conexin del inductor bien a la fuente de alimentacin o bien a la carga.

Fig. Las dos configuraciones de un Buck. (a) La energa se transfiere de la fuente a la bobina al condensador y a la carga. (b) la energa se transfiere de la bobina y el condensador a la carga.

Convertidor Boost.El convertidor Boost (o elevador) es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensin continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentacin conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energa (condensador, bobina o combinacin de ambos). Frecuentemente se aaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.Un conector de suministro de energa habitual normalmente no se puede conectar directamente a dispositivos como ordenadores, relojes o telfonos. La conexin de suministro genera una tensin alterna (AC) y los dispositivos requieren tensiones continuas (DC). La conversin de potencia permite que dispositivos de continua utilicen energa de fuentes de alterna, este es un proceso llamado conversin AC a DC y en l se usan convertidores AC a DC como rectificadores.La energa tambin puede provenir de fuentes DC como bateras, paneles solares, rectificadores y generadores DC, pero ser de niveles inadecuados. El proceso de cambiar una tensin de continua a otra diferente es llamado conversin DC a DC. Un convertidor Boost es uno de los tipos de convertidores DC a DC. Presenta una tensin de salida mayor que la tensin de la fuente, pero la corriente de salida es menor que la de entrada.El principio bsico del convertidor Boost consiste en dos estados distintos dependiendo del estado del interruptorS: Cuando el interruptor est cerrado (On-state) la bobinaLalmacena energa de la fuente, a la vez la carga es alimentada por el condensadorC. Cuando el interruptor est abierto (Off-state) el nico camino para la corriente es a travs del diodoDy circula por el condensador (hasta que se carga completamente) y la carga.Existen dos situaciones de funcionamiento: Modo continuo (toda la energa se transfiere a la carga, sin llegar a que la corriente se anule), y Modo Discontinuo (la carga consume menos de lo que el circuito puede entregar en un ciclo).

Fig. Las dos configuraciones de un Boost. (a) La energa se transfiere de la fuente a la bobina y del condensador a la carga. (b) la energa se transfiere de la fuente y de la bobina al condensador y a la carga.