El papel de la modulación por ancho de pulsos en la electrónica

La modulación por ancho de pulsos (PWM) es una técnica de control de potencia que regula la salida efectiva de una señal eléctrica encendiéndola y apagándola rápidamente a una frecuencia fija. Ajustando la relación entre el tiempo de "encendido" y el periodo de ciclo total, una fuente digital puede emular niveles de tensión analógicos variables, controlando así la energía media suministrada a una carga.

En términos más generales, la modulación se refiere a la alteración o codificación de información en una forma de onda eléctrica para influir en el comportamiento de un circuito o sistema. En electrónica práctica, esto significa dar forma a una señal para que pueda transmitir datos o gestionar cuánta tensión o corriente llega a un dispositivo. Este principio se aplica ampliamente en accionamientos de motores, iluminación regulable, sistemas de audio y circuitos de conversión de potencia o carga de baterías.

Mientras que PWM, la modulación de amplitud (AM) y la modulación de frecuencia (FM) son las principales estrategias para manipular la magnitud o frecuencia percibida de una señal, este artículo se concentrará específicamente en PWM.

Conceptos básicos de PWM: ciclo de trabajo y frecuencia de conmutación

Como ya se ha mencionado, el PWM modela una forma de onda ajustando la tensión y la corriente efectivas suministradas a una carga. Esto se consigue haciendo pasar rápidamente un dispositivo de conmutación; por lo general, un transistor, entre sus estados totalmente encendido y totalmente apagado. Al variar el tiempo que el interruptor permanece en cada estado, el sistema codifica la información a través de la duración relativa de los intervalos alto y bajo.

En la práctica, el PWM limita la potencia eléctrica neta suministrada a un dispositivo modificando el tiempo durante el que recibe toda la tensión de alimentación en cada ciclo de conmutación. Aumentar el "tiempo de conexión" aumenta la tensión media de salida, mientras que reducirla disminuye el nivel efectivo que percibe la carga. Dos parámetros principales caracterizan este comportamiento: el ciclo de trabajo y la frecuencia de conmutación.

Un ciclo de trabajo representa la proporción de un periodo completo de forma de onda durante el cual una señal está en su estado activo, o alto. Suele expresarse en porcentaje (%) e indica cuánto tiempo de cada ciclo permanece encendida la salida. Por ejemplo, si una forma de onda digital permanece alta durante 3 milisegundos y baja durante 1 milisegundo, el periodo total es de 4 ms, lo que da como resultado un ciclo de trabajo de 75% y una frecuencia de conmutación correspondiente de 250 Hz.

Dado que el ciclo de trabajo define directamente la duración de la parte energizada de cada pulso, su modificación permite controlar la potencia efectiva suministrada a una carga alterando la relación entre el tiempo alto y bajo, sin cambiar la tensión de alimentación real. En muchos sistemas, la tensión y la frecuencia son parámetros fijos, por lo que el ciclo de trabajo es la principal variable de control ajustable. En aplicaciones como los elementos calefactores accionados por PWM, la supervisión del ciclo de trabajo también puede servir como indicador fiable de que el sistema está suministrando el nivel de potencia previsto.

La frecuencia de conmutación describe cuántas veces se repite un evento durante un periodo de tiempo determinado. En este contexto, el número de transiciones de encendido-apagado por segundo realizadas por el dispositivo de conmutación que acciona la señal PWM. Esta velocidad se mide en hercios (Hz), lo que indica la rapidez con la que la etapa de potencia recorre todo su periodo de funcionamiento.

Seleccionar una frecuencia de conmutación PWM adecuada es fundamental para garantizar que la carga se comporta según lo previsto. Si la frecuencia se ajusta a un valor excesivamente alto para una aplicación determinada, los componentes mecánicos, como relés o ciertos tipos de actuadores, pueden ser incapaces de seguir el ritmo de las transiciones rápidas y fallar prematuramente. Por el contrario, una frecuencia de conmutación demasiado baja puede provocar efectos indeseables como ruidos audibles, vibraciones o inestabilidad en el dispositivo controlado. Por ejemplo, mientras que las frecuencias relativamente bajas son aceptables para accionar motores eléctricos, las cargas de estado sólido, como los LED, suelen requerir frecuencias de conmutación significativamente más altas para lograr un funcionamiento suave y sin parpadeos.

Ventajas y desventajas del PWM

La principal ventaja del PWM es su excepcional eficiencia, en gran parte porque los dispositivos de conmutación disipan muy poca energía. Cuando el interruptor está apagado, prácticamente no fluye corriente, y cuando está totalmente encendido, la caída de tensión a través del dispositivo es mínima. El resultado es una reducción significativa de las pérdidas de conducción y conmutación en comparación con los métodos de control lineal. Otras ventajas del PWM son:

• Menor disipación térmica que los reguladores lineales, gracias a su funcionamiento totalmente conectado/totalmente desconectado
• Integración perfecta con la lógica digital, ya que la señal de control es intrínsecamente binaria
• Mayor eficiencia energética global al regular motores, iluminación o convertidores de potencia
• Control preciso de la tensión o corriente efectiva simplemente ajustando el ciclo de trabajo
• Circuitos simplificados, que a menudo requieren menos componentes analógicos o bucles de realimentación
• Amplia aplicabilidad en muchos sistemas electrónicos, desde fuentes de alimentación hasta actuadores

Aunque el PWM es una técnica versátil y eficiente, presenta varios retos de ingeniería. Algunos de los principales inconvenientes son:

• Aumento de las pérdidas de conmutación a frecuencias de funcionamiento muy altas
• Posibilidad de sobretensión o transitorios
• Generación de interferencias electromagnéticas (EMI) y armónicos que pueden requerir filtrado
• Mayor complejidad de diseño en los sistemas de alta potencia, en los que los elementos de conmutación y las consideraciones de diseño se vuelven más exigentes

Frecuencias de conmutación y ciclos de trabajo en la práctica

Dado que el comportamiento del PWM viene definido tanto por el ciclo de trabajo como por la frecuencia de conmutación, cada parámetro debe seleccionarse en función de las características eléctricas y mecánicas de la carga de destino. Los siguientes ejemplos de aplicación de productos (-)todos ellos compatibles con Same Sky) ilustran cómo varían normalmente estos valores en función del tipo de dispositivo. Estas son las recomendaciones para los siguientes componentes electrónicos:

• Ventiladores: La mayoría de los ventiladores de refrigeración funcionan mejor con frecuencias PWM en el rango de 20 kHz a 25 kHz, emparejadas con una ventana de ciclo de trabajo de 0% a 100% para regular la velocidad desde el apagado total hasta el flujo de aire máximo. Las velocidades de conmutación más altas ayudan a eliminar el zumbido audible y producen una rotación más suave. Los fabricantes suelen especificar los parámetros PWM preferidos para garantizar un comportamiento de arranque, una estabilidad de velocidad y una acústica adecuados. Same Sky suministra una amplia selección de accesorios para ventiladores de CA y CC.
• Zumbadores: Para los zumbadores piezoeléctricos o magnéticos, las frecuencias PWM suelen estar entre 1 kHz y 10 kHz, alineándose con el espectro audible humano (20 Hz a 20 kHz). La variación del ciclo de trabajo ajusta la intensidad del sonido, pero un ciclo de trabajo de 50% suele producir una salida potente con una distorsión mínima. Dado que muchos zumbadores están sintonizados a una frecuencia de resonancia estrecha, es esencial consultar la hoja de datos. Same Sky dispone de una amplia gama de zumbadores de audio.

Figura 1: Un zumbador accionado a un ciclo de trabajo de ~15% generará un tono notablemente más silencioso que uno accionado a 50%, incluso a la misma frecuencia. (Fuente de la imagen: Same Sky)

• Sensores ultrasónicos: Los transductores ultrasónicos se basan generalmente en frecuencias PWM en el rango de 20 kHz a 400 kHz, con un ciclo de trabajo de 50% comúnmente utilizado para crear una ráfaga ultrasónica limpia y simétrica. Los valores exactos dependen en gran medida del diseño específico del sensor, por lo que siempre deben seguirse las directrices del fabricante. Same Sky ofrece una completa gama de componentes de detección por ultrasonidos.

   

• Dispositivos Peltier: Cuando se controlan módulos termoeléctricos con PWM, se suelen recomendar frecuencias de conmutación entre 300 Hz y 3 kHz. Los ajustes del ciclo de trabajo determinan la potencia de refrigeración o calefacción, haciendo posible una regulación térmica precisa. Una vez más, las recomendaciones de la hoja de datos son esenciales para lograr la fiabilidad del módulo a largo plazo. Same Sky ofrece una amplia gama de dispositivos Peltier, incluidos conjuntos de refrigeración de una etapa, multietapa e integrados.

Resumen

La modulación consiste en alterar o gobernar el comportamiento de un dispositivo o sistema mediante la conformación controlada de la señal. El PWM, en concreto, es una técnica muy eficaz para regular la entrega de potencia en numerosas aplicaciones electrónicas. Al variar el ciclo de trabajo de una forma de onda digital, el PWM proporciona un control preciso de tipo analógico mientras mantiene una baja disipación de energía, lo que lo convierte en el método preferido para todo tipo de aplicaciones, desde accionamientos de motores hasta sistemas de iluminación, detección y gestión térmica.