Modulación por ancho de pulso

Si consideramos una onda de pulso periódica${\displaystyle f(t)}$con período${\displaystyle T}$, valor bajo${\displaystyle y_{\text{min}}}$, un valor alto${\displaystyle y_{\text{máx}}}$y un ciclo de trabajo constante D (Figura 1), el valor promedio de la forma de onda viene dado por:

$${\displaystyle {\bar {y}}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}f(t)\,dt}$$

Como${\displaystyle f(t)}$es una onda de pulso, su valor es${\displaystyle y_{\text{máx}}}$para${\displaystyle 0<t<D\cdot T}$y${\displaystyle y_{\text{min}}}$para${\displaystyle D\cdot T<t<T}$La expresión anterior queda entonces de la siguiente manera:

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\bar {y}}&={\frac {1}{T}}\left(\int _{0}^{DT}y_{\text{max}}\,dt+\int _{DT}^{T}y_{\text{min}}\,dt\right)\\&={\frac {1}{T}}\left(D\cdot T\cdot y_{\text{max}}+T\left(1-D\right)y_{\text{min}}\right)\\&=D\cdot y_{\text{max}}+\left(1-D\right)y_{\text{min}}\end{aligned}}}$$

Esta última expresión puede simplificarse bastante en muchos casos donde${\displaystyle y_{\text{min}}=0}$como${\displaystyle {\bar {y}}=D\cdot y_{\text{max}}}$. A partir de esto, el valor promedio de la señal (${\displaystyle {\bar {y}}}$) depende directamente del ciclo de trabajo D.

Sin embargo, al variar (es decir, modular) el ciclo de trabajo (y posiblemente también el período), las siguientes ondas moduladas por ancho de pulso más avanzadas permiten la variación del valor promedio de la forma de onda.

El método de intersección es una forma sencilla de generar una señal de salida PWM (magenta en la figura anterior) con un período fijo y un ciclo de trabajo variable, utilizando un comparador para cambiar el estado de salida PWM cuando la forma de onda de entrada (roja) se cruza con una forma de onda de diente de sierra o triangular (azul).

Dependiendo del tipo de forma de onda de diente de sierra o triangular (verde en la figura siguiente), las señales PWM intersecantes (azul en la figura) se pueden alinear de tres maneras:

• La modulación del flanco de ataque (gráfico superior) utiliza una onda de diente de sierra invertida para generar la PWM. El flanco de ataque de la PWM se mantiene en el borde de ataque de la ventana y se modula el flanco de salida.
• La modulación por flanco descendente (gráfico central) utiliza una onda de diente de sierra normal para generar la señal PWM. El flanco descendente de la señal PWM es fijo y el flanco ascendente es modulado.
• Los pulsos centrados (abajo) utilizan una forma de onda triangular para generar la modulación por ancho de pulsos (PWM). El centro del pulso se fija en el centro de la ventana de tiempo y ambos extremos del pulso se desplazan para comprimir o expandir su ancho.

La modulación delta produce una señal PWM (magenta en la figura anterior) que cambia de estado cuando su integral (azul) alcanza los límites (verde) que rodean la entrada (rojo).

La modulación delta-sigma asíncrona (es decir, sin reloj) produce una salida PWM (azul en el gráfico inferior) que se resta de la señal de entrada (verde en el gráfico superior) para formar una señal de error (azul en el gráfico superior). Este error se integra (magenta en el gráfico central). Cuando la integral del error excede los límites (las líneas grises superior e inferior en el gráfico central), la salida PWM cambia de estado. Al integrar la diferencia del error con la señal de entrada, la modulación delta-sigma moldea el ruido del espectro resultante, que se concentra más en frecuencias más altas por encima de la banda de la señal de entrada.

La modulación vectorial espacial es un algoritmo de control PWM para la generación de CA multifásica, en el que la señal de referencia se muestrea regularmente; después de cada muestra, se seleccionan vectores de conmutación activos distintos de cero adyacentes al vector de referencia y uno o más de los vectores de conmutación cero durante la fracción apropiada del período de muestreo para sintetizar la señal de referencia como el promedio de los vectores utilizados.

El control directo de par es un método utilizado para controlar motores de corriente alterna. Está estrechamente relacionado con la modulación delta (véase más arriba). Se estiman el par motor y el flujo magnético, y se controlan para que permanezcan dentro de sus bandas de histéresis activando una nueva combinación de los interruptores semiconductores del dispositivo cada vez que alguna de las señales intenta desviarse de su banda.

La modulación por ancho de pulsos (PWM) se utiliza para controlar servomecanismos; véase control de servomecanismos .

La señal PWM de un microcontrolador casi nunca se utiliza para accionar directamente un motor. En cambio, esta señal es interpretada por un controlador de motor , que la convierte en una señal PWM más precisa para el motor. Este tipo de "controlador PWM" utilizado en robótica deriva de los controladores PWM empleados en vehículos de radiocontrol para aficionados. ^{[ 21 ]}

En telecomunicaciones , la modulación por ancho de pulsos (PWM) es una forma de modulación de señal en la que el ancho de los pulsos corresponde a valores de datos específicos codificados en un extremo y decodificados en el otro.

Se enviarán pulsos de distinta duración (la información en sí) a intervalos regulares (la frecuencia portadora de la modulación).

 _ _ _ _ _ _ _ _ Reloj | | | | | | | | | | | | | | | | __| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____ _ __ ____ ____ _ Señal PWM | | | | | | | | | | _________| |____| |___| |________| |_| |___________ Datos 0 1 2 4 0 4 1 0

No es necesario incluir una señal de reloj , ya que el flanco ascendente de la señal de datos puede utilizarse como reloj si se añade un pequeño desplazamiento a cada valor de datos para evitar un valor de datos con un pulso de duración cero.

 _ __ ___ _____ _ _____ __ _ Señal PWM | | | | | | | | | | | | | | | | __| |____| |___| |__| |_| |____| |_| |___| |_____ Datos 0 1 2 4 0 4 1 0

La modulación por ancho de pulsos (PWM) permite controlar la potencia suministrada a una carga sin las pérdidas que se producirían con la transmisión lineal de potencia mediante resistencias. Las desventajas de esta técnica son que la potencia consumida por la carga no es constante, sino discontinua (véase convertidor Buck ), y la energía suministrada a la carga tampoco es continua. Sin embargo, la carga puede ser inductiva y, con una frecuencia suficientemente alta y, cuando sea necesario, utilizando filtros electrónicos pasivos adicionales , se puede suavizar el tren de pulsos y recuperar una forma de onda analógica promedio. El flujo de potencia hacia la carga puede ser continuo. El flujo de potencia desde la fuente de alimentación no es constante y, en la mayoría de los casos, requerirá almacenamiento de energía en el lado de la fuente. (En el caso de un circuito eléctrico, un condensador para absorber la energía almacenada en la inductancia (a menudo parásita) del lado de la fuente).

Los sistemas de control de potencia PWM de alta frecuencia se implementan fácilmente con interruptores semiconductores. Como se explicó anteriormente, el interruptor prácticamente no disipa potencia ni en estado encendido ni apagado. Sin embargo, durante las transiciones entre ambos estados, tanto la tensión como la corriente son distintas de cero, por lo que se disipa potencia en los interruptores. Al cambiar rápidamente el estado entre encendido y apagado total (normalmente en menos de 100 nanosegundos), la disipación de potencia en los interruptores puede ser muy baja en comparación con la potencia suministrada a la carga.

Los modernos interruptores semiconductores, como los MOSFET o los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), son componentes idóneos para controladores de alta eficiencia. Los convertidores de frecuencia utilizados para controlar motores de CA pueden alcanzar eficiencias superiores al 98 %. Las fuentes de alimentación conmutadas presentan una menor eficiencia debido a los bajos niveles de tensión de salida (a menudo se requieren incluso menos de 2 V para los microprocesadores), pero aun así pueden alcanzar eficiencias superiores al 70-80 %.

Los controladores de velocidad variable para ventiladores de computadora suelen usar PWM, ya que es mucho más eficiente que un potenciómetro o un reóstato. (Ninguno de estos últimos es práctico para operar electrónicamente; requerirían un pequeño motor de accionamiento).

Los atenuadores de luz para uso doméstico emplean un tipo específico de control PWM. Estos atenuadores suelen incluir circuitos electrónicos que suprimen el flujo de corriente durante segmentos definidos de cada ciclo de la tensión alterna. Ajustar el brillo de la luz emitida por una fuente de luz es tan sencillo como configurar el voltaje (o fase) del semiciclo de CA en el que el atenuador comienza a suministrar corriente eléctrica a la fuente de luz (por ejemplo, mediante un interruptor electrónico como un triac ). En este caso, el ciclo de trabajo PWM es la relación entre el tiempo de conducción y la duración del semiciclo de CA, definida por la frecuencia de la tensión alterna (50 o 60  Hz, según el país).

Estos atenuadores, bastante sencillos, pueden utilizarse eficazmente con fuentes de luz inertes (o de respuesta relativamente lenta), como las lámparas incandescentes, por ejemplo, ya que la modulación adicional en la energía eléctrica suministrada, causada por el atenuador, provoca fluctuaciones insignificantes en la luz emitida. Sin embargo, otras fuentes de luz, como los diodos emisores de luz (LED), se encienden y apagan con extrema rapidez y parpadearían si se les aplicara una tensión de baja frecuencia. El parpadeo perceptible en estas fuentes de luz de respuesta rápida puede reducirse aumentando la frecuencia de modulación por ancho de pulsos (PWM). Si las fluctuaciones de la luz son suficientemente rápidas (superiores al umbral de fusión del parpadeo ), el sistema visual humano ya no puede distinguirlas y el ojo percibe la intensidad media sin parpadeo.

En las cocinas eléctricas, la potencia variable continua se aplica a los elementos calefactores, como la placa o la parrilla, mediante un dispositivo conocido como regulador de temperatura . Este consiste en un oscilador térmico que funciona aproximadamente dos ciclos por minuto, y el mecanismo varía el ciclo de trabajo según la posición del mando. La constante de tiempo térmica de los elementos calefactores es de varios minutos, por lo que las fluctuaciones de temperatura son demasiado pequeñas como para tener un impacto en la práctica.

Variar el ciclo de trabajo de una forma de onda de pulso en un instrumento de síntesis crea variaciones tímbricas útiles. Algunos sintetizadores tienen un potenciómetro de ciclo de trabajo para sus salidas de onda cuadrada, y este potenciómetro se puede ajustar de oído; el punto del 50 % (onda cuadrada verdadera) es distintivo porque los armónicos pares prácticamente desaparecen al 50 %. Las ondas de pulso, generalmente del 50 %, 25 % y 12,5 %, componen las bandas sonoras de los videojuegos clásicos . El término PWM, tal como se usa en la síntesis de sonido (música), se refiere a la relación entre los niveles alto y bajo que se modulan secundariamente con un oscilador de baja frecuencia . Esto produce un efecto de sonido similar al coro o a osciladores ligeramente desafinados que se tocan juntos. (De hecho, el PWM es equivalente a la suma de dos ondas de diente de sierra con una de ellas invertida). ^{[ 22 ]}

Los amplificadores de clase D generan una señal PWM equivalente a una señal de entrada de baja frecuencia que puede enviarse a un altavoz mediante una red de filtrado adecuada para bloquear la portadora y recuperar la señal original de baja frecuencia. Dado que conmutan la alimentación directamente entre los rieles de alta y baja tensión, estos amplificadores tienen una eficiencia superior al 90 % y pueden ser relativamente compactos y ligeros, incluso para altas potencias de salida. Durante varias décadas, los amplificadores PWM industriales y militares se han utilizado comúnmente, a menudo para controlar servomotores . Las bobinas de gradiente de campo en las máquinas de resonancia magnética se controlan mediante amplificadores PWM de potencia relativamente alta.

Históricamente, se ha utilizado una forma rudimentaria de modulación por ancho de pulsos (PWM) para reproducir sonido digital PCM en el altavoz de la PC , que se alimenta con solo dos niveles de voltaje, generalmente 0 y 5  V. Al controlar cuidadosamente la duración de los pulsos y aprovechar las propiedades de filtrado físico del altavoz (respuesta de frecuencia limitada, autoinductancia, etc.), era posible obtener una reproducción aproximada de muestras PCM mono, aunque con una calidad muy baja y resultados muy variables entre las distintas implementaciones. La Sega 32X utiliza PWM para reproducir sonido basado en muestras en sus juegos.

Más recientemente, se introdujo el método de codificación de sonido Direct Stream Digital (DSM) , que utiliza una forma generalizada de modulación por ancho de pulso (PWM), denominada modulación por densidad de pulso (PDM), con una frecuencia de muestreo suficientemente alta (normalmente del orden de MHz) para cubrir todo el rango de frecuencias acústicas con la fidelidad necesaria. Este método se utiliza en el formato SACD , y la reproducción de la señal de audio codificada es esencialmente similar al método empleado en los amplificadores de clase D.

Las señales SPWM (modulación por ancho de pulso sinusoidal-triangular) se utilizan en el diseño de inversores solares . Estas señales de conmutación se envían a los FET que se utilizan en el dispositivo. La eficiencia del dispositivo depende del contenido armónico de la señal PWM. Existe mucha investigación sobre la eliminación de armónicos no deseados y la mejora de la fuerza fundamental, parte de la cual implica el uso de una señal portadora modificada en lugar de una señal de diente de sierra clásica ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} para disminuir las pérdidas de potencia y mejorar la eficiencia. Otra aplicación común es en robótica, donde las señales PWM se utilizan para controlar la velocidad del robot mediante el control de los motores.