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Usando o Gerador de Funções para Criar Sinais PWM (INS221)

Os sinais PWM (Pulse Width Modulation) ou por Modulação em Largura de Pulso são amplamente usados nos controles de potência. Assim, no desenvolvimento de projetos que envolvam esse controla ou na reparação de equipamentos que os utilizem é fundamental dispor de uma fonte PWM de prova. A Agilent Technologies possui uma excelente documentação que ensina como usar o Gerador de Funções para essa finalidade. Em função dessa documentação preparamos este artigo. (2004)

A idéia básica que envolve o uso dos sinais PWM no controle de potência está na relação entre o tempo em que uma tensão é aplicada a uma carga e o tempo em que ela não está presente. Em suma, a potência aplicada depende do ciclo ativo de um sinal aplicado a uma carga, conforme mostra a figura 1.

 


 

 

A grande vantagem do uso dos sinais PWM no controle de cargas de potência é que podem ser usados dispositivos semicondutores de comutação, que não tendo estados intermediários de condução não dissipam potências elevadas.

Com uma capacidade relativamente pequena de dissipação dos dispositivos, podemos controlar correntes intensas.

Assim, conforme mostra a figura 2, quando variamos o ciclo ativo de um valor mínimo a um máximo, a tensão média ou potência aplicada a uma carga variam na mesma proporção.

 


 

 

Os controles de potência para uso industrial e mesmo em aplicações de consumo trabalham em freqüências que vão de algumas dezenas de quilohertz até pouco mais de 1 MHz.

Para analisar ou desenvolver circuitos que operem com sinais PWM nesta faixa de freqüências é interessante possuir instrumentação apropriada e o gerador de funções pode ser usado para esta finalidade.

Os sinais gerados por um Gerador de Funções podem facilmente servir para excitar circuitos de potência e assim, aplicações que envolvem a modulação PWM podem ser testados.

 

Como Gerar os Sinais

Uma forma simples de se gerar um sinal PWM consiste em se empregar um comparador com um sinal senoidal aplicado a uma das entradas.

Nas figuras abaixo mostramos as formas de onda PWM que podem ser obtidas quando ajustamos o comparador para disparar com diferentes níveis de tensão.

 


 

 

Veja que, o que se faz, é escolher o ponto da tensão senoidal em que se faz o disparo, de modo a se obter um sinal retangular com o ciclo ativo desejado, conforme mostra a figura abaixo.

 


 

 

 

A saída do comparador estará no nível alto quando a tensão na forma de onda senoidal estiver acima do ponto escolhido para o disparo.

Veja que, neste caso, estamos alimentando o comparador com uma fonte simétrica para que seja possível obter o disparo tanto nos semiciclos positivos como negativos da forma de onda senoidal usada como referência.

O importante nesta técnica e que variamos apenas a largura dos pulsos e não a freqüência, como pode ocorrer com outras técnicas de modulação que, na verdade, não podem ser consideradas PWM.

Assim, podemos citar o caso de um ‘pseudo PWM” em que, ao se aumentar a largura do pulso, também aumentamos o período do sinal e com isso, baixamos sua freqüência, conforme mostra a figura a seguir.

 


 

 

Um ponto importante que deve ser considerado ao se utilizar esta técnica de geração de sinais PWM é que, como a subida e descida da tensão numa forma de onda senoidal não é linear, um ajuste da faixa de ciclos ativos também não será linear. No entanto, para as aplicações comuns de teste, isso não terá uma grande importância.

Se houver necessidade de uma precisão maior na faixa de ajuste, pode-se empregar a mesma técnica, mas com sinais triangulares, conforme mostra a figura abaixo. Neste caso, é claro, entra em jogo o gerador de funções.

 


 

 

Veja então que para se obter esses sinais PWM, basta ter uma fonte de sinais senoidais (que não precisa ser necessariamente o Gerador de Funções) e um comparador. Um osciloscópio serve para monitorar os sinais gerados.

 

Usando o Gerador de Funções

Um gerador de funções pode ser usado de diversas maneiras para se criar sinais PWM. Em alguns tipos de geradores têm-se até o recurso de se variar o ciclo ativo sem modificar a freqüência.

É comum que em geradores de funções comerciais seja possível variar o ciclo ativo na faixa de 20% a 80% sem problemas. No modo “burst” entretanto, é possível ampliar esta faixa.

Neste caso, o que se faz é disparar o circuito para que ele gere pulsos negativos, controlando os intervalos de tempo em que ele faz isso, conforme mostra a próxima figura.

 


 

 

No entanto, a técnica que descrevemos se torna especialmente atraente para se gerar sinais de prova excitando diretamente uma etapa de potência com FETs, IGBTs ou outros dispositivos capazes de manusear correntes intensas.

A partir de sinais senoidais ou triangulares podemos gerar sinais PWM com facilidade numa ampla faixa de freqüências e amplitudes, os quais podem ser usados para não só com controles de potência como também com muitas outras finalidades.

 

Conclusão

O gerador de funções é um instrumento de grande utilidade na produção de sinais de características que vão além das obtidas em simples senóides, triângulos ou retângulos.

Sabendo trabalhar com elementos externos adicionais ou mesmo com recursos que alguns desses instrumentos possuem, podemos ir além, como mostrou esse artigo.

O uso de sinais PWM é comum numa ampla variedade de aplicações de controle. Um gerador de sinais na bancada do profissional da manutenção ou desenvolvimento de circuitos desse tipo é um investimento a ser considerado.

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