A maneira mais simples e tradicional de se controlar uma carga de potência é utilizando-se um reostato em série, conforme mostra a figura 1.
Variando a resistência apresentada pelo reostato (potenciômetro) pode-se modificar a corrente na carga e portanto a potência aplicada a ela.
Este tipo de controle pode ser encontrado nas lâmpadas de painéis de alguns carros mais antigos.
A grande desvantagem deste tipo de controle, denominado "linear" é que a queda de tensão no reostato multiplicada pela corrente que ele controla significa uma grande quantidade de calor gerada.
O controle passa a dissipar (e perder) mais potência que a aplicada na própria carga em determinadas posições do ajuste.
Além desta perda ser inadmissível, principalmente nas aplicações em que a energia disponível é restrita, ela faz com que o componente usado no controle dissipe potências.
Na eletrônica moderna, o rendimento com pequenas perdas e a não necessidade de grandes dissipadores que ocupam espaço é fundamental, principalmente quando circuitos de alta potência estão sendo controlados.
Desta forma, este tipo de controle de potência linear não é conveniente, sendo exigidas outras configurações com maior rendimento como as que fazem uso das tecnologias PWM.
PWM
PWM é a abreviação de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso.
Para entender como funciona esta tecnologia no controle de potência, vamos partir de um circuito imaginário formado por um interruptor de ação muito rápida e uma carga que deve ser controlada, conforme mostra a figura 2.
Quando o interruptor está aberto não há corrente na carga e a potência aplicada é nula. Quando o interruptor é fechado, a carga recebe a tensão total da fonte e a potência aplicada é máxima.
Como fazer para obter uma potência intermediária, digamos 50%, aplicada à carga?
Uma idéia é fazermos com que a chave seja aberta e fechada rapidamente de modo a ficar 50% do tempo aberta e 50% fechada.
Isso significa que em média teremos metade do tempo com corrente e metade do tempo sem corrente, conforme mostra a figura 3.
A potência média e, portanto, a própria tensão média aplicada à carga é neste caso 50% da tensão de entrada.
Veja então que o interruptor fechado pode definir uma largura de pulso pelo tempo em que ele fica nesta condição e um intervalo entre pulsos pelo tempo em que ele fica aberto.
Os dois tempos juntos definem o período e, portanto, uma frequência de controle.
A relação entre o tempo em que temos o pulso e a duração de um ciclo completo de operação do interruptor nos define ainda o ciclo ativo, conforme é mostrado na figura 4.
Assim, quando a largura do pulso varia de zero até o máximo, a potência também varia na mesma proporção, conforme indicado na figura 5.
Este princípio é justamente usado num controle PWM: modulamos (variamos) a largura do pulso de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga e com isso a potência aplicada a ela.
NA PRÁTICA
Na prática substituímos o interruptor por algum dispositivo de estado sólido que possa abrir e fechar o circuito rapidamente como por exemplo um transistor bipolar, um FET de potência ou até mesmo um SCR.
A este dispositivo é ligado um oscilador que possa ter seu ciclo ativo controlado numa grande faixa de valores.
Na prática é difícil chegar a duração zero do pulso e a 100% já que isso implicaria na parada do oscilador, mas podemos chegar bem perto disso.
TIPOS DE PWM
O exemplo de aplicação que analisamos é o que se denomina de "simple magnitude PWM" ou "PWM de magnitude única", em que o sinal aplicado à carga simplesmente determina a potência que ela deve receber pela largura do pulso.
No entanto, existe um segundo tipo de controle PWM denominado "Locked Anti-phase PWM" que pode incluir na modulação do sinal tanto informações sobre a potência aplicada a carga como o sentido da corrente que deve circular por ela.
Este tipo de controle, em especial é interessante quando se trata de motores elétricos onde o sentido da corrente determina o sentido da rotação.
O seu princípio de funcionamento é simples de ser entendido. Se os pulsos aplicados à carga não variarem entre 0 V e um valor máximo de tensão +V por exemplo, mas entre uma tensão negativa e uma tensão positiva (-V a +V), o ciclo ativo também determina o sentido de circulação da corrente pela carga.
Se, por exemplo, o ciclo ativo for de 50% conforme mostra a figura 6, a tensão média na carga e portanto a potência será zero.
Agora, variando o ciclo ativo para mais e para menos de 50% teremos uma predominância dos pulsos positivos ou negativos, de modo que a corrente média tende a circular num sentido ou noutro, conforme mostrado na mesma figura.
Assim, neste tipo de circuito a corrente na carga variará entre -100% e +100% conforme o ciclo ativo do sinal aplicado.
VANTAGENS DO PWM
Na operação de um controle por PWM existem diversas vantagens a serem consideradas e alguns pontos para os quais o projetista deve estar atento para não jogar fora estas vantagens.
Na condição de aberto, nenhuma corrente circula pelo dispositivo de controle e, portanto, sua dissipação é nula.
Na condição de fechado, teoricamente, se ele apresenta uma resistência nula, a queda de tensão é nula e ele não dissipa também nenhuma potência.
Isso significa que, na teoria, os controles PWM não dissipam potência alguma e, portanto, consistem em soluções ideais para este tipo de aplicação.
Na prática, entretanto, isso não ocorre.
Em primeiro lugar os dispositivos usados no controle não são capazes de abrir e fechar o circuito num tempo infinitamente pequeno.
Eles precisam de um tempo para mudar de estado e neste intervalo de tempo, sua resistência sobe de um valor muito pequeno até infinito e vice versa, numa curva de comutação como a mostrada na figura 7.
Neste intervalo de tempo a queda de tensão e a corrente através do dispositivo não são nulas e uma boa quantidade de calor pode ser gerada conforme a carga controlada.
Dependendo da frequência de controle e da resposta do dispositivo usado, uma boa quantidade de calor pode ser gerada neste processo de comutação.
No entanto, mesmo com este problema, a potência gerada num controle PWM ainda é muito menor do que num circuito de controle linear equivalente.
Transistores de comutação rápidos, FETs de potência e outros componentes de chaveamento podem ser suficientemente rápidos para permitir que projetos de controles de potências elevadas sejam implementados sem a necessidade de grandes dissipadores de calor ou ainda tenham problemas de perdas de energia por geração de calor que possam ser preocupantes.
O segundo problema que pode ocorrer vem justamente do fato de que os transistores de efeito de campo ou bipolares usados em comutação não se comportam como resistências nulas quando saturados.
Os transistores bipolares podem apresentar uma queda de tensão de até alguns volts quando saturados o mesmo ocorrendo com os bipolares.
Deve-se observar em especial o caso dos FETs de potência que são às vezes considerados comutadores perfeitos com resistências de fração de ohm entre o dreno e a fonte quando saturados (Rds(on)) e na prática não é o que ocorre.
A baixíssima resistência de um FET de potência quando saturado (resistência entre dreno e fonte no estado on só é válida para uma excitação de comporta feita com uma tensão relativamente alta.
Assim, dependendo da aplicação, principalmente nos circuitos de baixa tensão, os transistores de potência bipolares ou mesmo os Igbts podem ser ainda melhores que os FETs de potência.
Ver também:
* Controle de potência
* Reostato
* Ciclo ativo
