Modulador PWM - Eletrônica Básica II

Modulador PWM - Eletrônica Básica II

Projeto Prático de Eletrônica Básica I Prof. Gláucio Lopes Ramos

Modulador PWM (Pulse Width Modulation)

Eliezer de Souza da Silva Júlio César Tosta (7º período de Engenharia de Computação)

1) Introdução A técnica de Modulação por Largura de Pulso (PWM – Pulse Width Modulation) consiste em fazer variar a largura do pulso do sinal modulado, de amplitude constante, em função da amplitude do sinal modulante, no contexto de comunicação digital. Pode ser vista também como um tipo de circuito que gera onda quadradas com largura de pulso variável, que pode ser utilizada em controle de velocidade de motores ou a quantidade de energia que é transferida para um sistema de iluminação.

Figura 1: Exemplo de Modulação por Largura de Pulso

Neste projetos os alunos implementaram um circuito que pode ser utilizado na modulação PWM, utilizando amplificadores operacionais em circuitos osciladores e comparadores.

2) Circuito PWM A ideia utilizada neste trabalho para gerar a modulação PWM é utilizar um gerar uma onda triangular e em seguida comparar o sinal modulante com esta onda tringular, no caso específico que usamos o sinal modulante é uma tensão constante de referência regulada por um potenciômetro. No lugar desta tensão constante de referência poderíamos colocar uma forma de onda qualquer.

Figura 2: Diagrama Geral do Circuito PWM

Podemos verificar que a parte crítica deste projeto é o circuito gerador da onda triangular. Sedra e Smith [1] propõem um método para gerar a onda tringular, que consiste em integrar a saída de um oscilador biestável, realimentando o oscilador com parte deste sinal integrado. Uma vez que a saída do circuito biestável é de valor constante, ora positivo, ora negativo, a saída do integrador será uma onda triangular.

Figura 3: Esquema geral para gerar onda quadrada e triangular.

O oscilador biestável é um circuito com realimentação positiva, com dois estados estáveis possíveis (L+ e L-), que pode ser chaveado entre um estado e outro quando aplicado a devida tensão de excitação na entrada (VTH=βL+ para chavear de L+ para L- por exemplo). O valor de tensão dos estados L+ e L- são respectivamente os valores de saturação positivo e negativo do ampop.

Figura 4: Multivibrador Biestável.

Sedra e Smith [1] deduzem espressões para Vth e Vtl em função da tensão de saturação e valores de resistências R1 e R2.

2 Para o caso de gerarmos uma onda triangular ideal, teremos L+=-L-=L e

2 é o período da onda triangular. Repare que a hipótese implícita na dedução desta expressão para o período da onda triangular é esta ser perfeitamente triangular, caso apareça alguma imperfeição é de se esperar que tenhamos disparidades entre os valores previstos e os observados.

A fim de verificar a correção do circuito proposto simulamos um circuito com os valores a seguir.

Figura 5: Circuito gerador de onda triangular completo com alguns valores de resistores e capacitor.

Figura 6: Forma de onda e valor de período de oscilação simulado.

O valor previsto teoricamente para o período é de 2ms e o valor simulado foi de 2.12ms, um desvio de 6% enquanto o valor de saturação calculado é de 6v e o simulado foi de 5.69v, constituindo um desvio de 5.4%. Assim verificamos que o bloco de geração de onda triangular funciona segundo o projetado e dimensionado.

Para o nosso circuito final optamos por valor de resistores e capacitores de modo a ter uma frequência maior, mas para estes valores verificamos posteriormente que a forma de onda triangular apresenta algumas imperfeições acarretando num desvio entre os valores calculados utilizando a fórmula para ondas ideais e os valores medidos e simulados.

Figura 7: Circuito para gerar onda triangular utilizado na montagem.

Figura 8: Simulação: forma de onda e frequência (obs: a o forma de onda não é perfeitamente triangular).

Figura 9: Onda triangular, medições e sinal modulado.

O valor simulado da frequência foi de 3.33Khz, enquanto o medido foi de 3.49kHz, um desvio de 4.8%. O valor previsto utilizando a aproximação para a onda triangular perfeita foi de 5.3Khz, um desvio de 60%, que mostra quão inapropriado a formulação se torna para altas frequências. O valor máximo da tensão simulado foi de 7.14v e o medido foi de 6.80v, desvio de 5%. O valor calculado foi de 5.4v, um desvio de 32% do real e 25% do simulado.

Observa-se que os valores simulados de frequência e tensão são próximos dos medidas no experimento real, no entanto o previsto pelas fórmulas anteriores apresentam discrepâncias consideráveis em relação ao previsto e/ou simulado.

Figura 10: Circuito Final. Figura 1: Frequência e forma de onda para um dado valor da referência.

Figura 1: Diagrama de trilhas para placa de circuito impresso.

3) Conclusão O circuito PWM funcionou dentro do esperado como modulador por largura de pulso, no entanto as previsões teóricas para frequência e amplitude máxima, segundo o modelo dado por Sedra e Smith [1]. As aplicações práticas deste circuito são variadas, podendo ser utilizado em contexto de telecomunicação, ou então no controle de intensidade de luz de lâmpadas ou velocidade de motores.

4) Referência [1] Sedra, A.S., Smith, K.C. Microeletrônica. 5ª Ed. São Paulo. Pearson Prentice Hall. 2007. Seções 13.4.5 e 13.5.2.

5) Anexos Imagens do osciloscópio do circuito montado. Circuito com C=1nF

Circuitos com C=10nF

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