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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO-CAMPUS PRESIDENTE EPITACIO BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA JOÃO VITOR MONTES PINHEIRO TÉCNICAS PWM E PFM PRESIDENTE EPITÁCIO 2021 JOÃO VITOR MONTES PINHEIRO TÉCNICAS PWM E PFM Trabalho apresentado para a disciplina de Eletrônica de Potência II, pelo Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, Campus Presidente Epitácio – IFSP. Docente: Prof. Me. Camila Dias de Jesus PRESIDENTE EPITÁCIO 20 1. INTRODUÇÃO Em telecomunicações, a modulação é a modificação de um sinal eletromagnético inicialmente gerado, antes de ser irradiado, de forma que este transporte informação sobre uma onda portadora (A onda portadora é um sinal senoidal caracterizado por três variáveis: amplitude, freqüência e fase. A amplitude é a medida da altura da onda para tensão positiva ou para tensão negativa. Também definida como crista da onda, a amplitude do sinal digital é igual à diferença da tensão para o degrau entre 0 e 1. Iniciando na tensão zero, a onda cresce atinge a amplitude, decresce, se anula, atinge sua amplitude negativa e volta a crescer até se anular novamente. Essa seqüência compõe um ciclo). Modulação é o processo no qual a informação a transmitir numa comunicação é adicionada a ondas eletromagnéticas. O transmissor adiciona a informação numa onda básica de tal forma que poderá ser recuperada na outra parte através de um processo reverso chamado demodulação (Gomes [s.d]). De acordo com Moreira (1999), modulação é um processo que compreende uma opração realizada sobre um sinal que será transmitido, fazendo com que esse sinal fique apropriado para ser transmitido pelo canal determinado. As técnicas de modulação permitem escolher as características do sinal, adaptando-o ao canal de transmissão. Entre outros aspectos, a operação de modulação permite: (i) deslocar o espectro do sinal a transmitir para a banda de frequências mais apropriada/disponível; (ii) produzir um sinal modulado com um espectro mais estreito (ou mais largo) que o sinal original; (iii) tornar o sistema de transmissão mais robusto relativamente a algum tipo de ruído e/ou interferência; (iv) adaptar a sensibilidade do receptor às características do canal (MOREIRA,1999). As técnicas de transmissão podem ser divididas em metódos destinados para sinais analógicos e para sinais digitais. Tais quais, suas trasmissões podem ser realizadas em banda base ou com recurso a portadoras (elétricas ou ópticas). Porém, tratando-se de transmissão de sinais analógicos em banda base, sua transmissão está limitada a curtas distâncias, por conta de possíveis interferências. Com a necessidade de se controlar a tensão entregue aos sistemas eletrônicos, e por sua vez, a potência, foi inventada nos anos 60 uma técnica eficaz e muito comum atualmente capaz de controlar a carga desejada, em substituição a técnica on-off , modulação por freqüência (FM), ou até mesmo as técnicas que utilizavam cargas em serie, como resistores variáveis, para controlar a carga. A técnica de PWM é empregada em diversas áreas da eletrônica, talvez a mais comum seja a utilização em fontes chaveadas mas também pode ser utilizada para controle de velocidade de motores, controle de luminosidade, controle de servo motores e diversas outras aplicações. PWM significa "Pulse Width Modulation" ou Modulação de Largura de Pulso, ou seja, através da largura do pulso de uma onda quadrada é possível o controle de potência ou velocidade (MECAWEB [s.d]). A modulação por frequência de pulso ( PFM ) é um método de modulação para representar um sinal analógico usando apenas dois níveis (1 e 0). É análogo à modulação por largura de pulso (PWM), em que a magnitude de um sinal analógico é codificado no ciclo de trabalho de uma onda quadrada . Ao contrário do PWM, no qual a largura dos pulsos quadrados varia em frequência constante , o PFM fixa a largura dos pulsos quadrados enquanto varia a frequência . Em outras palavras, a frequência do trem de pulso é variada de acordo com a amplitude instantânea do sinal de modulação em intervalos de amostragem. A amplitude e largura dos pulsos são mantidas constantes. Em concordância com Reichert (1987), o método de modulação PFM, utiliza um conversor amplitude – frequência em que o sinal analógico de entrada é transformado em um trem de pulsos e o intervalo de tempo entre os pulsos é uma função linear da amplitude desse sinal. Na etapa de demodulação do amplificador isolador é empregado um circuito amostragem e retenção (Sample/Hold) controlado pela frequência do trem de pulsos. 2. MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO (PWM – Pulse Width Modulation) A modulação por largura de pulso (PWM), é uma forma de controle de entrega de energia elétrica a um dispositivo, ligando e desligando a tensão. O valor médio da quantidade de energia que está sendo entregue, é a função entre o tempo ligado e o tempo total, quanto maior a frequência de ciclo, mais estável será o valor obtido no controle do equipamento. Esse método de modulação é utilizado no controle de equipamentos como motores, mecanismos de iluminação e servomotores, entre outros. De acordo com Ahmed (2000), os três metódos mais utilizados para modulação por largura de pulso são: • Modulação por largura de pulso simples; • Modulação por largura de pulso múltipla; • Modulação por largura de pulso senoidal. 2.1-Modulação por largura de pulso simples Em concordância com Ahmed (2000), no método de controle de tensão a forma de onda da tensão de saída consiste em um único pulso a cada semiciclo da tensão de saída pretendida. Para a frequência F= 1/T, a largura do pulso tw pode variar, com o objetivo de controlar a tensão AC de saída. A forma de onda sem modulação é mostrada na Figura 1a, onde as chaves S1 e S4, estão em um semiciclo e as S2 e S3 em outro, dessa forma, produzindo a tensão máxima de saída. Já na Figura 1b, pode-se observar a forma de onda da tensão de saída quando o intervalo de condução de S3 e de S4 está adiantato por um ângulo de δ= 90°. Através da adição das duas tensões de onda quadrada deslocadas em fase uma em relação a outra, obtém-se essa tensão. A tensão de saída é formada por pulsps alternados com uma largura de 180° - δ = 90°. Dessa forma, a tensão de saída pode ser regulada de seu máximo (retardo 0°) a zero (retardo 180°), também pode ser ajustada, com o adiantamento de uma fase ou com o retardo da passagem para o estado desligado, de um par de chaves em relação ao outro. Figura 1- Formas de onda moduladas por Largura de pulso simples- (a) sem modulação- (b) Forma de onda modulada. Fonte: Ahmed (2000) 2.2- Modulação por largura de pulso múltipla Segundo Ahmed (2000), em vez de reduzir a largura de pulso para regular a tensão, a saída do inversor pode ser controlada por chaves, rapidamente sendo ligada e desligada, durante cada semiciclo, com a finalidade de fornecer um trem de pulsos constante. A Figura 2, represenra a modulação por largura de pulso múltipla. Onde a forma de onda da tensão de saída é formada por m pulsos para cada semociclo da saída requerida. A frequência dos pulsos de saídaé dada pela Equação 1, e a Equação 2 demonstra o número de pulsos por ciclo. 𝑓𝑝 = 2𝑓𝑚 (1) 2𝑚 = 𝑓𝑝 𝑓 (2) Na Figura 2ª, pode-se observar a forma de onda para tensão de saída m=2, a largura de pulso tw deve ser menor que π/2. Já a Figura 2b, mostra que para m=3, tw < que π/3. De forma genérica,a largura do pulso compreende-se por tw ≤ π/m. Figura 2- Formas de onda moduladas por largura de pulso múltipla. (a) m=2; (b) m=3. Fonte: Ahmed (2000) 2.3- Modulação por largura de pulso senoidal ( SPWM) Em comcomitância com Ahmed (2000), na modulação por largura de pulso senoidal (SPWM), a tensão de saída é controlada pela variação dos períodos nos estafos ligado e desligado, de forma com que os períodos ligados, que representam a largura do pulso, sejam mais alongados no pico da onda. A Figura 3 representa o padrão de SPWM. Figura 3- Padrão de modulação SPWM Fonte: Ahmed (2000) 2.4- Exemplos de Aplicações de Modulação por largura de pulso (PWM) Conforme já explanado, a técnica de Modulação PWM é utilizada para o controle de dispositivos de forma váriavel e gradual ente um máximo e um mínimo ou para troca de informações entre módulos de controle. Portanto, alguns exemplos de aplicações para essa técnica são listados abaixo: • Sensores de oxigênio do sistema EEC-V Sistemas de ignição de veículos que utilizam o padrão OBDII necessitam que uma sonda lambda (λ) entre em funcionamento no menor tempo possível após dado a partida no motor. Para isso, deve-se haver um aquecimento rápido do sensor, graças a diminuição da resistência do aquecedor, consequentemente, a corrente aumenta. Porém, o aumento dessa corrente resultaria no superaquecimento da sonda. Para que não ocorra o superaquecimento, ao ligar o motor a unidade de comando (UC) aplica tensão plena de bateria, para obter o rápido aquecimento da sonda, após alcançada a temperatura ideal pra o funcionamento, a tensão média aplicada é diminuída, valendo- se de um sinal pulsado de ciclo de trabalho variável inferior a 100%. Na Figura 4, pode- se observar o circuito elétrico correspondente. Figura 4- Circuito elétrico correspondente aos sensores de oxigênio do sistema EEC- V Fonte: Oficina Brasil (2015) • Controle da bomba de Combustível O negativo da bomba de combustível é controlado pela unidade de comando do motor, com um ciclo de trabalho variável. À vista disso, a pressão e a vazão podem ser controladas de acordo com as condições de funcionamento do motor. A Figura 5, representa o sistema aplicado nos veículos da General Motors, onde, o módulo de potência recebe um sinal PWM da UC. Figura 5- Sistema de controle da bomda de combustível GM Fonte: Oficina Brasil (2015) Em condições normais de funcionamento, o ciclo é 33%. Quando em condição de alta carga ou para compensar situações de baixa tensão de bateria, o ciclo passa para 100%. • Circuito Modulador PWM De acordo com Moreira, Negreiros e Portnoi (s.d), o circuito apresentado na Figura 6 é um controlador de entrada DC e saída DC tipo PWM, com alimentação de 12 volts, e foi projetado para ser basicamente um controlador de lâmpadas (dimmer) ou de motores DC. A grande vantagem do uso circuitos PWM como controladores contra os circuitos resistivos é quanto a eficiência. Enquanto o PWM trabalha com eficiência quase 1 (menos de 1% de perda), para um circuito resistivo trabalhando a 50% da carga, 50% vai realmente para alimentação da carga e 21% é perdido em aquecimento nos resistores. Isto é uma grande vantagem para fontes de energia renovável. Uma outra grande vantagem é que, na modulação de largura de pulso, os pulsos estão com o valor nominal de pico, gerando um maior torque nos motores. Um controlador resistivo, já que deverá ter uma tensão reduzida, poderá causar parada de um motor devido ao torque reduzido. Além disso, pode-se usar potenciômetros menores para controlar uma variedade de cargas, ao contrário dos resistivos que usam potenciômetros grandes e caros. Uma das desvantagens do PWM é a complexidade e a possibilidade de gerar interferência de rádio frequência (RFI). RFI pode ser minimizada colocando o controlador perto da carga e em alguns casos, usando filtros adicionais. O circuito mostrado requer um oscilador estável para operá-lo. U1a e U1d formam uma forma de onda quadrada/triangular com frequência de aproximadamente 400Hz. Este sinal é que será comparado com o sinal de entrada (ver adiante) a fim de produzir os pulsos variáveis em largura. A frequência da onda triangular tem de ser suficiente para produzir amostras bastantes do sinal modulador, de forma que se possa reconstruí- lo na demodulação. Segundo o critério de Nyquist, a frequência do sinal comparador (onda triangular) tem de ser de pelo menos 2B Hz, sendo B a largura de banda do sinal modulador. Para este circuito apresentado, como o sinal de entrada ou modulador é um sinal DC, com variação através de um potenciômetro, a frequência de 400Hz é adequada. Ademais, não se tenciona demodular o sinal PCM, de forma que uma reconstrução perfeita do sinal modulador não é necessária. U1c é usado para gerar uma referência de 6 volts, a qual é usada como um terra virtual para o oscilador. Isto é necessário para que o oscilador opere com uma única fonte ao invés de uma fonte de tensão simétrica, como é de praxe. U1b é conectado em um circuito comparador e é a parte do circuito que gera a largura de pulso variável. Um comparador é um circuito no qual a saída do amplificador operacional (op-amp) é verdadeira ou falsa, dependendo de se a tensão aplicada no pino positivo de entrada do op-amp for maior que a tensão aplicada no pino negativo de entrada (verdadeiro) ou vice-versa (falso). O pino 6 do U1b recebe uma tensão variável de R6, VR1 e R7. Isto é comparado com o pulso triangular do pino 14 da U1d. Quando a onda é superior à voltagem do pino 6, U1 produz uma saída alta. Quando a onda é mais baixa que a voltagem do pino 6, U1 produz uma saída baixa. Variando a voltagem do pino 6, os pontos ligados/desligados são movidos para cima e para baixo da onda triangular, produzindo um pulso de largura variável. Os resistores R6 e R7 são usados para setar os pontos finais do controle VR1. Os valores mostrados permitem ao controlador ter um valor máximo e mínimo com o deslizar do potenciômetro. Estes valores dos componentes podem ser variados para mudar o comportamento do potenciômetro. Q1 é um transistor MOSFET canal-n. Ele recebe a tensão de pulso modulado na largura no gate e chaveia a corrente da carga ora sim, ora não. Quando Q1 está em ligado, ele fará com que um terra seja fornecido para a carga. Quando Q1 está desligado, o terra da carga fica flutuando. Deve-se haver cuidado de forma que os terminais da carga não estejam aterrados ou um curto-circuito irá ocorrer. A carga terá a fonte de tensão no lado positivo durante todo o tempo. O LED1 fornece uma luminosidade variável em resposta à largura do pulso. O capacitor C3 suaviza a saída chaveada e remove algumas interferências de rádio- freqüência (RFI), que é uma das desvantagens que podem ocorrer na modulação PWM. O diodo D1 serve para cortar a tensão reversa de cargas indutivas dos motores. Os componentes chave S1, fusível F1, e toda fiação entre o FET, fonte e carga deverão ser capazes de suportar a corrente máxima da carga. Figura 6- Circuito Modulador Fonte: Moreira, Negreiros e Portnoi (s.d) • PWM Arduino As placas Arduino possuem diversas saídas PWM, para testá-las pode-se realizar um projeto muito simples valendo-se de uma placa Arduino Uno, um LED e um resitor de 220 Ω. O LED deverá ser ligado ao Arduino, e a intensidade luminosa será controlada pela função analogWrite ( ), que o PWM do arduino. O terminal positivo do LED deve estar ligado na porta 9 da placa com um resistor entre a porta e o LED, conforme representado na Figura 7. Figura 7- Conexão no Arduino Fonte: Athos Eletronics (s.d) A programação utilizará um for que irá variar constantemente o valor da função Analog Write, de acordo com a Figura8. Figura 8- Código para o teste do PWM do Arduino . Fonte: Athos Eletronics (s.d) Dessa forma, a luminosidade do LED ficará sendo alterada. 3. MODULAÇÃO POR FREQUÊNCIA DE PULSO (PFM – Pulse Frequency Modulation) A modulação por frequência de pulso, é uma técnica de modulação na qual a frequência é variada com a amplitude do sinal de entrada, o ciclo de trabalho do sinal modulado não muda. Por se tratar de uma onda quadrada com varaiação na frequência, a técnica PFM também é conhecida por FM de onda quadrada. PFM é de dois tipos: o tipo de tempo fixo ligado e o tipo de tempo fixo desligado. No caso do tipo de tempo fixo ligado como exemplo (Figura 9), o tempo ligado é fixo com tempo desligado variável. Em outras palavras, o tempo que leva para a energia ligar na próxima vez varia. Quando a carga aumenta, o número de ativações em um determinado período de tempo é aumentado para acompanhar o ritmo da carga. Assim, sob uma carga pesada, a frequência aumenta e, sob uma carga leve, ela diminui. No lado positivo, como não é necessário adicionar muita energia durante uma operação de carga leve, a frequência de chaveamento é reduzida e o número de operações de chaveamento necessárias diminui, com perdas de chaveamento reduzidas. Como consequência, o método PFM garante que a alta eficiência seja mantida mesmo com uma carga leve. Do lado negativo, como a frequência varia, o ruído associado ao chaveamento permanece indefinido, tornando o processo de filtragem difícil de controlar e o ruído difícil de remover. Além disso, se o ruído entrar abaixo de 20 kHz, que é uma banda audível, pode ocorrer o problema de toque, o que produz um impacto adverso no S / R nos dispositivos de áudio. No que diz respeito ao ruído, o PWM pode ser preferível em muitos aspectos. Figura 9- Padrão PFM Fonte: Tech Web (2016) 3.1- Aplicação: Desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas parcialmente isolado baseado na integração dos conversores Cuk bidirecional em série ressonante Em sua dissertação “Desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas parcialmente isolado baseado na integração dos conversores Cuk bidirecional em série ressonante”, para Universidade Tecnológia Federal do Paraná, Juliano Luis dos Santos de Morais, propôs o desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas. Valendo- se da combinação de um conversor bidirecional Cuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa. Nesse projeto, o conversor Cuk é controlado por modulação de largura de pulso (PWM), enquanto o circuito tanque ressonante, é controladopor modulação de frequência (PFM), acima da frequência de ressonância. Através do desenvolvimento do projeto, o autor concluí que assim a corrente do circuito ressonante resultará em uma forma de onda de alta frequência de chaveamento, mudando a frequência de chaveamento, a amplitude da onda da corrente pode ser controlada. Na Figura 10, pode-se observar a frequência de chaveamento acima e abaixo da frequência de ressonância, respectivamente. Figura 10- Frequência de chaveamento acima e abaixo da frequência de ressonância Fonte: Morais (2017) 4. BREVE COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS PWM E PFM Modulação por largura de pulso (PWM) • A frequência é constante; • O ciclo de trabalho, ou seja, a largura do impulso muda. Modulação por frequência de pulso (PFM) • Mudanças de frequência, ou seja, a curva de sinal é comprimida ou alongada; • O ciclo de trabalho é constante. A problemática da escolha entre qaul método deve ser escolhido, requer um bom entendimento das propriedades de ambas as técnicas, para obter o melhor de cada metódo de modolução existem sistemas que operam em PWM durante operações de estado estacionários e alteram seu funcionamento para PFM para lidar com operações mais leves, visto que, o PWM, alternando em ciclos fixos, pode ter baixa eficiência, e o PFM, que funciona através da redução da frequência de um sinal leve, corta as perdas de comutação, mantendo a alta eficiência. A Figura 11, ilustra as características de eficiência entre os dois metódos. Figura 11- Ilustração das carecterísticas de eficiência do PWM e PFM Fonte: Tech Web (2016) REFERÊNCIAS AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo: Pearson, 2000. Disponível em: https://plataforma.bvirtual.com.br/Leitor/Publicacao/2380/pdf/0?code=LppMxSwYSt EMjGKBO8EZz0oSbqwq0MaFsQ6fLZQqNn/QiGRscxorlblImlecnE9Yps68v+9DIty TD74cxdPYfQ==. Acesso em: 22 abr. 2021. GOMES, Paulo. 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MOREIRA, Albert; NEGREIROS, Thiago; PORTNOI, Marcos. PULSE WIDTH MODULATION CONCEITOS E CIRCUITO-EXEMPLO. [S. l.]. Disponível em: https://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/pwm.html. Acesso em: 22 abr. 2021. PWM - Modulação Por Largura de Pulso. [S. l.]. Disponível em: http://www.mecaweb.com.br/eletronica/content/e_pwm. Acesso em: 22 abr. 2021. PWM Arduino – O que é e como funciona. [S. l.]. Disponível em: https://athoselectronics.com/pwm-arduino/. Acesso em: 22 abr. 2021. REICHERT , Fernando. Amplificador de isolamento galvãnico com modulação por largura de pulso. 1987. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1987. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/75385. Acesso em: 22 abr. 2021. SWITCHING Regulator Basics: PWM & PFM. [S. l.], 2016. Disponível em: https://techweb.rohm.com/knowledge/dcdc/dcdc_sr/dcdc_sr01/897. Acesso em: 22 abr. 2021.
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