Circuito de onda sinusoidal PWM (SPWM) usando Opamp

Circuito de onda sinusoidal PWM (SPWM) usando Opamp

SPWM se refiere a la modulación de ancho de pulso de onda sinusoidal, que es una disposición de ancho de pulso en la que los pulsos son más estrechos al principio, que gradualmente se ensanchan en el medio y luego se vuelven más estrechos al final de la disposición. Este conjunto de pulsos, cuando se implementa en una aplicación inductiva como un inversor, permite que la salida se transforme en una forma de onda sinusoidal exponencial, que puede verse exactamente idéntica a una forma de onda sinusoidal de red convencional.

Adquirir una salida de onda sinusoidal de un inversor puede ser la característica más crucial y más ventajosa para brindar la máxima eficiencia a la unidad, en términos de su calidad de salida. Aprendamos a hacer PWM de onda sinusoidal o SPWM usando un opamp.

Simular una forma de onda sinusoidal no es fácil

Lograr una salida de onda sinusoidal podría ser bastante complejo y puede que no se recomiende para inversores, ya que a los dispositivos electrónicos normalmente no les gustan las corrientes o voltajes que aumentan exponencialmente. Dado que los inversores se fabrican esencialmente mediante el uso de dispositivos electrónicos de estado sólido, normalmente se evita una forma de onda sinusoidal.



Los dispositivos de potencia electrónica cuando se les fuerza a operar con ondas sinusoidales producen resultados ineficientes ya que los dispositivos tienden a calentarse relativamente más en comparación con cuando se operan con pulsos de onda cuadrada.

Entonces, la siguiente mejor opción para implementar un onda sinusoidal de un inversor es por la vía de PWM, que significa modulación de ancho de pulso.

PWM es una forma avanzada (variante digital) de presentar una forma de onda exponencial a través de un ancho de pulso cuadrado que varía proporcionalmente, cuyo valor neto se calcula para coincidir exactamente con el valor neto de una forma de onda exponencial seleccionada, aquí el valor 'neto' se refiere al valor RMS. Por lo tanto, un PWM perfectamente calculado con referencia a una onda sinusoidal dada se puede utilizar como un equivalente perfecto para replicar la onda sinusoidal dada.

Además, los PWM se vuelven idealmente compatibles con los dispositivos electrónicos de potencia (mosfets, BJT, IGBTS) y permiten que estos funcionen con una disipación de calor mínima.

Sin embargo, generar o hacer formas de onda PWM de onda sinusoidal normalmente se considera complejo, y eso se debe a que la implementación no es fácil de simular en la mente.

Incluso tuve que pasar por una lluvia de ideas antes de poder simular correctamente la función a través de un pensamiento e imaginación intensos.

Que es SPWM

El método conocido más fácil de generar una onda senoidal PWM (SPWM) es alimentando un par de señales que varían exponencialmente a la entrada de un amplificador operacional para el procesamiento requerido. Entre las dos señales de entrada, una debe tener una frecuencia mucho más alta en comparación con la otra.

los IC 555 también se puede utilizar de forma eficaz para generar PWM sinusoidales equivalentes , al incorporar sus amplificadores operacionales integrados y un circuito generador de rampa triangular R / C.

La siguiente discusión le ayudará a comprender todo el procedimiento.

A los nuevos aficionados e incluso a los profesionales ahora les resultará bastante fácil comprender cómo se implementan los PWM de onda sinusoidal (SPWM) procesando un par de señales utilizando un opamp, averigüémoslo con la ayuda del siguiente diagrama y simulación.

Usando dos señales de entrada

Como se mencionó en la sección anterior, el procedimiento implica la alimentación de dos formas de onda que varían exponencialmente a las entradas de un amplificador operacional.

Aquí, el opamp se configura como un comparador típico, por lo que podemos suponer que el opamp comenzará a comparar instantáneamente los niveles de voltaje instantáneos de estas dos formas de onda superpuestas en el momento en que aparecen o se aplican a sus entradas.


Para permitir que el opamp implemente los PWM de onda sinusoidal requeridos correctamente en su salida, es imperativo que una de las señales tenga una frecuencia mucho más alta que la otra. La frecuencia más lenta aquí es la que se supone que es la onda sinusoidal de muestra que debe ser imitada (replicada) por los PWM.

Idealmente, ambas señales deben ser ondas sinusoidales (una con una frecuencia más alta que la otra), sin embargo, lo mismo también se puede implementar incorporando una onda triangular (alta frecuencia) y una onda sinusoidal (onda de muestra con baja frecuencia).

Como puede verse en las siguientes imágenes, la señal de alta frecuencia se aplica invariablemente a la entrada inversora (-) del opamp, mientras que la otra onda sinusoidal más lenta se aplica a la entrada no inversora (+) del opamp.

En el peor de los casos, ambas señales pueden ser ondas triangulares con los niveles de frecuencia recomendados como se mencionó anteriormente. Aún así, eso le ayudaría a lograr un PWM equivalente a una onda sinusoidal razonablemente buena.

La señal con la frecuencia más alta se denomina señal portadora, mientras que la señal de muestra más lenta se denomina entrada moduladora.

Creación de un SPWM con onda triangular y onda sinusoidal

Con referencia a la figura anterior, podemos visualizar claramente a través de puntos trazados los diversos puntos de voltaje coincidentes o superpuestos de las dos señales durante un período de tiempo determinado.

El eje horizontal significa el período de tiempo de la forma de onda, mientras que el eje vertical indica los niveles de voltaje de las dos formas de onda superpuestas que se ejecutan simultáneamente.

La figura nos informa sobre cómo respondería el opamp a los niveles de voltaje instantáneos coincidentes mostrados de las dos formas de onda y produciría una onda sinusoidal PWM correspondientemente variable en su salida.

En realidad, el procedimiento no es tan difícil de imaginar. El opamp simplemente compara los niveles de voltaje instantáneos variables de la onda triangular rápida con la onda sinusoidal relativamente mucho más lenta (esto también puede ser una onda triangular), y verifica las instancias durante las cuales el voltaje de la forma de onda triangular puede ser más bajo que el voltaje de la onda sinusoidal y responde instantáneamente creando alta lógica en sus salidas.

Esto se mantiene mientras el potencial de onda triangular continúe por debajo del potencial de onda sinusoidal, y en el momento en que se detecte que el potencial de onda sinusoidal es menor que el potencial de onda triangular instantáneo, las salidas se revierten con un nivel bajo y se mantienen hasta que la situación se revierte. .

Esta comparación continua de los niveles de potencial instantáneo de las dos formas de onda superpuestas sobre las dos entradas de los amplificadores operacionales da como resultado la creación de los PWM correspondientes que varían, que pueden ser exactamente la réplica de la forma de onda sinusoidal aplicada en la entrada no inversora del amplificador operacional.

Opamp procesando el SPWM

La siguiente imagen muestra la simulación en cámara lenta de la operación anterior:

Aquí podemos presenciar la implementación práctica de la explicación anterior, y así es como el opamp estaría ejecutando lo mismo (aunque a un ritmo mucho más lento, en ms).

La figura superior muestra una representación de SPWM ligeramente más precisa que el segundo diagrama de desplazamiento, esto se debe a que en la primera figura tuve la comodidad del diseño del gráfico en el fondo, mientras que en el segundo diagrama simulado tuve que trazar el mismo sin la ayuda de las coordenadas del gráfico, por lo tanto, podría haber perdido algunos de los puntos coincidentes y, por lo tanto, los resultados parecen un poco inexactos en comparación con el primero.

Sin embargo, la operación es bastante evidente y resalta claramente cómo se supone que un amplificador operacional procesa una onda sinusoidal PWM comparando dos señales que varían simultáneamente en sus entradas como se explica en las secciones anteriores.

En realidad, un amplificador operacional procesaría los PWM de onda sinusoidal con mucha más precisión que la simulación mostrada anteriormente, puede ser 100 veces mejor, produciendo un PWM extremadamente uniforme y bien dimensionado correspondiente a la muestra alimentada. onda sinusoidal.

Diagrama de circuito




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