¿Cuál es la relación entre la frecuencia PWM y el ciclo de trabajo?

¡Hola! Como proveedor de PWM (modulación de ancho de pulso), me preguntan mucho sobre la relación entre la frecuencia de PWM y el ciclo de trabajo. Es un tema que puede parecer un poco técnico al principio, pero una vez que te acostumbras, es bastante sencillo. Entonces, ¡buceemos directamente!

¿Qué son la frecuencia PWM y el ciclo de trabajo?

En primer lugar, definamos rápidamente cuáles son la frecuencia de PWM y el ciclo de trabajo. PWM es una técnica utilizada para controlar la potencia entregada a un dispositivo eléctrico encendiendo rápidamente la alimentación y apagado.

La frecuencia PWM se refiere a la frecuencia con la que el ciclo encendido se repite en un segundo. Se mide en Hertz (Hz). Por ejemplo, si la frecuencia es de 100 Hz, significa que el ciclo de activación ocurre 100 veces cada segundo. Una frecuencia más alta significa que el ciclo se repite con más frecuencia, y una frecuencia más baja significa que se repite con menos frecuencia.

El ciclo de trabajo, por otro lado, es el porcentaje de tiempo que la potencia está en un ciclo completo completo. Se expresa como un valor entre 0% y 100%. Un ciclo de trabajo del 0% significa que el poder siempre está apagado, y un ciclo de trabajo del 100% significa que la potencia siempre está encendida.

Cómo interactúan la frecuencia y el ciclo de trabajo

Ahora, hablemos de cómo estos dos parámetros interactúan entre sí. En muchas aplicaciones, la frecuencia y el ciclo de trabajo se pueden ajustar de forma independiente, pero ambos tienen un impacto significativo en el rendimiento del sistema.

Impacto en la entrega de energía

El ciclo de trabajo afecta directamente la potencia promedio entregada a la carga. Un ciclo de trabajo más alto significa que se está administrando más potencia porque la potencia está en marcha para una porción mayor del ciclo. Por ejemplo, si tiene un ciclo de trabajo del 50%, la potencia promedio entregada es la mitad de lo que sería si la potencia siempre estuviera encendida (ciclo de trabajo del 100%).

Sin embargo, la frecuencia no afecta directamente la potencia promedio. Pero puede influir en cómo la carga responde a la potencia pulsada. Algunas cargas son más sensibles a la frecuencia de la señal PWM. Por ejemplo, en una aplicación de control del motor, una frecuencia baja puede hacer que el motor vibre o haga ruido, mientras que una frecuencia más alta puede provocar una operación más suave.

Impacto en el cambio de pérdidas

En los circuitos electrónicos, hay pérdidas de conmutación asociadas con activar la alimentación y apagado. Estas pérdidas ocurren porque hay una pequeña cantidad de tiempo cuando el interruptor está en transición entre los estados de encendido y apagado, y durante este tiempo, tanto el voltaje a través del interruptor como la corriente a través de él no son cero.

La frecuencia tiene un impacto directo en las pérdidas de conmutación. Una frecuencia más alta significa más eventos de conmutación por segundo, lo que a su vez significa más pérdidas de conmutación. El ciclo de trabajo, por otro lado, tiene menos impacto directo en el cambio de pérdidas, pero puede afectar la disipación de potencia general en el circuito.

Impacto en los requisitos de filtrado

Cuando se usa PWM para controlar una carga, a menudo es necesario usar un filtro para suavizar la alimentación pulsada y convertirla en un voltaje o corriente de CC más constante. La frecuencia de la señal PWM afecta el diseño del filtro. Una frecuencia más alta generalmente requiere un filtro más pequeño porque los pulsos están más juntos, y es más fácil suavizarlos.

El ciclo de trabajo también puede afectar los requisitos de filtrado. Un ciclo de trabajo muy bajo o muy alto puede requerir un diseño de filtro diferente en comparación con un ciclo de trabajo más cercano al 50%.

Aplicaciones y consideraciones prácticas

Veamos algunas aplicaciones prácticas de PWM y cómo es importante la relación entre la frecuencia y el ciclo de trabajo.

Atenuación

En las aplicaciones de iluminación LED, PWM se usa comúnmente para controlar el brillo de los LED. El ciclo de trabajo determina el brillo de los LED. Un ciclo de trabajo más alto hace que los LED sean más brillantes, y un ciclo de trabajo más bajo los hace más atenuados.

La frecuencia también es importante para la atenuación LED. Si la frecuencia es demasiado baja, el ojo humano podría detectar el parpadeo de los LED. Por lo general, se recomienda una frecuencia de alrededor de 100 Hz o más para evitar parpadeos visibles.

Control del motor

Como se mencionó anteriormente, en las aplicaciones de control de motor, el ciclo de trabajo controla la velocidad del motor. Un ciclo de trabajo más alto proporciona más potencia al motor, lo que resulta en una mayor velocidad.

La frecuencia afecta la suavidad de la operación del motor. Una frecuencia baja puede hacer que el motor produzca un movimiento desigual o haga ruido, mientras que una frecuencia más alta puede conducir a una rotación más suave. Sin embargo, aumentar la frecuencia también aumenta las pérdidas de conmutación en el circuito del controlador del motor.

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Conclusión

En conclusión, la relación entre la frecuencia de PWM y el ciclo de trabajo es compleja pero crucial para el funcionamiento adecuado de muchos sistemas eléctricos y electrónicos. El ciclo de trabajo afecta directamente la potencia promedio entregada a la carga, mientras que la frecuencia influye en cómo la carga responde a la potencia pulsada, así como las pérdidas de conmutación y los requisitos de filtrado.

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Referencias

• Dorf, RC y Svoboda, JA (2016). Introducción a los circuitos eléctricos. Wiley.
• Mohan, N., Undeland, TM y Robbins, WP (2012). Power Electronics: convertidores, aplicaciones y diseño. Wiley.