Usando o gerador de funções para criar sinais PWM

A ideia básica que envolve o uso dos sinais PWM no controle de potência está na relação entre o tempo em que uma tensão é aplicada a uma carga e o tempo em que ela não está presente. Em suma, a potência aplicada depende do ciclo ativo de um sinal aplicado a uma carga, conforme mostra a figura 1.

A grande vantagem de utilizar sinais PWM no controle de cargas de potência é que podem ser empregados dispositivos semicondutores de comutação, que não tendo estados intermediários de condução, não dissipam potências elevadas.

Com uma capacidade relativamente pequena de dissipação dos dispositivos, podemos controlar correntes intensas. Assim, conforme ilustra a figura 2, quando variamos o ciclo ativo de um valor mínimo a um máximo, a tensão média ou potência aplicada a uma carga, variam na mesma proporção.

Os controles de potência para uso industrial ou mesmo em aplicações de consumo trabalham em frequências que vão de algumas dezenas de quilohertz  até pouco mais de 1 MHz. Para analisar ou desenvolver circuitos que operem com sinais PWM nesta faixa de frequências é interessante possuir instrumentação apropriada e o gerador de funções pode ser usado para esta finalidade.
Os sinais gerados por um Gerador de Funções podem servir facilmente para excitar circuitos de potência e, desse modo, aplicações que envolvem a modulação PWM podem ser testadas.

Como gerar os sinais
Uma forma simples de gerar um sinal PWM consiste em se empregar um comparador com um sinal senoidal aplicado a uma das entradas. Nas figuras 3, 4 e 5 mostramos as formas de onda PWM que podem ser obtidas quando ajustamos o comparador para disparar com diferentes níveis de tensão.

Veja que, o que se faz é escolher o ponto da tensão senoidal onde se realiza o disparo, de modo a obter-se um sinal retangular com o ciclo ativo desejado, de acordo com a figura 6. 

A saída do comparador estará no nível alto quando a tensão na forma de onda senoidal estiver acima do ponto escolhido para o disparo. Observe que, neste caso, estamos alimentando o comparador com uma fonte simétrica para que seja possível obter o disparo tanto nos semiciclos positivos como negativos da forma de onda senoidal usada como referência. O importante nesta técnica é que variamos apenas a largura dos pulsos e não a frequência, como acontece com outras técnicas de modulação que, na verdade, não podem ser consideradas PWM. Assim, podemos citar o caso de um “pseudo PWM” em que, ao se aumentar a largura do pulso, também aumentamos o período do sinal e com isso, baixamos sua frequência, conforme exibe a figura 7.

Um ponto importante que deve ser considerado ao se utilizar esta técnica de geração de sinais PWM é que, como a subida e descida da tensão numa forma de onda senoidal não são lineares, um ajuste da faixa de ciclos ativos também não será linear. No entanto, para as aplicações comuns de teste, isso não terá uma grande importância. Se houver necessidade de uma precisão maior na faixa de ajuste, pode-se empregar a mesma técnica, mas com sinais triangulares, conforme mostra a figura 8. 

Neste caso, é claro, entra em jogo o gerador de funções. Veja então que para se obter esses sinais PWM, basta ter uma fonte de sinais senoidais (que não precisa ser necessariamente o Gerador de Funções) e um comparador. Um osciloscópio serve para monitorar os sinais gerados.

Usando o gerador de funções

Um gerador de funções pode ser usado de diversas maneiras para se criar sinais PWM. Em alguns tipos de geradores têm-se até o recurso de variar o ciclo ativo sem modificar a frequência. É comum que em geradores de funções comerciais seja possível variar o ciclo ativo na faixa de 20 % a 80 % sem problemas. No modo “burst” entretanto, é possível ampliar esta faixa. Neste caso, o que se faz é disparar o circuito para que ele gere pulsos negativos, controlando os intervalos de tempo em que ele faz isso, veja a figura 9.

Todavia, a técnica que descrevemos torna-se especialmente atraente para gerar sinais de prova excitando diretamente uma etapa de potência com FETs, IGBTs ou outros dispositivos capazes de manusear correntes intensas. A partir de sinais senoidais ou triangulares podemos gerar sinais PWM com facilidade numa ampla faixa de frequências e amplitudes, os quais podem ser utilizados não apenas com controles de potência como também com muitas outras finalidades.

Conclusão

O gerador de funções é um instrumento de grande utilidade na produção de sinais de características que vão além das obtidas em simples senoides, triângulos ou retângulos.

Sabendo trabalhar com elementos externos adicionais ou mesmo com os recursos que alguns desses instrumentos possuem, podemos ir além, como mostrou este artigo.

O uso de sinais PWM é comum em uma ampla variedade de aplicações de controle. Um gerador de sinais na bancada do profissional da manutenção ou desenvolvimento de circuitos desse tipo, é um investimento a ser considerado.

* Matéria originalmente publicada na revista Saber Eletrônica; Ano: 47; N° 455; Setembro – 2011