PWM o resistencia variable [cerrado]

Una cosa que no se explora en el video es cómo responde la carga a los pulsos de voltaje y corriente producidos por PWM. Según el tipo de carga, el resultado puede no ser tan eficiente ni tan lineal como se esperaba.

En el caso de un motor de CC, la frecuencia PWM es una variable importante que puede tener un efecto dramático. A frecuencias PWM muy bajas, el motor se acelerará y desacelerará a medida que se enciende y se apaga. A medida que aumenta la frecuencia, la velocidad del motor se hace más uniforme, pero aún producirá vibraciones y ruidos notables en todo el rango de audio. El uso de una frecuencia ultrasónica (superior a 20 KHz) elimina el ruido audible, pero aumenta las pérdidas en el transistor de conmutación y el circuito del controlador.

Otro efecto de PWM es un aumento en la corriente y el voltaje rms en relación con sus valores promedio. Esto provoca una pérdida adicional en los componentes resistivos de la carga.

Considere este circuito equivalente simplificado de un motor de CC de 12 V, alimentado desde un suministro de 6 V para obtener la mitad de la velocidad:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

R1 representa la resistencia de los devanados y escobillas del inducido del motor, y V2 es el voltaje que genera el motor mientras gira a la mitad de su velocidad. R1 reduce la diferencia entre el voltaje de suministro y el voltaje del generador, 6V-5V = 1V. La Ley de Ohm nos dice que corriente = voltaje / resistencia, por lo que el motor debe consumir 1V/1Ω = 1A. Potencia = voltios*amperios, por lo que se pierde 1 vatio de potencia en el motor.

Ahora considere lo que sucede si en lugar de usar un suministro de CC sin problemas aplicamos 12V con PWM. Esto enciende y apaga rápidamente el motor, lo que reduce el voltaje promedio para obtener el mismo efecto que con 6 V CC. Lógicamente, podría pensar que aplicar 12V con una relación PWM del 50% sería suficiente. Sin embargo, lo que realmente sucede es que durante la parte "encendida" del ciclo PWM, el motor recibe los 12 V completos, por lo que la corriente salta a (12 V-5 V)/1 Ω = 7 A. Dado que esta corriente fluye el 50% del tiempo, la corriente promedio es 7A*50% = 3.5A, no la 1A que queríamos. Esta corriente extra hace que el motor se acelere.

Para obtener la mitad de la velocidad, debemos reducir la relación PWM hasta que el motor consuma una corriente promedio de 1A mientras genera 5V. Esto requiere una relación PWM de 1A/7A = 14,3 %. Durante el tiempo de 'encendido' de PWM, R1 cae 7 V y pasa 7 A, por lo que desperdicia 7 * 7 = 49 W de potencia. Durante el tiempo de 'apagado' de PWM, la corriente es 0A, por lo que no hay pérdida de energía. La pérdida de energía promedio ahora es de 49 W * 14,3 % = 7 W, ¡ mucho más alta que el 1 W que esperábamos!

Afortunadamente, la mayoría de los motores también tienen una inductancia considerable , que resiste el cambio de corriente. Si la frecuencia de PWM se hace lo suficientemente alta, las variaciones de corriente se suavizarán y la relación de PWM con la curva de velocidad del motor se volverá lineal (es decir, 50 % de PWM = 50 % de velocidad).

Debido a este efecto, para comparar correctamente PWM con el control de velocidad resistivo, debe medir la velocidad del motor, no solo suponer que será proporcional al voltaje promedio. Probar diferentes frecuencias PWM le mostrará el efecto que tiene sobre la eficiencia y la linealidad del control de velocidad.