Controles PWM de potência (ART006)

Escrito por Newton C Braga

Existem basicamente dois tipos de controles para cargas de potência como motores, lâmpadas incandescentes, elementos de aquecimento, solenóides, etc.: os controles lineares e os controles pulsantes ou PWM. No entanto, uma das desvantagens dos controles lineares está no fato de não ser possível manter o controle sobre o torque e a velocidade em baixas rotações, no caso de motores. Os motores tendem a partir com "soquinhos" e também não muito é simples
compensar as variações de velocidade que ocorrem quando o motor tem de fazer mais força. Uma maneira de se obter um controle muito mais preciso sobre o torque e a velocidade de motores de corrente contínua, e até mesmo de outras cargas, é através de circuitos que empregam a tecnologia PWM ou Pulse Widith Modulation (Modulação de Largura de Pulso). Com estes circuitos podemos manter o torque mesmo em baixas velocidades garantindo partidas suaves para os motores, mesmo carregados o que os torna ideais para aplicações em robótica, mecatrônica e mesmo em aplicações industriais. Neste artigo vamos analisar o princípio de funcionamento dos controles PWM e dar alguns circuitos práticos.



Este artigo é uma adaptação do capítulo sobre PWM que o leitor encontrará no livro Eletrônica Para Mecatrônica. No livro, outros tipos de controle e circuitos práticos podem ser encontrados. Veja mais em “Livros Nacionais” Conforme sabemos, os motores de corrente contínua são dispositivos cuja potência depende da tensão que lhes é aplicada e também da intensidade da corrente que circula através deles. Quando carregamos um motor, ou seja, fazemos com que ele tenha de realizar maior esforço, sua velocidade diminui e com isso a intensidade da corrente aumenta, elevando-se assim a potência que ele consome conforme mostra a curva característica da figura 1.



Figura 1 - Com o aumento da carga o consumo aumenta e a velocidade diminui.

Por outro lado, sob carga constante, a potência consumida aumenta com a tensão de um modo mais ou menos linear, juntamente com a corrente e a sua velocidade de rotação, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Com carga constante a corrente é proporcional à tensão

Como a fonte que alimenta tais motores normalmente tem uma resistência interna que limita sua capacidade de fornecimento de corrente, o reflexo na velocidade e torque é imediato. Sabemos que a maneira mais simples de se controlar a velocidade de um motor de corrente contínua é pela modificação da corrente que passa através dele, utilizando-se algum tipo de dispositivo externo. Este tipo de controle, em que variamos linearmente a corrente aplicada numa carga ou a tensão, é denominado "controle linear" de potência. No entanto, os motores de corrente contínua têm uma característica de inércia que impede que eles respondam à tensões muito baixas. Abaixo de certo valor de tensão que lhes seja aplicada eles simplesmente não têm torque suficiente para partir, permanecendo parados, conforme mostra a figura 3.



Figura 3 -O motor parte repentinamente quando a tensão aumenta.

Isso faz com que os controles lineares tenham uma resposta desigual em sua faixa de operação, conforme mostra a figura 4.



Figura 4 – Resposta desigual de um controle linear comum.

O resultado desta resposta é que não conseguimos fazer com que eles partam de modo suave, mas sim aos "trancos" e não conseguimos, com eficiência, um controle preciso no regime de baixa rotação. Podemos resolver este problema com um tipo de circuito que não controla a corrente no motor de forma constante, mas sim através de pulsos. os quais atuam sobre a média da corrente que circula através da carga. Este tipo de controle é que passamos a analisar a
partir de agora



O Controle PWM
Como podemos manter o controle sobre a corrente média de um motor de corrente contínua sem diminuir a tensão que lhe seja aplicada, já que é a diminuição da tensão que nos leva aos problema de controle em baixas rotações? Para responder a esta pergunta, mesmo que o leitor tenha suas dúvidas sobre sua possibilidade, existe uma solução técnica bastante engenhosa. Podemos variar a intensidade média da corrente no motor se o alimentarmos com pulsos e controlarmos a duração destes pulsos. Para que o leitor entenda melhor o que queremos dizer vamos explicar detalhadamente o processo.
Se em lugar de alimentarmos o motor com uma corrente contínua pura, e em seu lugar usarmos um elemento qualquer que ligue e desligue rapidamente o circuito, de modo a produzir pulsos retangulares com a duração e o espaçamento iguais (o que pode ser definido como um ciclo ativo de 50%), conforme mostra a figura 5,
teremos um controle sobre a potência final aplicada a carga. Com esse procedimento, a tensão de cada pulso se mantém igual a máxima da fonte, mas seu valor médio aplicado ao motor será apenas metade do valor de entrada.



Figura 5 – Ligando e desligando de modo controlado, podemos variar a tensão média aplicada a uma carga.

Em outras palavras, se a tensão de entrada for de 6 V, o motor recebe pulsos de 6 V, mas se comporta como se, em média, recebesse uma alimentação de 3 V e através dele circulará uma corrente média que corresponde à metade da máxima, que é aquela que circula quando ele recebe 6 V. O motor, nestas condições vai rodar com metade de sua velocidade máxima.
Para alterar a velocidade do motor podemos alterar os pulsos aplicados de duas formas. Se aumentarmos a duração dos pulsos, ou seja, mantivermos o elemento que liga e desliga mais tempo ligado do que desligado, o motor recebe alimentação por mais tempo e na média podemos dizer que ele tem uma alimentação correspondente a uma tensão maior, conforme mostra a figura 6.


Figura 6 –Com tempos de liga e desliga iguais, a tensão de saída é metade da tensão de entrada.

Nestas condições o motor gira com mais velocidade. Para diminuir a velocidade do motor, basta reduzir a largura dos pulsos ou seja, manter o elemento menos tempo ligado, conforme mostra a figura 7.


Figura 7 – Pulsos mais estreitos significam uma tensão média menor.

Os pulsos aplicados ao motor ainda serão de 6 V, mas na média, como sua duração é pequena, eles correspondem a uma tensão menor e com isso a corrente no motor também será menor, com consequente diminuição da velocidade. Veja o leitor que se pudermos controlar a largura dos pulsos numa faixa de valores que vá de 1% a 99% por exemplo, teremos um excelente controle da velocidade do motor. Não podemos ter 0% ou 100% por motivos óbvios: ou paramos os pulsos com 0 V ou com 6V! O importante neste tipo de controle é que em toda a faixa de velocidades o motor recebe a tensão máxima e com isso o torque não se altera: mesmo com velocidades muito pequenas, a corrente pelo breve instante em que o pulso está presente é suficiente para tirá-lo da imobilidade mantendo o torque. Como controlamos a velocidade através da largura dos pulsos, ou seja variamos ou modulamos a largura dos pulsos, o processo de controle recebe o nome de modulação de largura de pulsos ou do inglês Pulse Width Modulation que abreviado, resulta na sigla PWM.
Na prática, o elemento usado para ligar e desligar a corrente pode ser uma chave (os contactos de um relê, por exemplo) ou ainda um componente semicondutor, como um transistor comum (bipolar), um transistor de efeito de campo (MOSFET de potência) ou um SCR (Diodo Controlado de Silício). Um oscilador é usado para determinar a velocidade do chaveamento, a qual é muito importante nesse tipo de controle, pois deve casar-se com as características do motor controlado e dos componentes usados no seu controle.



6.2 -Vantagens e Desvantagens
Conforme sabemos, os controles lineares têm várias desvantagens como, por exemplo, a de não se conseguir um controle preciso em baixas rotações com a manutenção do torque. Outra desvantagem está no fato de que o transistor ou outro elemento linear usado no controle faz as vezes do reostato e dissipa calor. Assim, quando o motor está na faixa média de rotações o elemento de controle dissipa quase tanta potência quanto ele, o que significa produção de calor e perdas que podem não ser interessantes em muitas aplicações.
No entanto, quando usamos um transistor ou outro semicondutor para ligar e desligar a corrente produzindo pulsos estes problemas não ocorrem de maneira acentuada. Quando o transistor está desligado e portanto a corrente é zero (entre os pulsos), não há dissipação de calor. Da mesma forma, quando o transistor liga e vai a saturação para conduzir a corrente máxima, sua resistência é praticamente zero e a potência que ele dissipa é quase nula.
Na prática, quando o transistor passa de um estado a outro, ou seja, liga e desliga temos uma variação da corrente que significa uma dissipação de certa potência, mas mesmo assim é ela é muitas vezes menor do que num circuito linear, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 – O transistor só dissipa potência nos intervalos em que muda de estado.

Em outras palavras, o rendimento de um circuito de controle de potência PWM é muito maior do que um equivalente linear. Podemos usar transistores de menor dissipação para controlar cargas muito maiores! A desvantagem dos controles PWM está na comutação rápida dos transistores que podem ligar e desligar milhares de vezes por segundo, dependendo do tipo de aplicação e que podem causar instabilidades no circuito. A transição rápida de estado destes componentes gera transientes e sinais de altas frequências que são responsáveis por interferências eletromagnéticas (EMI). Esta interferência pode afetar aparelhos que operem com sinais de rádio, que estejam nas proximidades, como mostra a figura 9.


Figura 9 – EMI é o ruído elétrico produzido por circuitos eletrônicos, capazes de interferir em equipamentos de rádio.

Para evitar estas interferências pode ser necessário empregar filtros ou outros recursos que evitem sua propagação. Este mesmo efeito pode também causar instabilidade em circuitos de controle do mesmo aparelho os quais devem ser providos de recursos para se tornar imunes a EMI.


Tipos de PWM
Na prática podemos ter dois tipos de controle PWM que são utilizados em condições diferentes e que o leitor que faz projetos de mecatrônica pode optar para seu projeto.

a) Controle PWM Anti-Fase
Neste tipo de controle o sinal aplicado ao motor oscila entre o positivo e o negativo, conforme mostra a figura 10.



Figura 10 – Num controle anti-fase temos aplicação de pulsos de polaridades opostas.

Assim, temos pulsos positivos e pulsos negativos aplicados ao motor alternadamente numa freqüência que pode variar entre poucos hertz a milhares de hertz dependendo do tipo de motor a ser controlado e de sua potência. Se a largura dos pulsos for igual ao espaçamento, ou seja, se os pulsos positivos tiverem a mesma duração que os pulsos negativos, a média de tensão aplicada ao motor é zero e ele permanece parado. Na prática, ele vai apenas oscilar na freqüência do sinal aplicado. No entanto, se aumentarmos a duração dos pulsos positivos diminuindo ao mesmo tempo a duração dos pulsos negativos, temos a predominância de tensões positivas aplicadas no motor e ele passa a girar no sentido que estes pulsos determinam, conforme mostra a figura 11.



Figura 11 – A relação entre as larguras dos pulsos determinam não só a velocidade como também o sentido de rotação.

Quanto maior for a largura dos pulsos positivos em relação aos negativos, maior será a tensão média positiva no motor e maior sua velocidade no sentido que ela determina.Da mesma forma, se a largura dos pulsos negativos for maior que a dos pulsos positivos, predomina a tensão negativa na média aplicada ao motor e ele passa a girar no sentido oposto. Tanto maior for a largura dos pulsos negativos em relação aos positivos, maior será a velocidade do motor neste sentido.
A figura 12 dá uma idéia do que ocorre.

Figura 12 – Pulsos negativos mais largos do que os positivos fazem o motor girar no sentido reverso.

Se bem que este tipo de circuito tenha a vantagem de possibilitar um controle de velocidade de um motor de corrente contínua em ambos os sentidos, ele tem uma desvantagem: quando o motor está parado ele recebe praticamente a potência máxima, continuando assim a dissipar energia convertendo-a em calor. Veja que a corrente continua circulando com intensidade máxima nos dois sentidos, mesmo estando o motor parado!
Da mesma forma, qualquer que seja a velocidade do motor num sentido ou no outro, a potência aplicada se mantém constante, pois na média, as larguras dos dois pulsos somada se mantém! Por estas características este tipo de controle só se aplica no controle de motores de potências muito baixas, onde não existem problemas de dissipação de calor tanto pelo motor como pelo próprio circuito de controle.

b) Controle Polaridade/Intensidade
Neste tipo de controle temos circuitos separados para a velocidade e para a polaridade que determina o sentido de rotação do motor.
Conforme mostra o diagrama de blocos da figura 12, temos um oscilador que gera o sinal retangular para o controle de velocidade e uma ponte H que determina o sentido de rotação do motor.


Figura 12 – Controle de velocidade PWM e sentido de rotação para um motor.

O oscilador pode ser um multivibrador astável de qualquer tipo e a ponte H pode ser de qualquer tipo comum. A vantagem deste circuito está no fato de que a potência aplicada ao motor, que é a potência que também o circuito absorve, depende da velocidade. Para menores velocidades, a potência diminui, não havendo o desperdício que ocorre nos controles lineares e anti-fase. A grande maioria dos controles práticos de velocidade/sentido PWM usa esta configuração.



Circuitos Práticos
Vamos analisar alguns circuitos práticos simples que podem ser usados como controles PWM em projetos diversos.

a) Transistorizado
A configuração básica de um controle PWM simples consiste num oscilador que gera um sinal retangular cujo ciclo ativo pode ser variado. O sinal desse oscilador é aplicado a uma etapa de potência para alimentar a carga. Por ciclo ativo entendemos a relação em porcentagem entre a duração do pulso e a duração completa do ciclo do sinal. Assim, se a duração do pulso é igual ao intervalos entre pulsos, temos um ciclo ativo de 50%. Um circuito prático para esta finalidade usando somente transistores é mostrado na figura 13.

Figura 13 – Circuito simples de um controle PWM totalmente transistorizado.

Este circuito é ideal para estudos em cursos técnicos ou outros casos pois permite entender bem a operação das diversas etapas com componentes discretos, pois não faz uso de circuitos integrados.

Temos então um multivibrador astável com dois transistores NPN onde a duração e o intervalo dos pulsos depende dos capacitores C1 e C2 e também dos resistores R1, R2 e do ajuste do potenciômetro P1. Assim, através do ajuste de P1 podemos modificar tanto a duração como o intervalo entre os pulsos gerados por este circuito. Neste tipo de circuito, os transistores conduzem alternadamente já que ele não possui um estado estável e a velocidade com que ocorre esta troca depende justamente dos componentes citados. Como este circuito não tem potência suficiente para alimentar o motor de corrente contínua, usamos uma etapa adicional de amplificação com dois transistores. No coletor do segundo transistor é então ligado o motor. Na figura 14 mostramos como montar este circuito de uma forma simples para experimentação usando uma ponte de terminais.


Figura 14 – Montagem do controle utilizando uma ponte de terminais como chassi para os componentes.

Uma técnica alternativa de melhor aparência e também confiabilidade é a que faz uso de uma matriz de contactos. Motores de 3 a 12 V com correntes de até 500 mA podem ser controlados com este circuito. Os capacitores usados devem ser experimentados na faixa indicada já que dependendo do motor, podem ocorrer vibrações em baixas rotações com valores mais baixos. O transistor de potência Q4 deve ser dotado de um pequeno radiador de calor. Este radiador consiste numa chapinha de metal dobrada em U que é presa ao corpo do componente por um pequeno parafuso com porca.


Lista de Material
Q1, Q2 -BC548 ou equivalentes -transistores NPN de uso geral
Q3 -BC558 ou equivalente -transistor PNP de uso geral
Q4 -TIP31 -transistor NNP de potência
D1 -1N4002 ou equivalente -diodo de silício
R1, R4 -1 k ohms x 1/8 W -resistores (marrom, preto, vermelho)
R2, R3 -2,2 k ohms x 1/8 W -resistores (vermelho, vermelho,
vermelho)
R5 -2,7 k ohms x 1/8 W -resistor (vermelho, violeta, vermelho)
R6 -47 ohms x 1/8 W -resistor (amarelo, violeta, preto)
C1, C2 -100 nF a 1 uF -capacitores cerâmicos ou poliéster (ver texto)
P1 -47 k ohms -potenciômetro
S1 -Interruptor simples
M1 -Motor de 3 a 6 V até 500 mA
B1 -3 a 12 V -pilhas ou bateria
Diversos: ponte de terminais, fios, solda, suporte de pilhas, etc.


b) Com o circuito integrado 555
O circuito integrado 555 permite a montagem de um excelente controle PWM para motores pequenos, como já descrevemos em artigos de nossa autoria, publicados em revistas técnicas. Nessa configuração motores de até 500 mA podem ser controlados com precisão, acionando dispositivos como elevadores, braços robóticos, etc. Na figura 15 temos um circuito em que o 555 funciona como um oscilador retangular cujo ciclo ativo pode ser ajustado em P1.

Figura 15 – Controle PWM simples utilizando o conhecido circuito integrado 555.

Neste circuito P1 atua sobre o tempo em que a saída vai ao nível baixo, ou seja, atua sobre a separação dos pulsos e não duração. Para termos a inversão do efeito, basta colocar no circuito um transistor PNP que conduza com os pulsos negativos. Desta forma, temos a inversão dos pulsos, conforme mostra a figura 16, obtendo-se os efeitos desejados.


Figura 16 – Controle com a inversão dos pulsos empregando um transistor PNP (BD136 ou TIP32).

Com este circuito é possível fazer com que um motor de corrente contínua de 3 a 12 V gire com velocidades que vão desde 2 ou 3 rotações por minuto até a velocidade máxima, praticamente sem perda de torque. A corrente máxima do motor deve ser limitada a 500 mA. O capacitor determina a faixa de frequências de controle e deve ser experimentado na faixa indicada, pois depende do tipo de motor usado. Com alguns motores podem ocorrer vibrações e não partida nas baixas rotações com os valores menores de capacitores. Uma forma de se reduzir a vibração do motor consiste em se ligar em paralelo com ele e o diodo um capacitor de 470 nF a 1 uF, valor que deve ser obtido experimentalmente. Também é possível aumentar R3 para 4,7 k ohms e trabalhar com um Darlington de potência como o TIP120 ou outro de maior corrente ou mesmo um MOSFET de potência.


Lista de Materiais
CI-1 -555 -circuito integrado
Q1 -BD136 ou equivalente -transistor PNP de média potência
D1 -1N4002 ou equivalente -diodo de silício
P1 -100 k ohms -potenciômetro
R1, R3 -1 k ohms x 1/8 W -resistores (marrom, preto, vermelho)
R2 -2,2 k ohms x 1/8 W -resistor (vermelho, vermelho, vermelho)
C1 -220 nF a 1 uF (560 nF ou 680 nF -recomendados para o LEGO) capacitor cerâmico ou poliéster
C2 -470 uF x 12 V -capacitor eletrolítico
B1 -6 V -4 pilhas (ver texto)
Diversos: placa de circuito impresso ou matriz de contacto, botão para o potenciômetro (opcional), suporte de pilhas, fios, solda, etc.



c) Com o LM350T
Um controle mais potente usando um circuito integrado que pode fornecer correntes de até 3 ampères é dado a seguir. Na figura 17 temos um controle PWM em que um circuito integrado 4093 é usado como oscilador retangular com ciclo ativo controlado pelo potenciômetro P1.


Figura 17 – Controle de potência PWM com o circuito integrado 4098 e o LM350 – Regulador linear de tensão.

Neste circuito, uma das quatro portas do 4093 é usada como oscilador e as três outras como um amplificador digital. Quando a saída do oscilador vai ao nível alto, as três portas invertem este sinal e o amplificam de modo que ele aparece no nível baixo na saída. Quando o nível da saída do oscilador é baixo, a tensão na saída dos três amplificadores vai ao valor máximo, igual ao da fonte. Este sinal, formado por níveis baixos (zero volts) e altos (tensão da fonte) é aplicado ao terminal de controle do circuito integrado LM350T que consiste num regulador de tensão para 3 ampères de corrente de saída. Quando o nível aplicado na sua entrada é baixo, na sua saída aparece uma tensão de 1,25 V que corresponde ao zener interno.
Quando o nível é alto a tensão na saída será a do zener mais a tensão aplicada que é fixada pelo trimpot P2. A tensão na saída do circuito oscila entre estes dois valores, conforme mostra a figura 18.


Figura 18 – Ajustes de P1 e P2 no circuito.


Em P2 pode-se ajustar a tensão dos pulsos aplicados ao motor conforme o seu tipo e de forma mais ou menos independente da tensão usada para alimentar o circuito. Na figura 19 temos a montagem deste controle numa placa de circuito impresso. Cuidado ao fazer o layout da placa por contra própria, pois o terminal de ajuste do LM350 não é o do meio. O terminal do meio é a saída da tensão deste circuito integrado.


Figura 19 – Placa de circuito impresso para o controle mostrado na figura 18.

O circuito integrado LM350T deve ser dotado de um radiador de calor.


Lista de Material:
CI-1 -4093 -circuito integrado CMOS
CI-2 -LM350T -circuito integrado regulador de tensão
D1, D2, D3 -1N4002 -diodos de silício
P1 -100 k ohms -potenciômetro
P2 -10 k ohms -trimpot
C1 -100 nF a 470 nF -capacitor cerâmico ou poliéster
C2 -1000 uF x 25 V -capacitor eletrolítico
C3 -100 uF x 16 V -capacitor eletrolítico
R1, R2 -1 k ohms x 1/8W -resistor (marrom, preto, vermelho)
M1 -Motor de 6 a 12 V até 3 ampères
Diversos: placa de circuito impresso, radiador de calor, fios, solda,
botão para o potenciômetro, etc.