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Calculadora de Ciclo de Trabajo PWM

Calcula el ciclo de trabajo, frecuencia y tensión promedio de señales PWM.

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Fórmula

D=ton/T×100D = t_on / T × 100%, V_avg = V_cc × D, V_rms = V_cc × √D
D— Ciclo de trabajo (%)
t_on— A tiempo (μs)
T— Período (μs)
V_cc— Tensión de alimentación (V)
V_avg— Tensión media (V)
V_rms— Tensión RMS (V)

Cómo Funciona

La calculadora de ciclo de trabajo PWM determina el porcentaje de puntualidad, el voltaje promedio y la entrega de energía para las señales moduladas por ancho de pulso, algo esencial para el control de la velocidad del motor, la atenuación de los LED y los convertidores de potencia de conmutación. Los desarrolladores de sistemas integrados, los ingenieros de control de motores y los diseñadores de electrónica de potencia utilizan esta herramienta para configurar los periféricos de los temporizadores y optimizar los circuitos de accionamiento. Según la nota de aplicación SPRAA88 de TI, el PWM logra un control de potencia prácticamente sin pérdidas al encender/apagar por completo en lugar de la regulación lineal: un motor con un ciclo de trabajo del 50% disipa menos del 2% de la energía en el MOSFET, frente al 50% en un regulador lineal. La relación fundamental Vavg = Vpp × D (donde D = ton/t) proporciona la tensión media según la inercia mecánica o térmica de la carga. Según el Microchip AN964, la frecuencia PWM debe superar la constante de tiempo de carga 10 veces como mínimo: la constante de tiempo mecánica del motor = J×R/K² (normalmente de 10 a 100 ms) requiere fsw > 1 kHz, mientras que la constante de tiempo térmica del LED (~100 ms) permite una atenuación sin parpadeos de más de 100 Hz. La resolución depende del reloj y el período del temporizador: un temporizador de 8 bits proporciona 256 pasos (resolución del 0,4%), mientras que los temporizadores de 16 bits alcanzan 65.536 pasos (resolución < 0,002%).

Ejemplo Resuelto

Diseñe el control de velocidad del motor PWM para un motor de 12 V DC con una velocidad nominal de 500 RPM. Requisitos: rango de velocidad del 10 al 100%, ondulación de velocidad inferior al 5%, ruido audible mínimo. Paso 1: Calcular la frecuencia objetivo: constante de tiempo del motor τ= 50 ms (de la hoja de datos J, R, K). Para < 5% ripple: fsw > 3/ (0,05 ×) = 1,2 kHz. Para un funcionamiento inaudible: fsw > 20 kHz (por encima del oído humano). Seleccione 25 kHz. Paso 2: Determinar la configuración del temporizador: usar el STM32 a 72 MHz: período = 72 M/25 000 = 2880 cuentas. Resolución = 1/2880 = 0,035% (excelente). Paso 3: Calcule el ciclo de trabajo para una velocidad del 50%. Suponiendo una relación lineal entre velocidades en V: D = 50% para 250 RPM. Vavg = 12 × 0,5 = 6 V. Paso 4: Verificar el MOSFET térmico: a 25 kHz con un tiempo de conmutación de 20 ns, Qg = 30 nC: Psw = 30 n × 12 × 25 k = 9 mW. Pcond a 5 A, 10 mΩ: 0,25 W. Total: 0,26 W: no se requiere ningún disipador térmico para el paquete SOT-23. Paso 5: Añadir amortiguador: la inductancia del motor provoca un pico en V = L × di/dt. Con una desconexión de 100 µH y 5 A en 50 ns: pico en V = 10 V. Total = 22 V, muy por debajo de la clasificación MOSFET de 30 V.

Consejos Prácticos

  • ✓Según la nota de la aplicación de control de motores de Infineon, utilice un PWM alineado al centro para reducir la EMI: la conmutación simétrica crea una frecuencia de conmutación efectiva el doble con la mitad de la ondulación actual en comparación con la alineación de los bordes
  • ✓Implemente una rampa de arranque suave (de 100 a 500 ms) para evitar choques mecánicos y corrientes de entrada; aumente linealmente el ciclo de trabajo del 0% al objetivo durante 10 a 50 ciclos de PWM
  • ✓Agregue un filtro de paso bajo RC (fc = fsw/100) después del PWM para aplicaciones de salida de voltaje analógicas: el PWM de 25 kHz con un filtro de 2,5 kHz y un condensador de 10 µF crea un voltaje DC de ondulación inferior al 1%

Errores Comunes

  • ✗Uso de la frecuencia PWM por debajo del ancho de banda de carga: un PWM de 100 Hz en un motor con una constante de tiempo de 20 ms provoca una variación de velocidad del 15 al 20% por ciclo; aumenta a más de 1 kHz para un funcionamiento sin problemas
  • ✗Ignorar la banda muerta en ciclos de trabajo bajos: el retraso de propagación del controlador de compuerta (10 a 50 ns) establece el tiempo de activación mínimo efectivo; con un PWM de 1 MHz, 50 ns como mínimo de tiempo de activación limita la resolución al 5% del ciclo de trabajo mínimo
  • ✗<500 Hz or >Selección de la frecuencia PWM audible (500 Hz - 15 kHz) para los accionamientos de motor: el ruido acústico electromagnético de los devanados del motor produce molestos zumbidos; utilice 18 kHz

Preguntas Frecuentes

Según las convenciones de motor y controlador LED: del 0 al 100% en teoría es posible, pero del 5 al 95% es práctico debido a las limitaciones del controlador. Con un D < 5%, predominan las restricciones mínimas de puntualidad. Con un D 95%, la recarga del condensador de arranque falla en los controladores de alta potencia. Los controladores LED (TI TPS92515) especifican un rango de atenuación del 1 al 100% con un modo dedicado de bajo brillo inferior al 1%. Los accionamientos de motor suelen tener un límite del 10 al 90% para evitar que se detengan y garantizar una conmutación fiable.
Potencia promedio Pag = Ppeak × D para cargas resistivas. Para cargas inductivas (motores): la relación de potencia no es lineal debido a la contraEMF. Con un ciclo de trabajo del 50%, un motor de 12 V/1 A consume aproximadamente 0,6 A en promedio (no 0,5 A) debido al modo de corriente continua en la inductancia. Según la hoja de datos del TI DRV8870, la alimentación real es Pag = (Vbus - Vbemf) × Iavg × D + Vbemf × Iavg.
Sí, el PWM combinado con el filtrado de paso bajo crea una salida pseudoanalógica. Según el MT-015 de Analog Devices, un PWM de N bits con un filtro fc = fsw/2^n logra una resolución analógica de N bits. Ejemplo: un PWM de 16 bits a 100 kHz con un filtro de 1,5 Hz crea un DAC de 16 bits (una resolución del 0,0015%). Limitaciones: el tiempo de respuesta es inversamente proporcional a la resolución y el nivel mínimo de ruido establecido según la tolerancia de los componentes del filtro.
Según IEEE 1789 (estándar de seguridad de parpadeo): más de 3 kHz eliminan el parpadeo visible en cualquier ciclo de trabajo, más de 100 Hz son aceptables para un ciclo de trabajo de más del 10%. El umbral de detección del ojo humano varía en función del brillo: con un ciclo de trabajo del 1%, el parpadeo es visible hasta 2 kHz. La iluminación de vídeo profesional requiere más de 25 kHz para evitar que se produzcan efectos de obturación enrollable. Los controladores LED estándar (TI TPS92200) funcionan entre 200 y 1000 Hz con algoritmos patentados de reducción del parpadeo.
Resolución = 1/2^N para temporizador de N bits. Según la nota de aplicación AN4013 de STM32:8 bits = 0,39% de pasos (256 niveles), 10 bits = 0,1% de pasos (1024 niveles), 16 bits = 0,0015% de pasos (65536 niveles). Para controlar la velocidad del motor, bastan entre 8 y 10 bits (precisión de velocidad del 1%). Para una atenuación LED de precisión (relación de 1000:1), se requieren más de 10 bits. Para DAC de audio, 16 bits como mínimo. Una resolución más alta requiere un período de temporizador más largo o un reloj más rápido: 16 bits a 20 kHz necesitan un ajuste de reloj o preescalador de 1,3 GHz.

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