1 CONTROLE PULSE WIDTH MODULATION (PWM) Rodrigo Gomes 1 [email protected]Orientador Profº Edson Detregiachi Filho² [email protected]Abstract – Technology Pulse Width Modulation (PWM) is widely used in industry and automation and mechatronics system. In the context of innovation, exploring the concept of producing something that already exists, but in an innovative way, the technology can be used in order to reduce project costs. The specific objective is to develop a prototype of a switching power supply using the PWM technology with reduced costs. The methodology used in the development is the experimental research by means of a prototype to verify the feasibility of the project. This study is relevant because it contributes to the reduction of manufacturing cost, by applying the technology providing greater competitiveness for companies of national production chain. Keywords: PWM; Modulation Resumo - A tecnologia Pulse Width Modulation (PWM) é largamente utilizada na indústria e no sistema de automação e mecatrônica. No contexto da inovação, explorando o conceito de produzir algo já existente, porém de uma maneira inovadora, a tecnologia pode ser utilizada visando a redução dos custos dos projetos. O objetivo específico e desenvolver um protótipo de uma fonte chaveada utilizando a tecnologia PWM com redução dos custos. A metodologia utilizada, no desenvolvimento é a pesquisa experimental, por meio de um protótipo para verificar a viabilidade do projeto. Este trabalho é relevante, pois contribui com a redução de custo industrial, mediante a aplicação da tecnologia proporcionando uma maior competitividade para as empresas da cadeia produtiva nacional. Palavras-chave: PWM; Modulação. 1 INTRODUÇÃO Os avanços ocorridos com o advento da ciência e das tecnologias proporcionaram inovações no contexto das ideias e das invenções. De acordo com o Manual de Oslo (2007), inovação é um conceito ligado à geração de valor ao 1 Aluno da Faculdade de Tecnologia de Garça-SP ² Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça-SP
Abstract – Technology Pulse Width Modulation (PWM) is widely used in industry and automation and mechatronics system. In the context of innovation, exploring the concept of producing something that already exists, but in an innovative way, the technology can be used in order to reduce project costs. The specific objective is to develop a prototype of a switching power supply using the PWM technology with reduced costs. The methodology used in the development is the experimental research by means of a prototype to verify the feasibility of the project. This study is relevant because it contributes to the reduction of manufacturing cost, by applying the technology providing greater competitiveness for companies of national production chain. Keywords: PWM; Modulation Resumo - A tecnologia Pulse Width Modulation (PWM) é largamente utilizada na indústria e no sistema de automação e mecatrônica. No contexto da inovação, explorando o conceito de produzir algo já existente, porém de uma maneira inovadora, a tecnologia pode ser utilizada visando a redução dos custos dos projetos. O objetivo específico e desenvolver um protótipo de uma fonte chaveada utilizando a tecnologia PWM com redução dos custos. A metodologia utilizada, no desenvolvimento é a pesquisa experimental, por meio de um protótipo para verificar a viabilidade do projeto. Este trabalho é relevante, pois contribui com a redução de custo industrial, mediante a aplicação da tecnologia proporcionando uma maior competitividade para as empresas da cadeia produtiva nacional.
Palavras-chave: PWM; Modulação.
1 INTRODUÇÃO
Os avanços ocorridos com o advento da ciência e das tecnologias
proporcionaram inovações no contexto das ideias e das invenções. De acordo com o
Manual de Oslo (2007), inovação é um conceito ligado à geração de valor ao
1 Aluno da Faculdade de Tecnologia de Garça-SP
² Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça-SP
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ambiente. O tamanho da inovação está diretamente relacionado com o tamanho do
impacto desta mudança.
Inovações de produto e de processo são conceitos para empresas de alguns
países e foram incluídos em algumas pesquisas sobre inovação, embora suas
definições não estejam geralmente tão bem estabelecidas como as de inovação de
produto e de processo.
Algumas atividades de inovação podem ser consideradas novas, outras não,
mas são necessárias para a implementação de inovações. As atividades de
inovação também se inserem a P&D que não estão diretamente relacionadas ao
desenvolvimento de uma inovação específica. Uma inovação de produto é a
introdução de um bem ou serviço novo ou significativamente melhorado que
conservem as suas características ou usos previstos. Incluem-se melhoramentos
significativos em especificações técnicas, componentes e materiais, softwares
incorporados, facilidade de uso ou outras características funcionais. O
desenvolvimento de um novo uso para um produto, com apenas, pequenas
modificações para suas especificações técnicas, é uma inovação de produto.
1.1 Competitividade no Mercado
Para Thompson, Arthur e Strickland (2000), existem muitas fontes de
vantagens competitivas: produto de melhor qualidade na visão do cliente; ser capaz
de proporcionar serviço superior ao cliente; obter custos mais baixos do que os
concorrentes; estar em uma localização geográfica mais conveniente; tecnologia
patenteada; característica e estilos mais atraentes para o comprador; menor tempo
de desenvolvimento e teste de novos produtos; nome de marca bem conhecido e
proporcionar aos compradores um valor maior pelo dinheiro (combinação de boa
qualidade, bom serviço e preço aceitável). Entretanto a competitividade na visão do
cliente, o produto deve ter um menor custo do que o apresentado, e pagar menos
mantendo a qualidade, ou ainda pagar um pouco mais para o que apresente uma
melhor qualidade.
A estratégia competitiva de uma empresa pode ser constituída por
abordagens de negócios e iniciativas que ela executa para atrair os clientes,
suportar as pressões competitivas e reforçar sua posição no mercado, objetivando.
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superar rivais, conquistar vantagens competitivas no mercado e cultivar clientela
leal.
Para os autores Thompson, Arthur e Strickland (2000), existem cinco
categorias importantes:
• Estratégia de Liderança de Custo Baixo empenhar-se para o detentor
de baixo custo geral de um produto ou serviço atraente para uma
grande faixa de clientes.
• Estratégia de Grande Diferenciação – procura diferenciar o produto da
empresa em relação ao mesmo produto oferecido por rivais de maneira
a atrair um grande faixa de compradores.
• Estratégia de Fornecedor de Melhor Custo – oferece aos clientes mais
valor pelo dinheiro, combinado a ênfase de custo baixo, a meta é obter
os melhores (mais baixos) custos e preços em relação aos produtores
de produtos comparáveis.
• Estratégia de Nicho de Mercado Baseado em Custos Menores –
concentrar em um segmento mais estreito de comparadores e superar
a concorrência dos rivais na base de menor custo para servir os
membros do nicho.
• Estratégia de Nicho Baseado na diferenciação – Oferecer aos
membros do nicho um produto ou serviço personalizado de acorda com
seus gostos e suas necessidades.
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA
Para Braga (2014), 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. A potência aplicada depende
do ciclo ativo de um sinal aplicado a uma carga. Na eletrônica atual, a minimização
das perdas do circuito proporciona um circuito com melhor rendimento, diminuindo
dissipadores e perda com energia. Circuito com melhores rendimentos proporciona
controles mais estáveis e aquecimentos menores.
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Em aplicações para potências altas, os circuitos eletrônicos com melhores
rendimentos devem ser aplicados, para que não haja perdas desnecessárias de
energia.
PWM é a abreviação de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de
Pulso. Para que possa entender como funciona a largura de pulso, imagine-se que
uma chave que abre muito e fecha muito rápido controla a carga abre e fecha várias
vezes por segundo, como pode ser verificado na Figura 01.
Figura 1: Demonstração do chaveamento Fonte: Site newtoncbraga (2014)
Quando o interruptor está aberto não há corrente na carga e a potência
aplicada é nula. No instante em que o interruptor é fechado, a carga recebe a tensão
da fonte e a potência aplicada é máxima.
Para que possa obter uma potência intermediária, digamos 50%, aplica à
carga, fazendo assim que a chave seja aberta e fechada rapidamente de modo a
ficar 50% de tempo aberta e 50% fechada. Isso significa que em média, teremos
metade do tempo com corrente e outra metade sem corrente como pode ser
verificado na Figura 2.
Figura 2: Funcionamento PWM Fonte: Site newtoncbraga (2014)
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A potência média, portanto, a própria tensão média aplicada à carga é neste
caso 50% da tensão de entrada. O interruptor fechado pode definir uma largura de
pulso pelo tempo em que ele fica nesta condição, em um intervalo entre pulsos pelo
tempo em que fica aberto. Os dois tempos juntos definem o período e, portanto uma
frequência de controle.
A relação entre o tempo em que temos pulso e a duração de um ciclo
completo de operação do interruptor nos define ainda ciclo ativo como de mostrado
na Figura 3 e exemplificado por Braga.
Figura 3: Cálculo ciclo ativo Fonte: Site newtoncbraga
Variando-se a largura de pulso e também o intervalo de modo a termos ciclos
ativos diferentes, podemos controlar a potência média aplicada a uma carga. Assim
quando a largura do pulso varia de zero até o máximo, a potência também varia na
mesmo proporção como verificado na Figura 4.
Figura 4: Potência carga aplicada Fonte: Site newtoncbraga (2014)
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Este princípio é usado justamente no controle PWM: Modula (varia) a largura
de pulso de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga, com isso, a
potência aplicada a ela.
2.1 Tipo de PWM
Simples magnitude PWM - O sinal aplicado à carga determina simplesmente a
potência que ela deve receber, pela largura do pulso, verificar a Figura 5.
Figura 5 – Funcionamento largura de pulso Fonte: Site newtoncbraga (2014)
Locked anti-phase PWM - Onde incluir na modulação do sinal informações
sobre a potência aplicada à carga e o sentido da corrente que deve circular por ela.
Este tipo de controle, em especial, é interessante quando se trata de motores
elétricos onde o sentido da corrente determina o sentido da rotação ou do torque.
2.2 Vantagens
Na operação de um controle por PWM existem diversas vantagens a serem
consideradas, e alguns pontos para os quais o projetista deve ficar atento para não
jogar fora estas vantagens.
Na condição de aberto, nenhuma corrente circula pelo dispositivo de controle e,
portanto, sua dissipação é nula. Na condição de fechado, teoricamente, ele
apresenta uma resistência nula, a queda de tensão é nula, e ele não dissipa também
nenhuma potência. Isso significa que, na teoria, os controles PWM não dissipam
potência alguma e, portanto, consistem em soluções ideais para este tipo de
aplicação. Na prática, entretanto, isso não ocorre, como verificado na Figura 6.
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Figura 6 – Tempo de subida e tempo de descida Fonte: Site newtoncbraga (2014)
Neste intervalo de tempo a queda de tensão e a corrente através do
dispositivo não são nulas, e uma boa quantidade de calor poderá a ser gerada a
carga controlada. Dependendo da frequência de controle e da resposta do
dispositivo usado, uma boa quantidade de calor ser gerada neste processo de
comutação.
Entretanto, mesmo com este problema, a potência gerada em um controle
PWM, ainda é muito menor do que um circuito de controle linear equivalente.
3 METODOLOGIA
A tecnologia Pulse Width Modulation (PWM) é largamente utilizada na
indústria e no sistema de automação e mecatrônica. No contexto da inovação,
explorando o conceito de produzir algo já existente, porém de uma maneira
inovadora, a tecnologia pode ser utilizada visando a redução dos custos dos
projetos. O objetivo específico e desenvolver um protótipo de uma fonte chaveada
utilizando a tecnologia PWM com redução dos custos.
A metodologia utilizada, no desenvolvimento é a pesquisa experimental, por
meio de um protótipo para verificar a viabilidade do projeto. Este trabalho é
relevante, pois contribui com a redução de custo industrial, mediante a aplicação da
tecnologia proporcionando uma maior competitividade para as empresas da cadeia
produtiva nacional.
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4 MODELOS DE DRIVER PARA FONTES CHAVEADAS
Os drivers são componentes responsáveis por fazer o controle do PWM das
fontes e também pode ser encontrado em outros circuitos eletrônicos, são
responsáveis por controlar o sistema de chaveamento (mosfet) nas fontes e algumas
funções específicas como circuito de proteções. Verificando os modelos existentes
no mercado e realizando análise de circuitos embarcados em fontes produzidas,
foram verificados os seguintes modelos de driver para a topoligia flyback, em fontes
chaveadas de baixo custo, exemplo na da topologia na Figura 7.
Figura 7 - Topologia flyback Fonte: Datasheet L6566bh site ST (2014)
Foram verificados os principais drivers atuais utilizados em fontes de baixo
I – Os valores foram obtidos através de orçamentos de distribuidores de componentes
eletrônicos, pode ser verificado os distribuidores consultados no apêndice A.
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6 MONTAGEM DO PROTÓTIPO
Realizado a confecção da placa eletrônica e a montagem dos componentes
eletrônicos na placa de fenolite, como verificado na Figura 9.
Figura 9: Placa do protótipo montada Fonte: Autor (2014)
7 TESTE DE PROTÓTIPO
7.1 Características Elétricas
Utilizando o multímetro para realizar as medições de tensão e corrente, foram
realizados os seguintes procedimentos:
Medição da tensão de entrada – Colocando as pontas dos multímetros
conectadas em paralelo com a tensão de alimentação, foram verificadas as tensões
obtidas, assim garantindo o funcionamento correto do protótipo.
Medição da corrente de saída – Colocando as pontas do multímetro em série
com a carga aplicada, pode ser verificada a corrente de 4,21A constante na saída do
protótipo. Como verificado na foto abaixo, foi colocado uma ventoinha no sentido da
carga linear para que assim com o aquecimento das resistências, o seu valor não se
altere prejudicando o teste, verificado na Figura 10.
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Figura 10: Medição da tensão de entrada e corrente de saída do protótipo Fonte: Autor (2014)
7.2 Ensaio de Temperatura
Após o protótipo apresentar o desempenho esperado como o projetado, o
protótipo da fonte foi submetido ao ensaio de temperatura, os principais
componentes para aplicação em fontes chaveadas e com topologia flyback foram
ensaiados.
Procedimento do teste de temperatura (ambiente de 25°): A tensão de
entrada foi ajustada com o auxílio do variac para 127 Vac para que sua corrente de
entrada seja simulada, assim efetuando o teste de temperatura no mosfet
(STF8N80K5 ST). Foi conectada ao componente a ponta de temperatura com pasta
térmica, garantindo a troca ideal de calor entre o componente e a ponta de
temperatura. Com o termômetro foi medido a temperatura máxima após a sua
estabilização de 3 horas, temperatura obtida de 52°.
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Figura 11: Ensaio de temperatura dos principais componentes Fonte: Autor (2014)
Após ser realizado o teste de temperatura no mosfet e ser verificado que a
temperatura medida esta segura (48°) para que o protótipo seja submetido por mais
tempo ligado, foi efetuado o teste de temperatura no diodo de saída, STPS30NM100
(52,8°), deixando o protótipo ligado com 127 Vac em sua alimentação de entrada e
com carga linear de 2.85Ω, garantindo 50,5W de potência em sua saída.
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8 CONCLUSÃO
O custo do protótipo foi relacionado levando em conta os componentes
envolvidos na sua aplicação. As despesas variáveis e fixas para comercialização
devem ser levadas em conta para produtos denominados "produtos de baixo custo",
onde terão uma grande importância no preço final do produto.
O custo total da aplicação deste protótipo apresentado ficou R$5,01 e sua
estimativa de venda R$15,03. A esta estimativa de venda deste protótipo foi obtida
através de análise de custo verificada por empresa do seguimento eletroeletrônico,
garantindo que sua fabricação é aceitável, já que os preços obtidos em pesquisas de
concorrentes ficaram entre R$32,00 a R$44,00.
Em virtude dos dados apresentados, foi verificada que o protótipo é uma fonte
de alimentação segura e instável a nível técnico e com preço competitivo para
comercialização, mantendo assim maior competitividade no mercado.
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9 BIBLIOGRAFIA
Pulse Width Modulation Power Supplies / Autor - V. Quercioli Editora - Elservier Science.(1998). Manual do Oslo; Capitalismo e Socialismo e democracia – Joseph Alois Schumpeter.(2007). Planejamento estratégico: elaboração, implementação e execução. São Paulo: Pioneira, (2000). THOMPSON Jr., Arthur, STRICKLAND III, A.J. Competitividade no mercado: Revista REMADE http://www.remade.com.br/br/revistadamadeira_materia.php?num=1175&subje ct=Competitividade&title=Estrat%E9gias%20competitivas%20para%20ganhar%20mercado%3Cb%3E%3C/b%3E (2014). Instituto Newton C. Braga: http://www.newtoncbraga.com.br/ (2014). Preço de venda de produto://www.sebraesp.com.br/index.php/45-noticias/financas/7822-saiba-calcular-o-preco-de-venda-do-seu-produto (2014).
