Etapa de potencia PWM (Pulse Width Modulation)

PWM es el acrónimo de "Pulse Width Modulation"; "Modulación de impulsos en anchura" expresión que se refiere un modo especial de modulación. Esta técnica se utilizaba inicialmente, casi exclusivamente para el control de potencia y velocidad de motores de corriente continua, pero con el tiempo se ha ido ampliando el campo de aplicación, por ejemplo ha permitido construir dispositivos mucho más eficientes, más compactos y más ligeros. Actualmente, donde más se utiliza el PWM en las actuales fuentes de alimentación conmutadas.

Muchas veces, cuando se trabaja con microcontroladores, estos no son capaces de ceder la potencia que necesitamos para mover motores, o controlar la luminosidad de una bombilla, por lo que necesitamos una etapa de potencia. Al trabajar con PWM, la etapa tiene que ser muy rápida, y el componente que puede limitar esa velocidad es el transistor, es por ello que utilizo el IRF830, un MOSFET de alta velocidad.

Con esta etapa de potencia que vamos a implementar se podrá dar una alimentación de hasta 4.5 Amperios.

El circuito está compuesto por un MOSFET IRF830, dos diodos de potencia BY255, un condensador de 220nF, dos resistencias de 10 Ὠ y 100 K Ὠ.

La parte de acondicionamiento de la señal PWM para la entrada del transistor es muy simple, la resistencia de 10 Ὠ se utiliza para ganar impedancia en la entrada de la etapa,  la otra resistencia debe ser mucho más grande que la primera para no tener una caída de tensión pronunciada por R3 en la señal en la primera resistencia. Se sitúa entre masa y la entrada del MOSFET para generar la diferencia de tensión que alimentará el “gate”.
 
Para explicar la otra parte del circuito hay que mencionar un efecto que aparece en las bobinas (ej. motores). La fuerza contraelectromotriz, la cual se opone al paso de corriente. Es parecido a la inercia en los sistemas mecánicos. Cuando queremos iniciar el avance con una bici nos cuesta, pero después no se nota que vamos en bici, y cuando queremos para, no nos vale con dejar de dar pedalas, sino que debemos frenar por la inercia. En la electricidad pasa algo parecido, pero en forma de corriente electricidad. Además, en motores este efecto se incrementa, ya que cuando un motor deja de recibir energía sigue girando por la inercia mecánica y se convierte en un generador de electricidad, aumentando el pico de energía producido. Para reducir este pico de energía y proteger al transistor se utiliza el condensador y los diodos.

Cuando conduce el transistor, la entrada motorB1 está en VCC y motorB2 está en masa, cuando no conduce el transistor la entrada motorB1 sigue estando en Vcc y motorB2 cambia a Vcc, con lo cual la diferencia de potencial entre las dos entradas es cero, haciendo que no trabaje el motor.

El diodo D3 hace que la entrada motorB1 nunca esté en masa, e impide la salida de tensión contraelectromotriz positiva generada por el motor hacia el MOSFET. El diodo D4 tiene la función de proteger al transistor de esta tensión. El condensador se utilizar para mitigar los picos de tensión.
   

En las siguientes simulaciones (usando OrCAD) tenemos en la gráfica de la izquierda, donde el color rojo es la entrada a la etapa de potencia y en verde la salida de la etapa. En la gráfica de la derecha; en color rojo, también, la entrada a la etapa de potencia y en verde la tensión en el condensador.