Módulo gerador SPWM (sem usar microcontrolador): 14 etapas

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-13 06:58

Olá a todos, sejam bem vindos ao meu instrutível! Espero que todos estejam bem. Recentemente, me interessei em experimentar sinais PWM e me deparei com o conceito de SPWM (ou Sinusoidal Pulse Width Modulation), em que o ciclo de trabalho de um trem de pulsos é modulado por uma onda senoidal. Encontrei alguns resultados em que esse tipo de sinal SPWM pode ser facilmente criado usando um microcontrolador onde o ciclo de trabalho está sendo gerado usando uma tabela de pesquisa que contém os valores necessários para implementar a onda senoidal.

Eu queria gerar esse sinal SPWM sem microcontrolador e, portanto, usei amplificadores operacionais como o coração do sistema.

Vamos começar!

Suprimentos

1. LM324 Quad OpAmp IC
2. IC comparador duplo LM358
3. Base / soquete IC de 14 pinos
4. 10K resistores-2
5. 1K resistores-2
6. 4.7K resistores-2
7. 2.2K resistores-2
8. 2K resistor variável (predefinido) -2
9. 0,1uF capacitor de cerâmica-1
10. 0,01uF capacitor de cerâmica-1
11. Cabeçalho macho de 5 pinos
12. Veroboard ou perfboard
13. Pistola de cola quente
14. Equipamentos de solda

Etapa 1: Teoria: Explicação da Geração de Sinal para SPWM

Para gerar os sinais SPWM sem um microcontrolador, precisamos de duas ondas triangulares de frequências diferentes (mas de preferência uma deve ser o múltiplo da outra). Quando essas duas ondas triangulares são comparadas entre si usando um IC comparador, como o LM358, obtemos nosso sinal SPWM necessário. O comparador dá um sinal alto quando o sinal no terminal não inversor do OpAmp é maior do que o sinal no terminal inversor. Então, quando a onda triangular de alta frequência é alimentada no pino não inversor e a onda triangular de baixa frequência é alimentada no pino de inversão do comparador, obtemos várias instâncias em que o sinal no terminal não inversor muda de amplitude várias vezes antes do sinal no terminal inversor. Isso permite uma condição em que a saída OpAmp é um trem de pulsos cujo ciclo de trabalho é governado por como as duas ondas estão interagindo.

Etapa 2: Diagrama de Circuito: Explicação e Teoria

Este é o diagrama de circuito de todo o projeto SPWM que consiste em dois geradores de forma de onda e um comparador.

Uma onda triangular pode ser criada usando 2 amplificadores operacionais e, portanto, um total de 4 OpApms será necessário para as duas ondas. Para este propósito, usei o pacote LM324 quad OpAmp.

Vamos ver como as ondas triangulares são realmente geradas.

Inicialmente, o primeiro OpAmp atua como um integrador cujo pino não inversor está vinculado a um potencial de (Vcc / 2) ou metade da tensão de alimentação usando uma rede divisora de tensão de 2 resistores de 10kiloOhm. Estou usando 5 V como fonte de alimentação, então o pino não inversor tem um potencial de 2,5 volts. Uma conexão virtual do pino inversor e não inversor também nos permite assumir o potencial de 2,5 V no pino inversor que carrega lentamente o capacitor. Assim que o capacitor é carregado com 75 por cento da tensão de alimentação, a saída do outro amplificador operacional que está configurado como um comparador muda de baixa para alta. Isso, por sua vez, começa a descarregar o capacitor (ou se desintegra) e assim que a tensão no capacitor cai abaixo de 25 por cento da tensão de alimentação, a saída do comparador é reduzida novamente, o que novamente começa a carregar o capacitor. Este ciclo começa novamente e temos um trem de ondas triangular. A frequência da onda triangular é determinada pelo valor dos resistores e capacitores usados. Você pode consultar a imagem nesta etapa para obter a fórmula para o cálculo da frequência.

Ok, então a parte teórica está feita. Vamos começar a construir!

Etapa 3: reunindo todas as peças necessárias

As imagens mostram todas as peças necessárias para fazer o módulo SPWM. Montei os ICs na respectiva base de IC para que possam ser facilmente substituídos, se necessário. Você também pode adicionar um capacitor de 0,01uF na saída das ondas triangulares e SPWM para evitar quaisquer flutuações de sinal e manter o padrão SPWM estável.

Cortei o pedaço de veroboard necessário para encaixar os componentes corretamente.

Etapa 4: Fazendo o circuito de teste

Agora, antes de começarmos a soldar as peças, é necessário que tenhamos certeza de que nosso circuito funciona como desejado e, portanto, é essencial testarmos nosso circuito na placa de ensaio e fazer alterações se necessário. A imagem acima mostra o protótipo do meu circuito na placa de ensaio.

Etapa 5: Observando os sinais de saída

Para ter certeza de que nossa forma de onda de saída está correta, torna-se essencial usar um osciloscópio para visualizar os dados. Como não tenho um DSO profissional ou qualquer tipo de osciloscópio, comprei este osciloscópio barato - DSO138 da Banggood. Ele funciona muito bem para análise de sinal de baixa a média frequência. Para nossa aplicação estaremos gerando ondas triangulares de frequências 1KHz e 10KHz que podem ser facilmente visualizadas neste osciloscópio. Claro que você pode obter informações de sinais muito mais confiáveis em um osciloscópio profissional, mas para uma análise rápida, este modelo funciona perfeitamente!

Etapa 6: Observando os sinais triangulares

As imagens acima mostram as duas ondas triangulares geradas a partir dos dois circuitos de geração de sinal.

Etapa 7: Observando o sinal SPWM

Depois de gerar e observar com sucesso as ondas triangulares, agora temos uma olhada na forma de onda SPWM que é gerada na saída do comparador. Ajustar a base de ligação do osciloscópio nos permite analisar os sinais adequadamente.

Etapa 8: Soldar as peças no Perfboard

Agora que testamos e testamos nosso circuito, finalmente começamos a soldar os componentes no veroboard para torná-lo mais permanente. Soldamos a base do IC junto com os resistores, capacitores e resistores variáveis de acordo com o esquema. É importante que a colocação dos componentes seja tal que tenhamos que usar fios mínimos e a maioria das conexões possam ser feitas por traços de solda.

Etapa 9: Concluindo o processo de soldagem

Após cerca de 1 hora de soldagem eu estava completo com todas as conexões e é assim que o módulo finalmente se parece. É bastante pequeno e compacto.

Etapa 10: adicionar cola quente para evitar shorts

Para minimizar qualquer curto-circuito ou contato metálico acidental no lado da solda decidi protegê-lo com uma camada de cola quente. Ele mantém as conexões intactas e isoladas de contato acidental. Pode-se até usar fita isolante para fazer o mesmo.

Etapa 11: Pinagem do módulo

A imagem acima mostra a pinagem do módulo que fiz. Eu tenho um total de 5 pinos principais dos quais dois são para fonte de alimentação (Vcc e Gnd), um pino é para observar a onda triangular rápida, o outro pino é para observar a onda triangular lenta e finalmente o último pino é o SPWM saída. Os pinos de onda triangulares são importantes se quisermos ajustar a frequência da onda.

Etapa 12: Ajustar a frequência dos sinais

Os potenciômetros são usados para ajustar a frequência de cada sinal de onda triangular. Isso se deve ao fato de que nem todos os componentes são ideais e, portanto, o valor teórico e prático podem ser diferentes. Isso pode ser compensado ajustando os presets e observando a saída do osciloscópio.

Etapa 13: Arquivo esquemático

Anexei o layout esquemático para este projeto. Sinta-se à vontade para modificá-lo de acordo com suas necessidades.

Espero que goste deste tutorial.

Por favor, compartilhe seus feedbacks, sugestões e dúvidas nos comentários abaixo.

Até a próxima vez:)