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Díaz, Morales, Buitrago, Perdomo y Tolosa / J. Comput. Electron. Sci.: Theory Appl., vol. 1 no. 1 pp. 31-35. Enero - Diciembre, 2020

Simulación de modulación por ancho de pulso usando Tinkercard

Simulation of pulse width modulation using Tinkercard

DOI: https://doi.org/10.17981/cesta.01.01.2020.03

Artículo de investigación científica. Fecha de recepción: 30/10/2020 Fecha de aceptación: 03/11/2020

Andres M. Díaz

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá, D.C. (Colombia)

Angie L. Morales

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá, D.C. (Colombia)

Jazmin V. Buitrago

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá, D.C. (Colombia)

Victor H. Perdomo

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá, D.C. (Colombia)

Santiago A. Tolosa

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá, D.C. (Colombia)

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Para citar este artículo:

A. Díaz, A. Morales, J. Buitrago, V. Perdomo & S. Tolosa, “Simulación de modulación por ancho de pulso usando Tinkercard”, J. Comput. Electron. Sci.: Theory Appl., vol. 1, no. 1, pp. 31–35, 2020. https://doi.org/10.17981/cesta.01.01.2020.03

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Resumen— Este trabajo tiene como finalidad usar la plataforma Tinkercard para comprender los conceptos de la señal PWM (modulación por ancho de pulso). Dicha plataforma nos permite crear una simulación don se pueda observar fácilmente términos como el DutyCycle (ciclo de trabajo), el periodo de la señal, la frecuencia de la señal, el tiempo de encendido de la señal, el tiempo de apagado de la señal, entro otras terminologías que se deben tener en cuenta al hacer uso de esta modulación por ancho de pulso. La ventaja más importante del uso de tinkercard es su facilidad de uso y su accesibilidad ya que es gratuita y muy intuitiva, así cualquier persona puede usarla sin previo conocimiento sobre ella.

Palabras clave— PWM; Tinkercard; DutyCycle; periodo; frecuencia; modulación; 555 temporizador; Multivibrador astable

Abstract— This work aims to use the Tinkercard platform to understand the concepts of PWM (Pulse Width Modulation) signal. This platform allows us to create a simulation where terms such as DutyCycle, signal period, signal frequency, signal on time, signal off time, among other terminologies that must be taken into account when using this pulse width modulation, can be easily observed. The most important advantage of using tinkercard is its ease of use and its accessibility as it is free and very intuitive, so anyone can use it without prior knowledge of it.

Keywords— PWM; tinkercard; DutyCycle; period; frequency; modulation; 555 timer; Astable multi-vibrator

I. Introduccion

La modulación de ancho de pulso (PWM) es un método para generar una señal analógica utilizando una fuente digital. Una señal PWM consta de dos componentes principales que definen su comportamiento: un ciclo de trabajo y una frecuencia. El ciclo de trabajo (dutycyle) describe la cantidad de tiempo que la señal está en un estado alto (encendido) como un porcentaje del tiempo total que se tarda en completar un ciclo, la variación de ancho de pulso consiste en variar los tiempos de encendido y apagado, es decir Ton y Toff. Al cambiar el valor de un PWM, en realidad se están modificando estos tiempos.

En este articulo proponemos describir la finalidad e implementación del PWM y una alternativa a la implementación en el laboratorio de los métodos existentes para la modulación de ancho de pulso (PWM) utilizando la plataforma TinkerCad, ya que actualmente está modulación tiene un campo amplio de aplicación y su implementación nos permite reforzar los conocimientos en teoría de la información Para mostrar el método de simulación del PWM comenzamos con la necesidad de comunicación digital y su ventaja sobre la comunicación analógica. Luego se exponen los componentes a utilizar en el circuito multivibrador y el circuito a utilizar para la simulación. Por tercer paso se documentará el proceso del muestreo y su implementación en la herramienta TinkerCad, aspectos prácticos del muestreo. En la última Sección se brinda algunos de los resultados implementados en la plataforma Tinkercard, y comentarios finales.

II. El Componente Del Laboratorio

A. Etapa de Revisión

El enfoque que hemos utilizado para ayudar a los estudiantes a comprender el concepto de Modulación por Ancho de Pulsos (PWM) es utilizar la plataforma Tinkercard. Después de una introducción inicial al entorno de diseño, un estudiante con conocimientos en implementación de circuitos digitales basados en hardware tendrá una curva de autoaprendizaje de unos cuantos minutos. Tinkercard posee una interfaz web sumamente sencilla e intuitiva permitiendo diseñar y probar circuitos rápidamente antes de construirlos. Adicionalmente el impacto en la salida al realizar cambios en los parámetros de los componentes de entrada se puede monitorear en tiempo real, beneficios en el aprendizaje que no se podrían emular fácilmente en un laboratorio tradicional.

El componente de laboratorio propuesto se basa en realizar un experimento implementando un circuito multivibrador astable utilizando el temporizador 555 en Tinkercard y proceder a modificar los valores de los componentes del circuito para evaluar el impacto en la señal modulada de la salida. Dichos componentes se listan en la Tabla I.

Tabla I.
Componentes modificables del circuito multivibrador astable.

Nombre

Componente

C

Condensador

R1

Resistencia

R1

Resistencia

C2

Condensador

P1

Suministro de energía
Fuente: Autores

La Fig. 1 muestra el esquema del multivibrador astable propuesto y la Fig. 2 muestra el diagrama de pines del 555 necesario para realizar el laboratorio.

 

Fig. 1. Esquema multivibrador astable.
Fuente: Autores.
Fig. 2. Diagrama de pines 555.
Fuente: Autores.

A partir de este laboratorio se llevarán a la práctica los conceptos sobre tiempo de encendido de la señal Tiempo de apagado de la señal Toff, periodo de la señal T, frecuencia de la señal f y el DutyCycle.

Las ecuaciones para realizar los cálculos y corroborar los resultados entregados por la simulación son las siguientes (1), (2), (3), (4) y (5):

B. Etapa Final

Ahora presentamos algunos de los resultados al realizar la implementación del laboratorio en el entorno de simulación Tinkercard.

La Fig. 3 muestra la interfaz de Tinkercard con el circuito propuesto implementado.

Fig. 3. Entorno Tinkercard.
Fuente: Autores.

Se proponen múltiples escenarios de simulación modificando los valores de los componentes. En la Tabla II se listan algunas posibles opciones de valores para cada uno de los componentes de la Tabla I, el valor de C2 es constante 10nF.

Tabla II.
Valores propuestos para realizar diferentes simulaciones.

Simulacion

R1Ω

R2Ω

C2 Faradios

1

5000

1000

0,00095

2

10000

5000

0,00061

3

10000

10000

0,00047
Fuente: Autores.

Al realizar los cálculos para cada señal simulada tenemos los resultados de las diferentes métricas de las señales de salida del circuito en la Tabla III.

Tabla III.
Cálculos de las diferentes métricas de las señales.

Simulacion

Ton s

Toff

T s

f Hz

DutyCycle

1

3,9

0,6

4,6

0,2

85,71%

2

6,3

2,1

8,4

0,1

75,00%

3

6,5

3,2

9,7

0,1

66,67%
Fuente: Autores.

En la Fig. 4, Fig. 5 y Fig. 6 se pueden visualizar las señales de salida PWM al ser modificaciones los valores de los componentes de la Tabla I.

Se puede visualizar como el porcentaje de DutyCycle va aumentando tras cada simulación.

 

Fig. 4. DutyCycle del 85,71%
Fuente: Autores.
Fig. 5. DutyCycle del 75,00%
Fuente: Autores.
Fig. 6. DutyCycle 66,67%
Fuente: Autores.

Es interesante notar que tenemos la oportunidad de observar múltiples cambios en los experimentos diseñados rápidamente y que sean demostrados por el estudiante con las ecuaciones pertinentes.

IX. Conclusións

Hemos demostrado por medio de algunos resultados experimentales la capacidad de la plataforma Tinkercard para ayudar a comprender los conceptos de la modulación por ancho de pulso. El entorno es muy intuitivo y con una corta curva de aprendizaje. Además, es posible modificar los valores de los componentes del circuito implementado y observar inmediatamente los resultados correspondientes. Aunque se ha enfocado el laboratorio a señales por ancho de pulso es igualmente efectivo en cualquier tipo de circuitos digitales.

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Andres M. Diaz: Estudiante Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá, D.C., Colombia).

Angie L. Morales: Estudiante Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá, D.C., Colombia).

Jazmin V. Buitrago: Estudiante Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá, D.C., Colombia).

Victor H. Perdomo: Estudiante Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá, D.C., Colombia).

Santiago A. Tolosa: Estudiante Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá, D.C., Colombia).

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© The author; licensee Universidad de la Costa - CUC.
J. Comput. Electron. Sci.: Theory Appl. vol. 1 no. 1, pp. 31-35. Enero - Diciembre, 2020
Barranquilla. ISSN 2745-0090
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