O que é PWM: modulação por largura de pulso

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Inversores, conversores, circuitos SMPS e controladores de velocidade … Uma coisa comum em todos esses circuitos é que eles consistem em vários interruptores eletrônicos. Esses interruptores nada mais são do que dispositivos eletrônicos de potência, como MOSFET, IGBT, TRIAC, etc. Além disso, os sinais PWM também são usados para acionar servo motores e também para outras tarefas simples, como controlar o brilho de um LED.

Em nosso artigo anterior, aprendemos sobre ADC, enquanto ADC é usado para ler sinais analógicos por um dispositivo digital como um microcontrolador. Um PWM pode ser considerado exatamente o oposto disso, PWM é usado para produzir sinais analógicos a partir de um dispositivo digital como um microcontrolador. Neste artigo, aprenderemos sobre o que é PWM, sinais PWM e alguns parâmetros associados a eles, para que possamos usá-los em nossos projetos.

PWM significa modulação por largura de pulso; veremos a razão de tal nome mais tarde. Mas, por enquanto, entenda o PWM como um tipo de sinal que pode ser produzido a partir de um IC digital, como um microcontrolador ou temporizador 555. O sinal assim produzido terá uma seqüência de pulsos e esses pulsos terão a forma de uma onda quadrada. Ou seja, em qualquer momento, a onda será alta ou baixa. Para facilitar o entendimento, vamos considerar um sinal PWM de 5V, neste caso o sinal PWM será 5V (alto) ou no nível do solo 0V (baixo). A duração em que o sinal permanece alto é chamada de “tempo de ativação” e a duração em que o sinal permanece baixo é chamada de “tempo de desativação”.

Para um sinal PWM, precisamos olhar para dois parâmetros importantes associados a ele, um é o ciclo de trabalho PWM e o outro é a frequência PWM.

Ciclo de trabalho do PWM

Como dito anteriormente, um sinal PWM permanece ligado por um determinado tempo e, em seguida, permanece desligado pelo resto do período. O que torna esse sinal PWM especial e mais útil é que podemos definir por quanto tempo ele deve permanecer ligado, controlando o ciclo de trabalho do sinal PWM.

A porcentagem de tempo em que o sinal PWM permanece ALTO (no tempo) é chamada de ciclo de serviço. Se o sinal estiver sempre LIGADO, ele está em 100% do ciclo de trabalho e se estiver sempre desligado, ele está em 0% do ciclo de trabalho. As fórmulas para calcular o ciclo de trabalho são mostradas abaixo.

Ciclo de trabalho = tempo para ligar/(tempo para ligar + tempo para desligar)

A imagem a seguir representa um sinal PWM com ciclo de trabalho de 50%. Como você pode ver, considerando um período de tempo inteiro (tempo ligado + tempo desligado), o sinal PWM permanece ligado apenas por 50% do período de tempo.

Ao controlar o ciclo de trabalho de 0% a 100%, podemos controlar o “on time” do sinal PWM e, portanto, a largura do sinal. Como podemos modular a largura do pulso, ele recebeu o nome icônico de “Modulação por largura de pulso”.

Frequência de um PWM

A frequência de um sinal PWM determina a rapidez com que um PWM completa um período. Um período é o tempo LIGADO e DESLIGADO completo de um sinal PWM, conforme mostrado na figura acima. As fórmulas para calcular a frequência são fornecidas abaixo

Frequência = 1 / período de tempo
Período de tempo = hora de ativação + hora de desativação

Normalmente os sinais PWM gerados pelo microcontrolador serão em torno de 500 Hz, tais frequências altas serão usadas em dispositivos de chaveamento de alta velocidade como inversores ou conversores. Mas nem todas as aplicações requerem alta frequência. Por exemplo, para controlar um servo motor, precisamos produzir sinais PWM com frequência de 50 Hz, então a frequência de um sinal PWM também é controlável por programa para todos os microcontroladores.

 

Algumas perguntas comuns sobre PWM

Qual é a diferença entre o ciclo de trabalho e a frequência de um sinal PWM?

O ciclo de trabalho e a frequência de sinais PWM são frequentemente confundidos. Como sabemos, um sinal PWM é uma onda quadrada com um determinado tempo de ativação e desativação. A soma desse tempo de ativação e desativação é chamada de um período de tempo. O inverso de um período de tempo é chamado de frequência. Enquanto a quantidade de tempo que o sinal PWM deve permanecer ligado em um período de tempo é decidido pelo ciclo de trabalho do PWM.

Para simplificar, a rapidez com que o sinal PWM deve ligar e desligar é decidida pela frequência do sinal PWM e nessa velocidade por quanto tempo o sinal PWM deve permanecer ligado é decidido pelo ciclo de trabalho do sinal PWM.

Como converter sinais PWM em tensão analógica?

Para aplicações simples, como controlar a velocidade de um motor DC ou ajustar o brilho de um LED, precisamos converter os sinais PWM em voltagem analógica. Isso pode ser feito facilmente usando um filtro RC e é comumente usado onde um recurso DAC é necessário. O circuito para o mesmo é mostrado abaixo

No gráfico mostrado acima, o amarelo é o sinal PWM e o azul é a tensão analógica de saída. O valor do resistor R1 e do capacitor C1 pode ser calculado com base na frequência do sinal PWM, mas normalmente um resistor de 5,7K ou 10K e um capacitor de 0,1u ou 1u são usados.

Como calcular a tensão de saída do sinal PWM?

A tensão de saída de um sinal PWM após convertê-lo em analógico será a porcentagem do ciclo de trabalho. Por exemplo, se a tensão de operação for 5 V, o sinal PWM também terá 5 V quando estiver alto. Nesse caso, para um ciclo de trabalho de 100%, a tensão de saída será de 5 V para um ciclo de trabalho de 50%, será de 2,5 V.

Tensão de saída = ciclo de trabalho (%) * 5

 

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