Você sabe o que é PWM?
Todo técnico reparador de televisores, principalmente, já ouviu o termo PWM sendo repetido por aí em vídeo aulas sobre fontes chaveadas ou nos fóruns quando está à procura das famosas “dicas” do tipo “que peça que eu troco”.
Entretanto, o PWM não está presente apenas nas fontes chaveadas. Ele aparece nos controles de velocidade de motores, no brilho de Leds e nos amplificadores de áudio Classe D, popularmente chamados de “amplificadores digitais”.
Então, vale perguntar: – você sabe o que é PWM?
Neste artigo irei tratar do aspecto conceitual do PWM como uma preparação para aplicações específicas.
Começando pela sigla e sua tradução
Defendo a ideia que para se estudar alguma coisa “nova” uma boa prática pode ser começar pela etimologia da palavra ou pela tradução do termo, como neste caso.
A sigla PWM significa Pulse Widht Modulation que “trocando em miúdos” quer dizer Modulação por Largura de Pulso.
Ops! Modulação?
Isso não é aquele “negócio” de AM e FM – Amplitude Modulada e Frequência Modulada – e o que a “largura de pulso” tem a ver com isso?
Uma coisa puxa a outra
Para atender aos novatos e principiantes (só a eles?) talvez seja interessante começar explicando, pelo menos, suscintamente o que significa modulação.
O conceito de modulação começou com as telecomunicações ou, melhor dizendo, o rádio, há muiiiito tempo.
Em linhas gerais, de acordo com a definição do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) temos:
– Modulação é um processo ou o resultado de um processo onde algumas características de uma onda (sinal) chamada portadora é variada por outra onda designada modulante.
No caso particular do rádio, por onde praticamente tudo começou, as duas ondas eram senoidais.
Se a onda modulante alterar a amplitude da onda portadora teremos Amplitude Modulada (AM), mas se alterar a frequência, então teremos Frequência Modulada (FM).
Fig. 1 – Modulação em amplitude e em frequência
Simples assim!
Estas são as formas de modulação que poderíamos chamar de analógicas porque os sinais envolvidos, sejam como portadora, sejam como modulante, são senoidais.
Entretanto, podemos utilizar trens de pulsos, ou seja, sinais digitais, para realizar o processo de modulação.
No caso de usarmos trens de pulso as características dos sinais digitais que podem ser variadas são:
– Amplitude (PAM = Pulse Amplitude Modulation)
– Largura (width) (PWM – Modulação por Largura de Pulso).
Destas duas formas de modulação digital, a PWM é a mais utilizada atualmente.
Através da PWM podemos realizar um eficiente controle de potência o que significa menor desperdício de energia o que se tornou um ponto a ser perseguido pela indústria em face a imposições de organismos internacionais sobre questões climáticas e que alguns “sábios” dizem que é um fake.
Na fig. 2 podemos ver de forma simplificada como se realiza uma modulação por largura de pulso.
Fig. 2 – Diagrama de um PWM
Como já foi dito, a modulação consiste em fazer um sinal modulante variar um sinal denominado portadora.
No exemplo da figura 2, vemos que o sinal modulante é uma onda senoidal, portanto um sinal analógico e a portadora uma onda triangular ou dente de serra que pode ser considerado digital.
Ao “combinarmos” os dois sinais num circuito comparador obtemos uma saída digital com pulsos que tem sua largura variada, daí o termo modulação por largura de pulso.
Uma coisa importante que você deve observara examinando a parte de baixo da figura 2 é que o sinal modulado (saída) permanece alto durante o tempo que o nível do sinal modulante é maior que o nível da portadora e fica baixo quando ocorre o contrário.
Observe também que a frequência da portadora, neste caso o dente de serra, é fundamental na construção da largura do pulso.
Se você já está achando que isso é pura teoria eu posso lhe dizer, com certeza, que saber isto é muito importante na hora de reparar um circuito PWM.
Acha que não? Então, vou deixar uma perguntinha no ar para você pensar.
Como se faz uma onda triangular ou dentre de serra?
Ou, colocando a pergunta de outro modo – qual o componente mais importante na formação de um dente de serra e sua respectiva frequência?
Saber responder a esta pergunta pode ajudá-lo, às vezes, a reparar um circuito PWM de uma fonte chaveada que não funciona e que a troca do CI não resolveu ou até piorou porque você trocou um CI original que estava bom por um falsificado que não funciona, nem aqui nem na China de onde ele veio!
Aqui vai uma colinha para ajudar a responder a perguntinha: – que tal usar a carga e descarga de um capacitor para construir uma onda triangular ou dente de serra?
Duty cycle, um conceito importante no circuito PWM
Fig. 3 – Entendendo o duty cycle
Você deve ter observado nos três exemplos da figura 3 que o duty cycle, que numa tradução ao pé da letra seria ciclo de trabalho, está expresso em percentual.
No primeiro caso temos 25%, no segundo temos 50% e no terceiro chegamos a 90%.
Agora observe a largura do pulso, quando ele está alto em comparação ao tempo que ele está baixo em cada uma das três situações.
Note que quanto menor o percentual do duty cycle mais estreito é o pulso alto em relação ao pulso baixo e vice-versa?
Notou também que o valor médio, ou seja, valor DC de cada onda aumenta quando o percentual do duty cycle aumenta?
Esta é uma observação muito útil.
Como medir o duty cycle?
Você deve estar se perguntando de que interessa saber o valor deste percentual de duty cycle se não tenho como medir?
Pois saiba que tem como medir sim e com um multímetro digital.
Ops! Multímetro digital?
Bem, não é qualquer um, mas o ICEL MD-6199, por exemplo, tem uma escala para medir o percentual de duty cycle como podemos ver na figura 4.
Fig, 4 – ICEL MD 6199
Mais à frente falarei um pouco mais sobre esta função do MD-6199 antes, porém quero tratar de parâmetros do ciclo de trabalho.
Na figura 5 temos três parâmetros a considerar:
- O tempo que o pulso permanece alto (high) = ton (ou tH)
- O tempo que o pulso permanece baixo (low) = toff (ou TL)
- O período T = ton + toff a partir do qual calculamos a frequência da onda.
Fig. 5 – Parâmetros do duty cycle
Com base nestes valores podemos encontrar o duty cycle que é a relação, expressa em percentual, entre o tempo que o pulso permanece alto (ton) e o período T.
Não custa lembrar que a frequência é o inverso do período.
E qual é a importância de conhecermos o valor percentual do duty cycle de uma onda “quadrada” periódica?
Voltando a fig.3 em que temos três ondas com duty cycle, 25%, 50% e 75% respectivamente vemos facilmente que existe uma relação direta entre o valor médio DC da onda e o percentual do duty cycle,
Nas ondas da fig.3, os valores médios 3VDC, 6VDC e 10,8VD correspondem respectivamente a 12 x 0,25, 12 x 0,5 e 12 x 0,75.
Imaginemos que nas ondas da figura 3 tivéssemos 5V como valor de pico não em vez de 12V.
Qual seria o valor médio desta onda para um duty cycle de 40%?
Muito simples. Lembremos que 40% corresponde a 0,4 e que multiplicado por 5V nos dará 2V.
Viu como é importante conhecermos o duty cycle?
Da teoria para a prática
Para entender definitivamente este conceito de duty cycle você pode construir um multivibrador astável que é um gerador de onda quadrada, usando, por exemplo, o NE555 como mostrado na figura 6.
Fig.6 – Multivibrador astável com 555
As figuras e os cálculos foram obtidos no data sheet (sempre ele) do CI que irei destrinchar agora.
Cálculos dp multivibrador astável com 555
Examinando o data sheet do 555 encontraremos as equações necessárias para obter os valores de RA, RB e C desejados e que vamos acompanhar junto com um exemplo.
Montando o circuito e tirando conclusões.
Montei o circuito sugerido na fig. 6 numa placa de impresso utilizando RB = 3k3 e C = 100nF. Para o RA eu utilizei um resistor de 4k7 em série com um trimpot de 20k de modo a permitir variar a frequência e o duty cycle.
Coloquei um soquete para o 555 para que esta montagem sirva de uma giga de teste para ele.
Acompanhe nas fig.7 como ficou a minha montagem.
Fig. 7 – Montagem do astável com 555
Hora da verdade, ligando e comprovando.
Na fig. 8 temos uma foto da tela do osciloscópio mostrando a forma de onda obtida no pino 3 do 555 e na fig. 9 podemos ver alguns parâmetros dos quais os três que nos interessam no momento estão mostrados no destaque.
Fig. 8 – pulso obtido no astável com 555
Fig.9 – Parâmetros do astável com 555
Quem não tem colírio usa óculos escuros e quem não tem osciloscópio usa o multímetro ICEL-Manaus MD 6199
Se você estranhou o início do título acima, é uma referência a música do eterno maluco beleza Raul Seixas porque nem só de eletrônica vive homem, de arte também.
Lá no início do post eu disse que poderíamos medir o duty cylce com um multímetro digital que ofereça esta opção como o MD 6199, então acompanhe na figura 10.
Fig. 10 – Medindo duty cycle com ICEL MD 6199
Você deve estar querendo perguntar o que multímetro da direita está medindo?
Que tal voltar a fig.3 para responder esta pergunta?
Nela você aprendeu que multiplicando o percentual do duty cycle pelo valor de pico da onda obteria o valor médio DC que pode ser medido pela escala de volts DC de qualquer multímetro.
Para facilitar as contas aqui, eu ajustei a alimentação do circuito de modo a obter um valor de pico aproximadamente 10V e, portanto, temos 0,729 x 10 = 7,29 que é o valor (aproximado) medido pelo multímetro da direita e corresponde ao DC médio.
Gravei um vídeo mostrando a variação do duty cycle e da frequência através do ajuste do trimpot de 20k que está incorporado aqui no post.
Espero que este artigo para você entender definitivamente o funcionamento do tão balado PWM.
No próximo post eu vou apresentar uma aplicação do PWM para controlar a corrente e, por conseguinte, a velocidade em um motor DC usado em slot car.
Até lá. Aguardo seus comentários.
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