Modulação por Largura de Pulso (PWM)

Modulação Por Largura de Pulso, ou PWM, é uma técnica para obter resultados analógicos a partir de pulsos digitais. O sinal gerado é uma sequência de pulsos alternados entre níveis lógicos altos e baixos formando uma sequência de ondas com níveis discretos.

PWMs partem da ideia de gerar ondas quadradas com frequências bem acima da de operação do objeto que se deseja controlar. A intensidade de operação do objeto vai variar de acordo com o tempo que o pulso da onda vai permanecer em nível alto em relação ao tempo que permanecerá em nível baixo. Isso é chamado de duty-cycle, que tem sua medida de referência em porcentagem, onde 100% de duty-cycle é um sinal contínuo em nível lógico alto, ou máxima tensão, 0% é um sinal contínuo em nível lógico baixo, e 50% é uma onda quadrada onde os tempos de sinal alto e baixo são os mesmos.

Duty-Cycles — Sinal de um PWM com diferentes porcentagens de duty-dycle.

Essa técnica de modulação é amplamente utilizada na eletrônica, como em fontes chaveadas, controle de velocidade de motores DC, controle de posicionamento de servos motores, controle de luminosidade e várias outras aplicações. Além disso, essa modulação pode ser incorporada a circuitos de potência para trabalharem com sinais AC, resultando nos famosos dimmers.

Somando a isso, aplicando filtros, é possível formar componentes analógicos variando o duty-cycle, filtrando as componentes digitais o resultado se torna muito próximo de uma senoide limpa.

Componente senoidal gerada pela variação do duty-cycle do PWM.

Sendo essa uma das técnicas utilizadas por inversores de frequência para transformar eletricidade em corrente contínua de baterias ou painéis solares no padrão 50Hz/60Hz usado em residências ou equipamentos que trabalhem com corrente alternada.

Plataformas microcontroladas, ou mesmo microcontroladores podem ser fontes de sinais PWM. O Arduino, por exemplo, pode gerar esses sinais para diversas aplicações, utilizando-o para controlar servos motores, o PWM se expressa em uma frequência de 50Hz, que é a soma dos tempos do nível baixo com o nível alto dividido por um segundo, mas a variação de duty-cycle é somente entre 5 a 10% para que o motor mova seu eixo de 0 a 180°.

Variação do duty-cycle de um sinal PWM para mudança de ângulo de eixo de um servo motor.

Na imagem acima nota-se que, ao girar 180º, o pulso mostrado no osciloscópio ainda continua estreito em relação a todo o comprimento de onda.

O Arduino também pode gerar um PWM completo, porém sua frequência padrão é de 490Hz, a figura a seguir mostra a saída com duty-cycle de 0 a 100%.

Variação do duty-cycle de um sinal PWM gerado por um Arduino Uno.

As utilizações de PWMs são várias, mas há muita confusão com relação a esse tipo de modulação e conversores de tensão. Geralmente algumas pessoas o tratam a técnica de modular o sinal como o próprio conversor. A exemplo de um circuito abaixador de tensão (buck), que, na realidade, utiliza o pulso modulado para converter a tensão recebida em sua entrada para um nível mais baixo, onde, em si, o circuito de modulação juntamente com os outros componentes do circuito causam a redução do nível de tensão, os conhecidos conversores step down. Uma simulação de um circuito com a topologia de um conversor buck é mostrado a seguir, nota-se que, ao diminuir o duty-cycle do PWM, a tensão de saída diminui.

Modelo de um conversor buck (step down). Quanto mais se diminui o duty-cycle, menor será a tensão de saída em relação à de entrada.

O PWM também pode ser usado para modular pulsos em elevadores de tensão (conversores boost ou step up). Como é mostrado na figura abaixo, o pulso modulado de acordo com a largura ajusta o tempo de carregamento do indutor que depois, somado com a tensão da fonte, descarrega em cima do capacitor quando o transistor abre, fazendo com que a tensão do capacitor aumente e a corrente não retorne por causa da polarização do diodo, assim elevando a tensão de saída. Então, quanto maior o duty-cycle, maior a tensão de saída do conversor. Lembrando que o ganho de tensão impacta em uma redução na corrente que pode ser fornecida na saída do conversor

Conversor boost, ou step up. Quanto mais se eleva o duty-cycle, mais alta a tensão de saída em relação à de entrada.

Sendo assim, a modulação por largura de pulso é amplamente utilizada e bastante importante no mundo da eletrônica e, com um tipo tão simples de sinal, é possível variá-lo para se obter componentes analógicas, reduzir ou elevar tensões, construir outros tipos de sinais combinando-o com filtros, aplicá-la em controles de carga, rotação, posicionamento, uma infinidade de aplicações.