PWM - As bases

PWM é uma sigla Inglesa, uma abreviatura de Pulse Width Modulation. O significado em português é Modulação de Largura de Impulso, mas PWM é a sigla pela qual é mundialmente conhecido este tipo de modulação.

Fig.1 - Exemplo de sinal PWM

Conforme se pode ver na figura 1, o PWM consiste numa variação da largura do impulso (Ton) numa onda retangular com dois níveis de tensão, de frequência fixa (consequentemente com período T também fixo) e cuja informação modulada reside na relação temporal entre Ton (tempo em que o sinal fica no seu nível máximo) e T (período do sinal). À relação entre Ton e T chama-se duty cycle que traduzido para português significa ciclo de trabalho. Por exemplo, se tivermos um sinal retangular, com período T = 1ms e Ton de 0.5ms, temos um duty cycle de Ton/T ou seja  0,5ms/1ms = 0,5 ou 50% se preferirmos expressar em forma de percentagem. 

Para extrair a informação modulada, calculamos o valor médio do sinal. O valor médio é calculado da seguinte forma: VHigh*(Ton/T)+Vlow*(Toff/T). Nos casos em que VLow = 0V podemos simplificar a fórmula para VHigh*(Ton/T) ou seja Vhigh * duty cycle. Como exemplo podemos dar um sinal com 5V de Vhigh e 0V de Vlow e um duty cycle de 1% ou seja 0,01. A tensão média resultante seria de 5 x 0.01 = 0.05V. Se o duty cycle fosse de 99% teríamos um Vout de 5 x 0.99 = 4.95V Conseguimos assim variar a tensão média obtida entre quase 0 e quase o valor máximo, usando um sinal retangular em que o dispositivo de controle (transístor) trabalha como interruptor, ou seja, está ao corte ou na saturação, situações em que os transístores dissipam o mínimo de potência pois ou não existe corrente (corte) ou a tensão VCE/VDS é muito baixa (saturação), diminuindo as perdas de energia ao mínimo e logo o tamanho dos dissipadores.

O PWM é muito usado em eletrónica de potência, nomeadamente em fontes de alimentação, pois substitui com grandes vantagens energéticas os controlos lineares que desperdiçam muita energia sob a forma de calor. Por exemplo: um regulador de tensão linear de 5V (7805) alimentado com 9V e a fornecer 1A, dissipa 4W (9V-5V = 4V x 1A = 4W).  No fim do dia desperdiça 4W x 24h = 96Wh de energia transformada em calor, o que por outro lado obriga ao uso de dissipadores, que ocupam espaço e encarecem o circuito. Usando o PWM podemos usar transístores mais pequenos, que dissipam (desperdiçam) muito menos potência, pois trabalham na zona de corte e saturação. Para regular a tensão de saída, basta variar o duty cycle, o que normalmente é conseguido com uma pequena malha de feedback, que analisa a tensão na saída e corrige o duty cycle de forma a conseguir o valor de saída desejado. As fontes de TV por exemplo usam muito este tipo de circuitos, associados a transformadores que permitem várias tensões de saída. Como estas fontes operam em frequências altas, os transformadores e condensadores de filtragem são pequenos e leves, o que também ajuda a reduzir os custos.

Podemos também usar o PWM com vantagem noutros circuitos, como por exemplo para controlar o brilho de uma lâmpada, ou a velocidade de um pequeno motor DC, que varia de acordo com o duty cycle (ver fórmula mais acima). Mais uma vez se destaca o ganho de eficiência em relação aos controlos analógicos, pois com o PWM, os transístores trabalham sempre na zona de corte e saturação, evitando a zona ativa onde se perde muita energia. A frequência escolhida deve naturalmente ser suficientemente elevada para não se notar cintilação. Normalmente estes circuitos operam na faixa das dezenas de KHz.

Podemos ainda usar o PWM para fins mais elaborados como por exemplo trabalhar em áudio de potência, convertendo o sinal áudio em impulsos de largura variável que permitem aos transístores finais funcionar em regime de corte/saturação, com baixíssimas perdas, permitindo grandes potências de saída em circuitos de tamanho reduzido.

Fig. 2 Diagrama de blocos de um amplificador classe D

No final o sinal áudio é reconstituído retirando o valor médio do sinal PWM com ajuda de um filtro passa baixo. Na figura 2 mostra-se um circuito típico de conversão de áudio analógico em PWM e respetiva amplificação. 

Resumidamente, o PWM consegue representar uma tensão entre Vlow e Vhigh, variando o duty cycle ou seja a relação Ton/T.  Assim consegue-se reproduzir qualquer forma de onda, bastando variar o duty cycle de forma a obter as várias tensões que compõem essa onda. A vantagem em relação ao processamento analógico é a grande eficiência, pois evita a zona ativa dos transístores, típica dos circuitos analógicos, onde se perde muita potência. No PWM os transístores trabalham na zona de corte e saturação, permitindo baixas perdas, ou seja pouco desperdício de energia. Para obter o valor médio na saída usa-se um filtro passa baixo.

Se quiser aprender um pouco mais sobre PWM, sugerimos este artigo, onde se descreve um projeto que usando o Arduíno, permite explorar o PWM na prática, usando as saídas que existem para o efeito (pinos 3, 5, 6, 9, 10, 11 nos Arduíno Uno, Nano e Mini) e a instrução analogWrite(pino, valor). O valor pode variar entre 0 e 255, sendo que 255 corresponde a um duty cycle de ~100%. Como vemos, o PWM é neste caso usado para gerar um sinal "analógico", que será obtido através do valor médio do sinal PWM. Através de um pequeno programa podemos fazer variar o sinal de saída e observar num osciloscópio a sua forma de onda. No referido artigo damos um exemplo de uma sinusoide obtida através da variação da largura do impulso.

Autoria: Luís Sousa - 30 de Maio de 2022

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