Como medir um Sinal PWM

Conceito PWM


Pulse width modulation, ou largura de pulso modulada, refere-se ao conceito de pulsar um sinal digital num condutor elétrico. Além de várias outras aplicações, esta técnica de modulação pode ser utilizada para simular uma tensão estática variável e é normalmente aplicada no controlo de motores elétricos, LEDs ou luzes em diferentes intensidades.


Um dispositivo digital como um microcontrolador pode trabalhar com entradas e saídas que possuem apenas dois estágios: ligado ou desligado. Assim, pode ser utilizado para controlar o estado de um LED por exemplo, ligando ou desligando o mesmo.

Porém, o sinal PWM pode ser utilizado em mais aplicações do que apenas “ligar” e “desligar” dispositivos. Caso se pretenda controlar o brilho de um LED (ou qualquer lâmpada) ou a velocidade de um motor elétrico, não é possível aplicando apenas o controlo ligar/desligar. Para contornar esta situação, foi desenvolvida a técnica PWM.

PWM é a técnica utilizada para gerar sinais analógicos através de um dispositivo digital como um microcontrolador, e é tão eficiente que hoje em dia quase todos os microcontroladores possuem hardware dedicado para a geração de sinais PWM.


Sinal analógico


Um sinal analógico possui o seu valor variando continuamente com resolução infinita em tempo e magnitude. Uma bateria de 12 volts é um exemplo de um dispositivo analógico, em que a sua tensão de saída não é precisamente 12V, mudando ao longo do tempo e podendo assim, ter qualquer outro valor numérico. Ou seja, uma bateria não está limitada a um conjunto finito de valores possíveis (0 ou 1).

Os sinais digitais distinguem-se facilmente dos sinais analógicos, uma vez que apresentam sempre valores de um conjunto finito de possibilidades, como o conjunto (0V, 5V). Neste caso, ou está ligado (5V) ou desligado (0V).


Tensões e correntes analógicas podem ser utilizadas para diretamente diretamente sistemas elétricos, como o volume de um rádio. Num rádio analógico simples, o botão de volume é conectado a uma resistência variável (potenciómetro). Ao girar o botão, a resistência aumenta ou diminui e quando isso acontece, a corrente que flui através do potenciómetro também aumenta ou diminui. Isso altera a quantidade de corrente que flui para as colunas, aumentando ou diminuindo o volume. Um circuito analógico é como o rádio, em que a saída é linearmente proporcional à sua entrada.

Embora tenha um princípio simples, o controlo analógico nem sempre é economicamente viável ou de certa forma prático. Adicionalmente, os circuitos analógicos tendem a variar ao longo do tempo e, portanto, podem ser passíveis de ajustes.

Outra questão é que os circuitos analógicos podem sofrer por aquecimento, pois a potência dissipada neles é proporcional à tensão entre os elementos ativos, multiplicada pela corrente que flui através do circuito.

Por fim, os circuitos analógicos podem ainda serem sensíveis ao ruído e devido à sua resolução infinita, qualquer perturbação ou ruído num sinal analógico altera o seu valor.


Sinal digital


Ao controlar os circuitos analógicos digitalmente, os custos do sistema e o consumo de energia podem ser drasticamente reduzidos.

O PWM não é mais do que codificar digitalmente níveis de sinal analógico. Nesta técnica, através do uso de clocks de alta resolução, o ciclo de trabalho de uma onda quadrada é modulado para codificar um nível de sinal analógico específico para que atenda os requisitos de uma aplicação pretendida.

O sinal PWM é totalmente digital porque em qualquer dado instante de tempo, a alimentação CC ou está totalmente ligada ou completamente desligada. A fonte de tensão ou de corrente é fornecida à carga analógica por meio de uma série repetitiva de impulsos de ligar e desligar.

O tempo de ativação é o tempo durante o qual a alimentação CC é aplicada à carga, e o tempo de desativação é o período durante o qual a alimentação é desligada. Dada uma largura de banda suficiente, qualquer valor analógico pode ser codificado com PWM.

A figura abaixo mostra três sinais PWM:

(a) Saída PWM com um ciclo de trabalho de 10%. Ou seja, o sinal está ligado para 10% do período e desligado nos outros 90%.

(b) Saída PWM com um ciclo de trabalho de 50%. Ou seja, o sinal está ligado para 50% do período e desligado nos outros 50%.

(c) Saída PWM com um ciclo de trabalho de 90%. Ou seja, o sinal está ligado para 90% do período e desligado nos outros 10%.



Estas três saídas PWM codificam três valores diferentes de sinal analógico, a 10%, 50% e 90% da tensão de entrada. Se, por exemplo, a alimentação for 12V e o ciclo de trabalho for 10%, teremos um sinal analógico equivalente a 1.2V.


Na animação abaixo pode verificar o brilho do LED variando com a largura de pulso.


Como medir PWM?


A forma mais eficaz para testar o comando PWM é através de um osciloscópio. O recurso a esta ferramenta permite ao técnico verificar a existência de uma onda quadrada perfeita, sem ruído ou interferência. Para além do mais, recorrendo ao osciloscópio, o técnico consegue medir a percentagem de ciclo de trabalho, confrontando depois este valor com o comando da UCE.


Uma das vantagens de aplicar o PWM é que o sinal permanece digital em todo o percurso desde o processador até ao sistema controlado, e nenhuma conversão de digital para analógico é necessária. Ao manter o sinal digital, os efeitos de ruído são minimizados pois um ruído só pode afetar um sinal digital se ele for forte o suficiente para alterar uma lógica 1 para uma lógica 0 ou vice-versa.


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