A modulação por largura de pulso (PWM) é um método que os microcontroladores usam para controlar a energia, ligando e desligando os sinais em alta velocidade. É usado em LEDs, motores, servos, sistemas de áudio e energia. Este artigo explica os fundamentos do PWM, ciclo de trabalho, operação do temporizador, modos, frequência, resolução e técnicas avançadas em detalhes claros.
Visão geral da modulação por largura de pulso (PWM)
Os temporizadores PWM são módulos de hardware integrados dentro de microcontroladores que geram sinais de pulso digital com ciclos de trabalho ajustáveis. Em vez de depender de software para alternar pinos, o que consome poder de processamento e corre o risco de jitter de tempo, o microcontrolador descarrega esse trabalho para o temporizador de hardware. Isso permite que ele mantenha a precisão enquanto libera a CPU para lidar com outras tarefas. O resultado é multitarefa eficiente, latência reduzida e melhor desempenho em aplicações reais, como controle de motor, escurecimento de LED, modulação de áudio e geração de sinal. A eficiência e a precisão do PWM o tornam a espinha dorsal dos sistemas embarcados modernos, preenchendo a lacuna entre o controle digital e o comportamento analógico.
Ciclo de trabalho de modulação por largura de pulso
A forma de onda mostra um sinal repetitivo que alterna entre 0V e 5V. O período é marcado como 10 ms, que representa o tempo para um ciclo completo. Dentro desse período, o sinal permanece alto (5V) por 3 ms, conhecido como largura de pulso. O ciclo de trabalho é então calculado como a razão entre o tempo alto e o período total, dando 30% neste caso. Isso significa que o sinal fornece energia apenas 30% do tempo por ciclo. A frequência também é derivada do período, calculado como 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Cálculo do ciclo de trabalho em temporizadores de microcontroladores
O ciclo de trabalho nos diz quanto do tempo total um sinal é ligado em comparação com o ciclo completo da forma de onda. Em um microcontrolador, isso é importante porque decide quanta energia está sendo enviada a um dispositivo em cada ciclo.
Para calculá-lo, você usa uma fórmula simples: Ciclo de trabalho (%) = (Largura de pulso ÷ Período) × 100. Se o sinal estiver ativo ALTO, o ciclo de trabalho é a fração de tempo que o sinal permanece ALTO. Se o sinal estiver ativo BAIXO, o ciclo de trabalho é a fração de tempo que permanece BAIXO.
Temporizador de modulação por largura de pulso
Esta imagem mostra como funciona um temporizador PWM ligando a saída de tensão a um contador. O contador conta repetidamente de 0 a 9 e, em seguida, é reiniciado, criando o período do sinal. Quando o contador atinge um valor de correspondência definido (aqui, 2), a saída fica alta e permanece alta até que o contador transborde, definindo a largura do pulso. O ponto de estouro redefine o ciclo, iniciando um novo período.
O temporizador determina o ciclo de trabalho controlando quando a saída liga (match) e quando é reiniciada (estouro). Ajustar o valor de correspondência altera a largura do sinal alto, controlando diretamente quanta energia o PWM fornece a uma carga.
Modos PWM alinhados à borda e ao centro
Modo alinhado à borda
No PWM alinhado à borda, o contador conta apenas de zero a um máximo definido, e a comutação ocorre no início ou no final do ciclo. Isso o torna simples de implementar e altamente eficiente, pois a maioria dos microcontroladores e temporizadores o suporta nativamente. Como todas as bordas de comutação estão alinhadas a um lado do período, isso pode levar a uma ondulação de corrente desigual e maior interferência eletromagnética (EMI).
Modo alinhado ao centro (correção de fase)
No PWM alinhado ao centro, o contador conta para cima e depois para baixo dentro de cada ciclo. Isso garante que as bordas de comutação sejam distribuídas ao redor do centro da forma de onda, criando uma saída mais equilibrada. A simetria reduz os harmônicos, a ondulação de torque nos motores e a EMI nos sistemas de energia. Embora seja um pouco mais complexo e menos eficiente em termos de utilização de frequência, oferece uma qualidade de saída muito mais limpa.
Selecionando a frequência PWM correta
• O escurecimento do LED requer frequências acima de 200 Hz para eliminar a cintilação visível, enquanto a luz de fundo da tela e os sistemas de iluminação de alta qualidade geralmente usam de 20 a 40 kHz para ficar além da percepção humana e minimizar o ruído.
• Os motores elétricos operam melhor com frequências PWM entre 2–20 kHz, equilibrando as perdas de comutação com suavidade de torque; Valores mais baixos fornecem maior resolução do ciclo de trabalho, enquanto valores mais altos reduzem o ruído audível e a ondulação.
• Os servos de hobby padrão dependem de sinais de controle fixos em torno de 50 Hz (período de 20 ms), onde a largura de pulso, e não a frequência, determina a posição angular.
• A geração de áudio e a conversão digital-analógico requerem PWM bem acima do espectro audível, acima de 22 kHz, para evitar interferências e permitir uma filtragem limpa de sinais.
• Na eletrônica de potência, a seleção de frequência geralmente é negociada entre eficiência, perdas de comutação, interferência eletromagnética e resposta dinâmica da carga específica.
Resolução PWM e tamanho do passo
Resolução (etapas)
O número de níveis discretos do ciclo de trabalho é definido pela contagem de períodos do temporizador (N). Por exemplo, se um contador for executado de 0 a 1023, isso dará 1024 etapas distintas do ciclo de trabalho. Contagens mais altas significam controle mais preciso da saída.
Profundidade de bits
A resolução geralmente é expressa em bits, calculada como log₂(N). Um contador de 1024 passos corresponde à resolução de 10 bits, enquanto um contador de 65536 corresponde à resolução de 16 bits. Isso define com que precisão o ciclo de trabalho pode ser ajustado.
Passo de tempo
O relógio do sistema determina o menor incremento, igual a 1 ÷ fClock. Velocidades de clock mais rápidas permitem períodos mais curtos e frequências PWM mais altas, mantendo uma resolução fina.
Compensações
Aumentar a resolução requer mais contagens de temporizadores, o que, por sua vez, reduz a frequência PWM máxima para um determinado clock. Por outro lado, frequências mais altas reduzem a resolução disponível.
Exemplo de configuração do PWM Prescaler e do período
| Degrau | Cálculo | Resultado | Detalhes explicativos |
|---|---|---|---|
| Relógio MCU | - | 24 MHz | Frequência base que conduz o temporizador. |
| Aplicar prescaler ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | O relógio do cronômetro foi reduzido para uma faixa de contagem gerenciável. |
| Período do temporizador | 3 MHz × 0.020 s | 60.000 contagens | Definir o registro de recarga/período automático como 60.000 fornece um quadro de 20 ms. |
| Resolução por tique | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Cada incremento do temporizador é igual a \~0,33 microssegundos. |
| Controle de pulso servo | Largura de pulso de 1–2 ms = 3000–6000 ticks | Fornece controle angular suave dentro do quadro de 20 ms. | - |
Técnicas avançadas de canal PWM
Inserção em tempo morto
O tempo morto é um pequeno atraso controlado inserido entre a comutação de transistores complementares em um circuito de meia ponte ou ponte completa. Sem ele, os dispositivos do lado alto e do lado baixo poderiam conduzir momentaneamente ao mesmo tempo, causando um curto-circuito conhecido como tiroteio. Ao adicionar algumas dezenas ou centenas de nanossegundos de tempo morto, o hardware garante transições seguras, protegendo MOSFETs ou IGBTs contra danos.
Saídas Complementares
As saídas complementares geram dois sinais que são opostos lógicos um do outro. Isso é especialmente útil em circuitos push-pull, drivers de motor e estágios de inversores, onde um transistor deve desligar precisamente quando o outro é ligado. O uso de pares PWM complementares simplifica o circuito do driver e garante simetria, melhorando a eficiência e reduzindo a distorção.
Atualizações síncronas
Em sistemas com vários canais PWM, as atualizações síncronas permitem que todas as saídas sejam atualizadas simultaneamente. Sem esse recurso, podem ocorrer pequenas incompatibilidades de tempo (inclinação), levando a uma operação desigual. Em acionamentos de motores trifásicos ou conversores multifásicos, o PWM sincronizado garante equilíbrio, desempenho suave e interferência eletromagnética reduzida.
Acionamento cruzado
O disparo cruzado permite que os temporizadores interajam uns com os outros, para que um evento PWM possa iniciar, redefinir ou ajustar outro temporizador. Esse recurso é poderoso em sistemas de controle avançados, permitindo a coordenação precisa de vários sinais. As aplicações incluem acionamentos de motor em cascata, conversores de energia intercalados e amostragem de sensor sincronizada, onde as relações de temporização entre os canais são críticas.
Servo Movimento com Sinais PWM
| Largura de pulso | Servo Movimento |
|---|---|
| \~1,0 ms | Gira totalmente para a esquerda ou gira no sentido horário a toda velocidade |
| \~1,5 ms | Fica no meio ou para de se mover |
| \~2,0 ms | Gira totalmente para a direita ou gira no sentido anti-horário a toda velocidade |
Conclusão
O PWM é uma ferramenta principal que permite que os sistemas digitais controlem dispositivos analógicos com precisão e eficiência. Ao aprender ciclos de trabalho, configuração do temporizador, opções de frequência, compensações de resolução e métodos avançados, como tempo morto ou correção gama, você pode projetar sistemas confiáveis. O PWM continua a oferecer suporte à eletrônica moderna em aplicações de iluminação, movimento, áudio e energia.
Perguntas Frequentes [FAQ]
O PWM melhora a eficiência energética?
Sim. O PWM liga ou desliga totalmente os dispositivos, minimizando a perda de calor em comparação com o controle de tensão analógico.
O PWM cria interferência eletromagnética (EMI)?
Sim. A comutação rápida gera harmônicos que causam EMI. O PWM alinhado ao centro reduz e os filtros ajudam a suprimir o ruído.
Por que usar um filtro passa-baixa com PWM?
Um filtro passa-baixa suaviza a onda quadrada em uma tensão CC média, útil para áudio, saídas analógicas e simulação de sensores.
O PWM pode controlar os elementos de aquecimento?
Sim. Os aquecedores respondem lentamente, portanto, mesmo baixas frequências PWM (10–100 Hz) fornecem controle de temperatura estável.
Para que serve o PWM com deslocamento de fase?
Ele muda o tempo entre os canais para reduzir picos de corrente e equilibrar cargas, comuns em conversores multifásicos e acionamentos de motores.
Como os microcontroladores evitam o jitter PWM?
Eles usam registros com buffer duplo e atualizações sincronizadas para que as alterações do ciclo de trabalho sejam aplicadas de forma limpa no início de cada ciclo.