O que é PWM: a técnica de controle de energia em eletrônica!

O que é PWM ? É uma técnica de modulação digital de sinais que consiste em se transmitir uma informação pela variação da largura de uma onda quadrada. O nome PWM significa Pulse Width Modulation, ou Modulação por Largura de Pulsos. Ela é a técnica mais utilizada hoje para controlar e regular conversores eletrônicos presentes em LED Drivers, Fontes Chaveadas, Inversores de Frequência e muitos outros equipamentos importantes para a nossa vida moderna. Neste artigo, vamos explorar o significado e as aplicações do PWM, bem como sua importância para a eletrônica de potência.

1 – Qual a importância do PWM?

Antes de entrarmos mais a fundo sobre a modulação por largura de pulsos, é importante entendermos qual a sua importância para a engenharia moderna. O PWM é a técnica de comando mais utilizada para acionar conversores eletrônicos de potência. Esses conversores, por outro lado, são os circuitos que dão vida aos mais variados equipamentos eletrônicos como drivers de LED, inversores de frequência, inversores solares, fontes chaveadas, entre outros. Portanto, é hoje uma das tecnologias mais importantes do mundo, estando presente em diversos equipamentos que manuseamos no nosso dia-a-dia. Além disso, no ambiente industrial ele está na maioria dos processos, seja nos drivers que acionam as máquinas, seja na alimentação dos sistemas de controle.

2 – Modulação por largura de pulsos – Entendendo o significado

Como eu mencionei, o PWM é uma modulação por largura de pulsos. Como toda modulação, o PWM possui três sinais muito importantes:

• Sinal modulante – o sinal que desejamos transmitir;
• Sinal portador – sinal que vai carregar a informação da modulante;
• Sinal modulado – sinal produzido pelo modulador, associando modulante e portador. Este também é chamado de Sinal PWM.

A figura 1 ilustra um modulador PWM com esses sinais. Primeiramente, a figura mostra um sinal modulante senoidal, que é o comum em inversores de frequência e solares, mas encontramos modulantes de diversos formatos, por exemplo, em uma fonte chaveada ele seria um sinal contínuo; num amplificador classe D, um sinal de áudio. Por outro lado, o sinal portador sempre será uma onda triangular ou dente-de-serra, o por que disso vamos entender mais a frente. A saída do modulador é uma onda quadrada com frequência igual à da onda portadora e largura de pulso controlada pela modulante.

Como o sinal PWM é gerado?

Antes de mais nada, é importante entender como o modulador consegue gerar essa onda quadrada e como a largura do pulso é afetada pela modulante. Existem diversas maneiras para construir um modulador PWM, contudo, para entender os seus princípios, é melhor começar com a forma analógica, ilustrada na Fig. 2.

O modulador PWM analógico consiste em um simples Amplificador Operacional na configuração Comparadora. Assim, o sinal modulante é conectado na entrada não-inversora, enquanto a portadora triangular é conectada na entrada inversora. Neste caso, sempre que o sinal modulante for maior que o sinal portador, a saída do modulador será um nível lógico alto e quando o contrário, um nível lógico baixo. No exemplo, usamos um comparador alimentado entre +Vcc e GND, assim, o nível lógico alto seria o próprio Vcc e o baixo, seria zero. A Fig. 2 mostra também os sinais de entrada e saída do modulador PWM, onde podemos ver que quando há uma mudança na amplitude da modulante, a largura do pulso do sinal PWM de saída varia.

Duty cycle – Como a largura de pulsos é controlada?

Na figura 2, identificamos alguns parâmetros importantes, como o período do sinal PWM, Ts, o tempo ligado do pulso, t_on, e o tempo desligado do pulso, t_off. O período do sinal PWM é fixo e igual ao período da onda portadora, portanto, sempre que o tempo ligado aumentar, o tempo desligado vai diminuir e vice-versa. Assim, podemos definir um parâmetro super importante para entender o PWM que é o ciclo de trabalho, ou duty cycle (D):

Em suma, o duty cycle é a razão entre o tempo ligado de um sinal PWM e o seu período. Agora, podemos relacionar o duty cycle com os sinais modulante e portador do PWM fazendo uma simples equivalência de triângulos, como exemplifica a Fig. 3.

Um ciclo da portadora forma um triângulo, mas quando consideramos como que o sinal modulante (Vmod) divide a forma de onda da portadora, notamos a formação de mais um triângulo (hachurado na figura). Assim, podemos fazer a seguinte relação de triângulos:

Manipulando um pouco:

Assim,

Ou seja, o duty de um PWM é igual à razão entre a amplitude da modulante e a amplitude da portadora! Com isso, quanto maior for a modulante, maior o duty cycle e vice-versa, ou seja, a informação da modulante é inserida no sinal modulado por meio da variação do duty cycle! Você pode verificar como o duty do PWM varia com o sinal modulante, com o nosso Widget interativo.

Como o PWM é usado para controlar conversores?

Como visto, o PWM carrega na largura de um pulso quadrado a informação da modulante. No entanto, como que essa informação é passada para os conversores eletrônicos, e como o PWM vai usar essa informação para controlar esses conversores? Bom, para entender isso, vamos tomar um chopper como exemplo. A Fig. 4 mostra um chopper de 1 quadrante (conversor cc-cc mais simples que existe), onde vemos tanto o sinal de comando PWM e a forma de onda que o conversor entrega a um motor cc.

Nesse conversor, o comando do transistor é o próprio sinal PWM, o que produz uma tensão de saída com a mesma forma de onda do PWM, porém, com uma amplitude igual a +V_DD. Assim, o chopper amplifica o comando PWM e o aplica ao motor. Pode parecer estranho usar uma tensão quadrada sobre um motor, contudo, se o período do sinal for muito rápido, ou seja, a frequência do sinal PWM for muito alta, o motor não vai perceber o liga/desliga, mas apenas a tensão média de saída do chopper. Todavia, podemos calcular a tensão média na saída do chopper em função do ciclo de trabalho:

Assim, percebemos que a tensão média na saída do chopper é igual à sua tensão de alimentação multiplicada pelo duty cycle do PWM. Entretanto, como o próprio duty também é controlado pela tensão da modulante, podemos reescrever tudo e mostrar:

Ou seja, a tensão média na saída do chopper é diretamente proporcional à tensão modulante. Assim, ao variar a modulante, controlamos a tensão na saída do conversor e consequentemente, a velocidade no motor.

PWM com modulantes alternadas

Da mesma forma que no chopper, onde o PWM transmitiu uma informação de tensão média/velocidade para o controle do motor, ele pode servir para carregar informações de sinais alternados. Um exemplo disso está em aplicações como inversores de frequência e inversores solares. Nesses casos, o conversor deve ter uma onda alternada em sua saída e usamos o PWM para transmitir a informação de forma de onda e amplitude para o conversor. A fig. 5 illustra essa aplicação para um inversor de frequência.

Neste caso, o PWM é gerado com uma onda senoidal com modulante, contudo, como os inversores possuem ao menos dois transistores, para poder ter correntes positivas e negativas no motor, o sinal PWM aciona diretamente um dos transistores, enquanto o outro é acionado com o sinal PWM invertido. Note também que o motor está ligado entre um braço de transistores e um divisor capacitivo, com isso, o sinal PWM amplificado aparece sobre o motor mas deslocado de +V_DD/2, o que permite tensões positivas e negativas sobre o motor.

Dá para perceber que o princípio de funcionamento é bem similar ao chopper. Igualmente ao caso anterior, se a frequência do sinal PWM for muito alta, o motor não vai notar o liga/desliga, mas apenas a média desses chaveamentos. Mais do que isso, se fizermos a frequência da portadora muito maior que a frequência da modulante, o duty cycle do sinal vai variar acompanhando de perto a amplitude da senoide, de forma que que a tensão percebida pelo motor vai ter a mesma forma de onda da modulante e uma amplitude dada por:

Assim, os inversores conseguem variar a velocidade de acionamento dos motores ca, ao modificarem tanto a amplitude, quanto a frequência do sinal modulante.

Conclusão

O PWM é uma modulação muito importante para a Eletrônica de Potência e está presente em praticamente todos os equipamentos eletrônicos modernos, tanto nas residências, quanto na indústria. Ele consegue pegar a informação de um sinal chamado modulante e transformá-la em um sinal liga/desliga de largura de pulso variável, assim, o conversor consegue amplificar esse sinal e aplicar a alguma carga. Com isso, a informação da modulante é amplificada e transmitida à carga, mas com bastante eficiência, já que com o liga/desliga dos transistores, temos muita pouca perda de energia. Existe muito o que se discutir a mais sobre o comando PWM, mas vamos nos aprofundar nisso em outros artigos.

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