A modulação por largura de pulso (PWM) é uma técnica de controle de potência que ajusta a saída efetiva de sinais eletrônicos, comutando-os rapidamente em uma frequência fixa. Ao ajustar a relação entre o tempo de "condução" e o ciclo total, a fonte de sinal digital pode simular níveis de tensão analógica em constante mudança, controlando assim a energia média fornecida à carga.
De forma mais ampla, a tecnologia de modulação refere-se à alteração da forma de onda elétrica ou à codificação de informações em uma forma de onda elétrica para influenciar o comportamento de circuitos ou sistemas. Em produtos eletrônicos práticos, isso significa moldar o sinal para permitir a transmissão de dados ou gerenciar a magnitude da tensão ou corrente que chega ao dispositivo. Este princípio tem sido amplamente aplicado em acionamentos de motores, dimerização de iluminação, sistemas de áudio, bem como em circuitos de conversão de energia ou carregamento de baterias.
Embora PWM, modulação de amplitude (AM) e modulação de frequência (FM) sejam as principais estratégias para controlar a percepção do sinal de amplitude ou frequência, este artigo discutirá especificamente o PWM.
Fundamentos PWM - Ciclo de trabalho e frequência de comutação
Conforme mencionado anteriormente, o PWM forma formas de onda ajustando a tensão e a corrente efetivas fornecidas à carga. Isto é conseguido acionando rapidamente dispositivos de comutação (geralmente transistores) para alternar entre os estados totalmente ligado e totalmente desligado. Ao alterar o tempo de retenção do dispositivo de comutação em cada estado, o sistema codifica as informações através da duração relativa dos intervalos de alto e baixo nível.
Na verdade, o PWM limita sua potência elétrica líquida alterando o tempo que leva para o dispositivo obter a tensão total da fonte de alimentação em cada ciclo de comutação. Aumentar o 'tempo de condução' aumentará a tensão média de saída, enquanto reduzir o 'tempo de condução' diminuirá o nível de tensão efetivo da carga. Este comportamento pode ser descrito por dois parâmetros principais: ciclo de trabalho e frequência de chaveamento.
O ciclo de trabalho representa a proporção de tempo que um sinal permanece em estado ativo ou de alto nível dentro de um ciclo completo de forma de onda. Essa relação geralmente é expressa como uma porcentagem (%), indicando quanto tempo a saída permanece no estado ligado (efetivo) durante cada ciclo. Por exemplo, se a forma de onda digital mantiver um nível alto por 3 milissegundos e um nível baixo por 1 milissegundo, o período total será de 4 milissegundos, o ciclo de trabalho será de 75% e a frequência de comutação correspondente será de 250 Hz.
Como o ciclo de trabalho determina diretamente a duração de cada seção energizada por pulso, a modificação do ciclo de trabalho pode controlar a potência efetiva fornecida à carga, alterando a relação entre o tempo de alto nível e o tempo de baixo nível, sem alterar a tensão real da fonte de alimentação. Em muitos sistemas, a tensão e a frequência são parâmetros fixos e o ciclo de trabalho é a principal variável de controle ajustável. Em aplicações como elementos de aquecimento acionados por PWM, o monitoramento do ciclo de trabalho também pode servir como um indicador confiável para determinar o nível de potência esperado fornecido pelo sistema.
A frequência de comutação descreve o número de vezes que um evento se repete dentro de um determinado período de tempo. Aqui, refere-se ao número de ciclos “liga-desliga” realizados por segundo pelo dispositivo de comutação que aciona o sinal PWM. Esta frequência é medida em Hertz (Hz) e representa a velocidade de ciclagem do nível de potência ao longo de todo o ciclo operacional.
Para garantir o desempenho esperado da carga, é necessário escolher uma frequência de chaveamento PWM adequada. Se a frequência definida para uma aplicação específica for muito alta, os componentes mecânicos, como relés ou certos tipos de atuadores, poderão não conseguir atingir velocidades de comutação rápidas, resultando em falha prematura. Pelo contrário, uma frequência de comutação baixa pode ter efeitos adversos como ruído, vibração ou instabilidade dos dispositivos controlados. Por exemplo, embora frequências relativamente baixas sejam aceitáveis para acionar motores, cargas de estado sólido, como LEDs, normalmente requerem frequências de comutação significativamente mais altas para operar suavemente e sem cintilação.