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Universidade Federal de Pernambuco
Departamento de Eletrônica e Sistemas
Prática 1: Modulação em Largura de Pulso (PWM)
Circuitos de Comunicação
Professor: Hélio Magalhães
Alberto Rodrigues
Vitor Parente
Introdução
A modulação em largura de pulso ou PWM (Pulse Width Modulation) é uma forma de
modulação em que a largura de um pulso (ou seu ciclo de trabalho) é variada de acordo com a
intensidade do sinal modulador. Esta técnica pode ser utilizada para transmitir informação por
um canal de comunicação, mas é comumente utilizada para controlar o fornecimento de
energia a dispositivos elétricos, como motores elétricos, dispositivos luminosos, fornos elétricos
e amplificadores de áudio. Isto pode ser obtido aplicando o PWM em chaves controladas por
tensão, normalmente realizadas por MOSFETs ou TBJs.
A forma mais fácil de gerar um PWM, e que foi utilizada nesta prática, requer apenas
uma onda triangular, gerada por um trem de pulsos e um integrador, implementado usando um
CI 555; e um comparador, o LM 311. O sinal modulador é somado à onda triangular e esta é
comparada com uma tensão de referência. Quando o sinal é maior que esta tensão de
referência, a saída é uma tensão alta, e quando o sinal é menor, a saída é uma tensão baixa,
gerando assim um trem de pulsos de largura variável. A frequência do sinal modulador deve ser
bem menor do que a frequência da onda triangular, tipicamente no mínimo dez vezes.
A vantagem no uso do PWM para a regulação de tensão está no fato de que sua
eficiência é maior do que a obtida de forma resistiva. A potência média fornecida à carga é
proporcional ao ciclo de trabalho, e com o uso de filtros passivos sua forma de onda pode ser
suavizada ou até mesmo retificada. Muitas vezes a própria indutância da carga, como no caso
de motores, funciona como um filtro.
Suas desvantagens, porém, são a geração de harmônicos, ruído eletromagnético e
picos de tensão decorrentes do chaveamento de alta frequência, o que muitas vezes requer
medidas como filtragem e blindagem eletrostática.
Um exemplo do uso de PWM é no controle do brilho de televisores e monitores de LED.
Quando o brilho do monitor está configurado no máximo, o fornecimento de energia é máximo.
Quando o brilho é reduzido, porém, menos energia deve ser fornecida aos LEDs. Isto é feito
introduzindo pequenas pausas no fornecimento de energia durante os quais os LEDs
permanecem desligados, uma vez que o tempo para que eles desliguem após a cessação do
fornecimento de energia é bastante pequeno. Isto é feito, porém, em uma frequência alta o
suficiente para que seja imperceptível aos olhos humanos. No entanto, há estudos que dizem
que este método causa fadiga visual, olhos cansados e dores de cabeça.
Procedimento Experimental
Montamos o circuito representado pelo esquemático da Figura 1 na protoboard, como
mostrado na Figura 2.
Figura 1. Esquemático do circuito modulador PWM.
Figura 2. Circuito montado na protoboard.
Usando o gerador de função, aplicamos pulsos de 5 V e frequência de 100 KHz ao pino
2 (Trigger) do CI 555, como mostrado na Figura 3. Esta mesma onda foi aplicada também ao
trigger externo do osciloscópio.
Figura 3. Onda quadrada do gerador de pulsos: Frequencia de 100 kHz.
Em seguida, aplicamos uma onda senoidal de 1 KHz e amplitude 0,5 V como o sinal de
áudio a(t), como mostrado na Figura 4.
Figura 4. Sinal de entrada a(t): 1 kHz e 0,5 V de amplitude.
Desta forma, obtivemos nos pontos A, B e C, as formas de onda mostradas,
respectivamente, nas Figuras 5, 6 e 7.
Figura 5. Sinal de saída no ponto A.
Figura 6. Sinal de saída no ponto B.
Figura 7. Sinal de saída no ponto C.
Variando a amplitude do sinal a(t), observamos que para uma amplitude de
0,4V ou menos de pico, a saída não apresentava modulação e para valores de
amplitude a partir de 0,8V de pico, ocorria sobremodulação, como pode ser visto na
Figura 8.
Figura 8. Saída PWM: variação de amplitude de a(t).
Variando a frequencia, observamos que os pulsos ficavam mais próximos
para altas frequencias, como mostrado na Figura 9 (10 KHz), e mais afastados para
baixas frequências, como na Figura 10 (500 Hz).
Figura 9. Saída PWM: Variação de frequencia para cima.
Figura 10. Saída PWM: Variação de frequencia para baixo.
Alterando a resistência do potenciômetro, observamos que muda, e com
isso, a saída do circuito se comporta de maneira diferente. Para muito alto, a
tensão no ponto B (Entrada não inversora do LM 311) tende a superar cada vez
menos a tensão de referência, de forma que a saída tende a ser
predominantemente nula, como pode ser visto na Figura 11 ( = 0,3 V medido com
multímetro). Nessa figura, o sinal está na iminência de desaparecer.
Figura 11. Saída PWM: Potenciômetro acrescendo .
Para baixos valores de , a tensão no ponto B tende a superar sempre a
tensão de referência, produzindo uma saída constante de 5 V, como mostrado na
Figura 12 ( = 0,09 V medido com multímetro). Assim, para este circuito, o intervalo
de operação de é:
0,09 V < < 0,3 V
O valor obtido para uma melhor modulação foi = 0,14 V, aproximadamente o valor
médio do intervalo de operação.
Figura 12. Saída PWM: Potenciômetro decrescendo .
Conclusão
Nesta prática, pudemos aprender sobre as importantes aplicações do PWM na
transmissão de informação por um canal de telecomunicações e no controle do fornecimento
de energia através de um circuito simples e prático de ser implementado.
Referências
http://www.flatpanelshd.com/focus.php?subaction=showfull&id=1362457985
http://www.instructables.com/id/Very-simple-PWM-with-555Modulate-every-thing/step3/Howcan-PWM-help-us/
http://fab.cba.mit.edu/classes/MIT/961.04/topics/pwm.pdf