Universidade Federal de Pernambuco

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1 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.

2 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.

3 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.

4 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.

5 Figura 6. Sinal de saída no ponto B. Figura 7. Sinal de saída no ponto C.

6 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.

7 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

8 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