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Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 2/4

Curso Profissional de Electrónica, Automação e Comando
Disciplina de Electricidade e Electrónica
Módulo: Osciladores
Disciplina: Automação e Comando
Módulo: Robótica

[…continuação]

Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 2/4

–> Funcionamento Detalhado do Circuito

;;; vamos agora ver como funciona o coração do circuito… ;;;

3. Funcionamento Pormenorizado do Coração do Circuito

Para perceber como funciona o circuito integrado do PWM, o 74AC14, vamos fazer zoom à secção do esquema que contém o potenciómetro, os díodos, o condensador, e a primeira porta lógica inversora.

3.1. Ciclo de Carga do Condensador


Figura 3 – Esquema parcial mostrando o caminho de carga de um circuito PWM de duty-cycle variável

3.1.1. O condensador está totalmente descarregado quando ligamos a alimentação do circuito. Como o condensador é de pequena capacidade, e porque está ligado ao pino de entrada da porta inversora, a entrada está a 0 (LOW / OFF).

3.1.2. Uma porta lógica inversora apresenta uma saída que é o oposto da entrada, logo a sua saída será 1 (HIGH / ON)

3.1.3. O sentido convencional da corrente diz-nos que esta flui da saída da porta inversora, passa pela metade esquerda do potenciómetro (R2) e depois através do díodo D1. A corrente não pode fluir através da metade direita do potenciómetro (R2) porque o díodo D2 bloqueia o caminho (repare na direcção da “seta” do díodo). Os díodos são válvulas de uma via apenas, isto é, a corrente só pode atravessá-los num sentido (polarização directa – tensão do ânodo maior do que a do cátodo) que é exactamente o sentido da “seta” formada pelo símbolo do componente.

3.1.4. A corrente flui para o condensador (C2), carregando-o. Se o cursor do potenciómetro for encostado à extremidade esquerda, a sua resistência será menor, e o condensador carregará mais rapidamente. Se o cursor do potenciómetro for encostado à extremidade direita, a sua resistência será maior, e o condensador carregará mais lentamente. Lembra que a constante de tempo é igual a RxC, o tal tau (t), lembram-se?

3.2. Ciclo de Descarga do Condensador


Figura 4 – Esquema parcial mostrando o caminho de descarga de um circuito PWM de duty-cycle variável

3.2.1. Agora o condensador encontra-se totalmente carregado. Porque, deste modo, está a 1 (HIGH / ON) e devido ao facto de estar ligado ao pino de entrada da porta lógica inversora, a entrada fica a 1 (HIGH / ON).

3.2.2. Uma porta lógica inversora produz na sua saída um valor que é o oposto da sua entrada. como a entrada está agora a 1 (HIGH / ON), a saída muda para 0 (LOW / OFF).

3.2.3. O condensador (C2) começa então agora a descarregar através do pino de saída do inversor, que está a 0 (LOW / OFF), como vimos.

3.2.4. O sentido convencional da corrente diz-nos que esta flui do condensador (C2), através do díodo (D2), e depois através da metade direita do potenciómetro (R2). Se o potenciómetro está encostado à extremidade direita, a resistência será pequena e o condensador descarregará rapidamente. Se encostarmos o potenciómetro à sua extremidade esquerda, a resistência será elevada e o condensador descarregará mais lentamente.

3.3. Como Funciona a Modulação da Largura de Impulso

A carga e descarga repetida do condensador ocorre devido à porta lógica inversora mudar para o estado lógico oposto do estado do condensador.
Quando o condensador está totalmente descarregado, a saída do inversor carrega o condensador. Quando o condensador está totalmente carregado, a saída do inversor descarrega o condensador, isto é, o condensador descarrega-se por/através dela.

Se esta fosse a única característica deste circuito, a saída seria “ON” metade do tempo (quando o condensador estivesse a carregar) e “OFF” a outra metade do tempo. Isso forneceria 50% da potência (“ON” em apenas metade do tempo) a qualquer carga que ligássemos à saída do circuito.

O truque é que a resistência do caminho “ON” é diferente do caminho do “OFF” devido aos díodos. Isso quer dizer que podemos operar/mexer/rodar o potenciómetro de modo a fazer o “tempo ON” ser maior ou menor do que o “tempo OFF”.
Deste modo, podemos fornecer um sinal de saída que pode ser “ON” entre quase 0% e 100% do tempo, à nossa escolha.

Obviamente que se as saídas estão “ON” apenas 10% do tempo, o dispositivo que ligamos ao circuito estará ligado (“ON”) apenas 10% do tempo.
Assim, a quantidade total de potência entregue pelo circuito a uma carga pode ser variada manobrando apenas o potenciómetro, alterando assim os tempos ON/OFF (duty-cycle).

Pode ajudar ver os valores reais das saídas num osciloscópio…

A saída de um circuito integrado inversor 74AC14 carrega e descarrega o condensador (C2) através de dois caminhos diferentes pelo potenciómetro, para criar a modulação de largura de impulso.

Ligando um osciloscópio ao condensador e ao pino de saída do inversor mostra-nos a operação do PWM ao longo do tempo.

3.3.1. Onda PWM de 50% = 50% de Potência (cursor do potenciómetro a meio curso)

O primeira imagem é uma captura do ecrã quando o cursor do potenciómetro está a meio.

Como, assim, aproximadamente o mesmo valor de resistência é utilizado, quer para a carga quer para a descarga do condensador, o tempo a “ON” e a “OFF” é o mesmo.


Figura 5 – Ecrã de osciloscópio de um ciclo de carga-descarga triangular de um condensador e a onda quadrada na saída do circuito lógico a ele ligado.

A linha de cima mostra-nos uma onda quase triangular. Na realidade os lados do triângulo são um bocadinho curvos. Ela representa a carga do condensador (linha ascendente) e a sua descarga (linha descendente).

Bem, se alguma vez precisar de uma onda triangular, já sabe como criar uma.

A altura do triângulo é de cerca de 1,28 V. Isto é, a diferença, em tensão, entre o estado “LOW” do condensador e o seu estado “HIGH” é à volta dos 1,28 V. Este valor é determinado pela histerese da entrada da porta Schmitt-Trigger.

A histerese real (diferença de potencial) varia de integrado para integrado, de tecnologia para tecnologia (AC, HC ou LV), com a tensão de alimentação e com a temperatura.
Os verdadeiros valores de capacidade e resistência dos componentes também diferirão um pouco dos seus valores nominais.
Por estas razões, não conseguiremos nunca pré-determinar uma frequência exacta da onda pulsante, a partir apenas desses valores nominais. Contudo, a aproximação que conseguimos é suficiente na grande maioria das aplicações.

Por exemplo, um condensador de 0,1microF e um potenciómetro de 10kohm resultaram numa onda de frequência de aproximadamente 1,07 kHz na minha montagem.
Se usasse agora outro condensador que tenho para aqui, do mesmo valor, ou deixar a breadboard envelhecer, ou tentar a mesma montagem com outra temperatura ambiente, a frequência obtida poderá variar entre 1,00 e 1,14 kHz.
Na prática estas variações não farão qualquer diferença quando aplicamos a onda nos circuitos de carga.

A linha de baixo do ecrã do osciloscópio mostra a onda quadrada de saída do inversor. Quando a saída está HIGH, a onda quadrada está HIGH, e a onda triangular sobe porque a saída está a carregar o condensador.

Repare que a saída muda de HIGH para LOW no vértice da onda triangular e de LOW para HIGH no vale da onda triangular. Nesses pontos, o condensador atinge uma tensão suficientemente elevada ou uma tensão suficientemente baixa para mudar o valor da porta inversora, o que origina que o inversor altere a sua saída.

A onda quadrada está a LOW mais ou menos o mesmo tempo (a mesma largura) que está a HIGH. A isto chama-se duty-cycle de 50%. Um dispositivo de carga ligado ao circuito receberá cerca de 50% da potência pois apenas estará ligado 50% do tempo.

3.3.2. Ondas PWM de Largura Variável = Potência Variável

O segundo ecrã do osciloscópio que apresentamos é uma figura que combina as duas situações: quando o cursor do potenciómetro é puxado todo para a esquerda e depois todo para a direita.

O osciloscópio mostra um gráfico tipo dente-de-serra, típico do ciclo de carga-e-descarga do condensador e a onda quadrada de largura variável que aparece na saída da porta lógica do integrado.

A linha de cima mostra-nos a tensão do condensador. Como a resistência de carga é diferente da resistência de descarga, a onda de saída já não é simétrica. Em vez de um triângulo, é mais parecida com a lâmina de uma serra. É uma onda a que chamamos dente-de-serra.

Nota: Se precisar de uma onda tipo dente-de-serra, já sabe como criar uma.

Quando o cursor do potenciómetro é puxado todo para a esquerda, a resistência do caminho à esquerda é diminuída de valor. Esse menor valor de resistência no caminho da corrente, permite que o condensador se carregue mais rapidamente. Então, o tempo a ON é mais pequeno.

Agora temos a parte fixe do truque. Devido ao facto de apenas uma resistência variável ser usada no circuito, o resto dessa resistência fica no outro lado do potenciómetro, ou seja, do outro caminho. Isto é, quando o caminho à esquerda é menos resistente, o caminho à direita é mais resistente. A resistência total (e assim a frequência total) é sempre a mesma – apenas a divisão entre os tempos/caminhos a ON e a OFF se alteram.

Então, com um potenciómetro de 10 kohm, quando o lado esquerdo é ligado (o cursor na posição de …) para ter uma resistência de 2kohm, o lado direito apresenta 8kohm. Quando o lado direito tem 3 kohm, o lado esquerdo possui 7 kohm, e assim sucessivamente.

Fazer o cursor ir da esquerda para a direita altera a relação entre o “tempo a ON” e o “tempo a OFF”, mas o tempo total (período) é o mesmo.

Essa relação entre o “tempo a ON” e o “tempo a OFF” é que é o “duty-cycle”.

Compare a onda quadrada ao fundo à esquerda com a onda quadrada ao fundo à direita, no ecrã do osciloscópio.
A da esquerda entrega talvez uns 10% de potência à carga, pois a maior porção da onda (o “tempo a ON”) aparece apenas durante 10% do tempo total do ciclo.
A da direita entrega cerca de 90% da potência da fonte, pois o “tempo a IN” é de 90% do tempo total.

Et voilá! você pode agora variar a potência fornecida a um dispositivo de carga que se ligue ao circuito, desde quase 0% até quase 100% da potência da fonte de alimentação.

(e porque não exactamente 0% e 100%? Mesmo que o potenciómetro seja colocado na posição de 0 ohm para a carga e 10 kohm para a descarga, afinal o condensador descarregará pelo caminho dos 10 kohm. Depois carregará novamente quase instantaneamente através do caminho 0 ohm. Mas, ainda assim, demorará uma pequena fatia de tempo na carga. Logo, não será possível que fique totalmente carregado ou totalmente descarregado, com este circuito. Para a maioria das aplicações, e, em particular esta, isso não importa para o funcionamento adequado do circuito). Relembre-se que o tau é infinito, ou seja, o condensador nunca descarrega (nem carrega) totalmente.

[continua…]

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