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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Modulação por Largura de Impulso (PWM)
Neste artigo em quatro partes iremos falar de um circuito muito utilizado para controlo de potência entregue a uma carga, nomeadamente, a motores que equipam os robots/manipuladores/braços robóticos: o PWM, Pulse Width Modulation, Modulação por Largura de Impulso.
Este circuito pode ser obtido de várias formas, com diversas montagens e componentes, como pode facilmente constatar através de uma pesquisa rápida na internet.
No nosso caso, em resumo, trataremos dos seguintes pontos essenciais:
. Esquema de montagem e componentes utilizados
. Explicação geral do funcionamento do circuito
. Explicaçlão detalhada do funcionamento do circuito e de alguns dos seus componentes
. Aplicações do circuito (exemplos)
. Aplicação como controlador do brilho de um LED e de um display de 7-segmentos (leds)
. Aplicação como controlador da velocidade de um motor DC que equipa um robot didáctico

Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 1/4

–> Esquema e Explicação Geral do Funcionamento do Circuito

1. Definição

A Modulação por Largura de Impulso, mais conhecida por Pulse Width Modulation, a partir de agora tratada por PWM, é uma técnica digital que permite variar a (quantidade de) potência entregue a um componente electrónico (carga).

Ajustando essa tal de potência entregue, por exemplo a um motor ou a um LED, a velocidade desse motor e o brilho desse LED podem ser controlados.

A maneira mais fácil e flexível de gerar um sinal PWM é através de um microcontrolador.

Mas como existe muita gente que não sabe como programar um microcontrolador, vamos ver outra maneira, mais ‘hardwérica’ de o fazer, utilizando apenas componentes comuns, compráveis em qualquer loja de electrónica.

Vamos começar com um esquema de um circuito baseado num inversor que fornece na saída uma onda quadrada de duty-cycle variável.

Esquemas adicionais pegam nessa onda de saída e controlam um motor DC e um display de 7 segmentos.

2. Construção do PWM Ajustável / Esquema

Um sinal PWM começa com uma tensão que sobe e desce de valor, de uma forma repetida.

O método clássico de criar a oscilação é através de um circuito RC (resistência – condensador). Este circuito utiliza um temporizador RC com um díodo em contraposição para alterar a relação do tempo do impulso a ON versus o tempo do impulso a OFF (o chamado Duty-Cycle, ao fim e ao cabo).

Let´s look at the circuit!

Figura 1 – Esquema de um circuito PWM de Duty-Cycle variável, baseado num Circuito Integrado inversor lógico, o 74AC14.

2.1. Explicação do Funcionamento Geral do Circuito e Respectivos Componentes Utilizados

2.1.1. CI (circuito integrado): 74AC14 –> seis inversores com entradas Schmitt-Trigger.

. O número 74xx14 é o número standard para um encapsulamento de 6 portas lógicas inversoras funcionando entre os vários pinos do integrado (ver pinos de entradas, saídas, e alimentação, no layout dado pelo fabricante).

. A parte do número que aqui aparece como AC tem a ver com a tecnologia usada no caso concreto deste tipo de 7414 (tipo de material semicondutor, tamanho da máscara, etc.). No caso, ‘AC’ quer dizer “Advanced CMOS”. Isso dá-nos a informação que o integrado funciona com tensões entre 2 e 6 V e as saídas são capazes de fornecer até 25 mA por pino.

. Só vamos precisar de 2 das 6 portas inversoras que o CI tem. As outras podem ser usadas para outra coisa qualquer. Se não precisar delas para nada, ligue-as à terra (pino GND – Ground).

. Inversor quer dizer que o sinal que você ligar à entrada (pino de entrada de uma das 6 portas), fará aparecer o valor lógico inverso no correspondente pino de saída.

. Entradas Schmitt-Trigger são entradas especiais projectadas para converter eficientemente sinais analógicos que variam lentamente no tempo.

2.1.2. C1 – Condensador de 0,1 µF

Suaviza a tensão fornecida ao integrado.
Se não colocar este condensador, provavelmente o integrado funcionará, mas poderão verificar-se falhas de tensão intermitentes nas entradas ou picos de tensão nas saídas.

2.1.3. C2 – Condensador de 0,1 µF
Vai ser carregado e descarregado repetidamente, de modo a construir a onda quadrada (impulso). Diminuindo a sua capacidade aumenta a frequência da onda.

2.1.4. R2 – Resistência variável de 10kΩ (potenciómetro)
Esta resistência é variável para permitir alterar os tempos em que a onda quadrada de saída estará a ON e a OFF. Aumentando o valor da resistência aumenta a frequência da onda e vice-versa.

2.1.5. D1 e D2 – Dois díodos –> 1N914 ou 1N4148 são das melhores escolhas possíveis
O D1 cria o caminho para a carga, enquanto o D2 faz o mesmo para a descarga.
Sem estes díodos, a onda quadrada seria gerada na mesma, mas os tempos a ON e a OFF não poderiam ser alterados pois o condensador seria carregado e descarregado através do mesmo caminho, pela mesma resistência. Este tópico, importante no funcionamento do circuito, é mais desenvolvido adiante.

Figura 2 – Modulação por Largura de Impulso (PWM) variável, montado numa placa breadboard, sem soldaduras, portanto.

O circuito montado na breadboard parece diferente do esquema, mas é o mesmo.
O condensador C1 está ligado, mas ficou de fora da fotografia.
O Trimmer/Potenciómetro (R2) fica um pouco mais elevado na placa, de modo que pode ver todos os fios e ligações.

Repare, na fotografia e no esquema, que a onda de saída pulsante surge do segundo inversor, não do primeiro.
A saída do primeiro inversor vai alimentar o segundo inversor, de modo a produzir uma cópia limpinha 🙂

Ligando uma carga (LED, driver de motor transístorizado) à cópia, não alterará a operação de R1, D1, D2 e C2. Contudo, se não tivéssemos feito uma cópia, e tivéssemos ligado uma carga ao pino de saída do primeiro inversor, então a frequência e o duty-cycle do circuito PWM seriam alterados pela carga.

De modo mais simples, fazemos uma cópia do sinal para não estragarmos o sinal original quando ligamos a onda de saída a outros circuitos.

[continua…]