PWM

 

PWM son las siglas de Pulse Width Modulation (Modulación por ancho de pulso). Para transmitir una señal, ya sea analógica o digital, se debe modular para que sea transmitida sin perder potencia o sufrir distorsión por interferencias.

PWM es una técnica que se usa para transmitir señales analógicas cuya señal portadora será digital. En esta técnica se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo (duty cycle) de una señal periódica es el ancho de su parte positiva, en relación con el período. Está expresado en porcentaje, por tanto, un duty cycle de 10% indica que está 10 de 100 a nivel alto.

Duty cycle = t / T

t = tiempo en parte positiva

T = Periodo, tiempo total

Básicamente, consiste en activar una salida digital durante un tiempo y mantenerla apagada durante el resto, generando así pulsos positivos que se repiten de manera constante. Por tanto, la frecuencia es constante (es decir, el tiempo entre disparo de pulsos), mientras que se hace variar la anchura del pulso, el duty cycle. El promedio de esta tensión de salida, a lo largo del tiempo, será igual al valor analógico deseado.

¿Para qué se usa PWM?

Esta modulación es muy usada para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga, es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores, regulación de intensidad luminosa, controles de elementos termoeléctricos o controlar fuentes conmutadas entre otros usos.

La mayoría de los automatismos, incluido Arduino, no son capaces de proporcionar una señal analógica. Sólo pueden proporcionar una salida digital de -Vcc o Vcc. (por ejemplo, 0V y 5V). Entonces, para conseguir una señal analógica, la mayoría de los automatismos usan PWM. Se usa esta técnica porque como se ve en los ejemplos anteriores, no siempre quieres un valor digital de la señal (ON/OFF), si no que necesitaremos proporcionar un valor analógico de tensión que usarán para las aplicaciones deseadas.

¿Por qué se necesita un condensador en PWM? 

Como hemos dicho, cuando requieres una señal analógica, los autómatas suelen usar PWM, y por tanto la tensión obtenida es el promedio de la salida PWM. Pero la señal resultante son pulsos bruscos, los cuales pueden tener sus desventajas ya que incluso se pueden dañar los componentes que se conectan si a tensión Vcc es superior a la tensión máxima admisible por el componente. 

Si la respuesta del sistema es lenta en comparación con la frecuencia del PWM, la salida PWM puede ser suficiente. De lo contrario, es necesario mejorar esta respuesta de la señal analógica. 

Para ello, lo más sencillo es usar un filtro paso bajo (filtro RC), el cual consta de una resistencia y un condensador, que filtrará la señal dejándola como una señal analógica más auténtica. Básicamente, el condensador se encarga de rectificar los pulsos. Estos se conectan de la siguiente forma:

Este filtro paso bajo, como su nombre indica, deja pasar las frecuencias bajas, eliminando las altas. Por tanto, se calculará para la frecuencia de corte deseada en función de los valores de sus componentes. La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal de entrada cae hasta un 70.7 % de su valor máximo.

Para el cálculo de la resistencia y el condensador se tiene que tener en cuenta la frecuencia de la salida PWM, así como la tensión de salida filtrada y la deseada. La señal de salida filtrada aun así tendrá un rizado, como se puede observar en la imagen.

Al usarse valores normalizados de resistencias y condensadores, lo habitual para calcular los componentes es conocer la tensión de salida y el duty cycle, y fijar el valor de la resistencia en función a la que tengamos disponible (del orden de k Ω normalmente).

Un servomotor es un dispositivo alimentado por corriente continua que puede controlar de modo muy exacto la posición (de 0º a 180º) o la velocidad (en revoluciones por minuto, rpm, en sentido horario o antihorario). Tienen 3 pines para su conexión: alimentación (5 V, normalmente), tierra (GND) y el pin de la señal. Por este último, a través del sistema de control le emitirá la señal PWM que le indicará al servomotor la posición o la velocidad que debe alcanzar, según el tipo de servomotor usado. 

Habitualmente hay 2 tipos, los servomotores de rango de giro limitado que son los más usados, cuyo ángulo va de 0 a 180º; y los Servomotores de rotación continua, los cuales giran 360º y se puede controlar tanto su giro como su velocidad. 

La señal de servocontrol típica tiene un período de 20 ms, mientras que el ancho de pulso varía de 1 ms a 2 ms, desde la posición mínima a la máxima de servo.