La modulación de ancho de pulso (PWM) es un método que utilizan los microcontroladores para controlar la energía al encender y apagar las señales a alta velocidad. Se utiliza en LED, motores, servos, sistemas de audio y energía. Este artículo explica los conceptos básicos de PWM, el ciclo de trabajo, el funcionamiento del temporizador, los modos, la frecuencia, la resolución y las técnicas avanzadas con gran detalle.
Descripción general de la modulación de ancho de pulso (PWM)
Los temporizadores PWM son módulos de hardware integrados dentro de microcontroladores que generan señales de pulso digital con ciclos de trabajo ajustables. En lugar de depender del software para alternar los pines, lo que consume potencia de procesamiento y corre el riesgo de fluctuar de tiempo, el microcontrolador descarga este trabajo al temporizador de hardware. Esto le permite mantener la precisión mientras libera a la CPU para manejar otras tareas. El resultado es una multitarea eficiente, una latencia reducida y un mejor rendimiento en aplicaciones reales como el control de motores, la atenuación de LED, la modulación de audio y la generación de señales. La eficiencia y precisión de PWM lo convierten en la columna vertebral de los sistemas integrados modernos, cerrando la brecha entre el control digital y el comportamiento analógico.
Ciclo de trabajo de modulación de ancho de pulso
La forma de onda muestra una señal repetitiva que cambia entre 0V y 5V. El período está marcado como 10 ms, que representa el tiempo de un ciclo completo. Dentro de ese período, la señal permanece alta (5V) durante 3 ms, lo que se conoce como ancho de pulso. El ciclo de trabajo se calcula entonces como la relación entre el tiempo elevado y el período total, lo que da un 30% en este caso. Esto significa que la señal entrega energía solo el 30% del tiempo por ciclo. La frecuencia también se deriva del período, calculado como 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Cálculo del ciclo de trabajo en temporizadores de microcontroladores
El ciclo de trabajo nos dice cuánto tiempo total se enciende una señal en comparación con el ciclo completo de la forma de onda. En un microcontrolador, esto es importante porque decide cuánta energía se envía a un dispositivo durante cada ciclo.
Para calcularlo, utiliza una fórmula simple: Ciclo de trabajo (%) = (Ancho de pulso ÷ período) × 100. Si la señal está activa en ALTO, el ciclo de trabajo es la fracción de tiempo que la señal permanece en ALTO. Si la señal está activa en BAJO, el ciclo de trabajo es la fracción de tiempo que permanece en BAJO.
Temporizador de modulación de ancho de pulso
Esta imagen muestra cómo funciona un temporizador PWM al vincular la salida de voltaje a un contador. El contador cuenta repetidamente de 0 a 9, luego se reinicia, creando el período de la señal. Cuando el contador alcanza un valor de coincidencia establecido (aquí, 2), la salida es alta y permanece alta hasta que el contador se desborda, definiendo el ancho del pulso. El punto de desbordamiento restablece el ciclo, comenzando un nuevo período.
El temporizador determina el ciclo de trabajo controlando cuándo se enciende la salida (coincidencia) y cuándo se reinicia (desbordamiento). El ajuste del valor de coincidencia cambia el ancho de la señal alta, controlando directamente cuánta potencia entrega el PWM a una carga.
Modos PWM alineados en los bordes y alineados al centro
Modo alineado con los bordes
En PWM alineado con bordes, el contador solo cuenta desde cero hasta un máximo establecido, y el cambio se produce al principio o al final del ciclo. Esto hace que sea sencillo de implementar y altamente eficiente, ya que la mayoría de los microcontroladores y temporizadores lo admiten de forma nativa. Debido a que todos los bordes de conmutación están alineados a un lado del período, puede provocar una ondulación de corriente desigual y una mayor interferencia electromagnética (EMI).
Modo alineado al centro (corrección de fase)
En PWM alineado al centro, el contador cuenta hacia arriba y luego hacia abajo dentro de cada ciclo. Esto asegura que los bordes de conmutación se distribuyan alrededor del centro de la forma de onda, creando una salida más equilibrada. La simetría reduce los armónicos, la ondulación del par en los motores y la EMI en los sistemas de potencia. Aunque es un poco más complejo y menos eficiente en términos de utilización de frecuencias, proporciona una calidad de salida mucho más limpia.
Selección de la frecuencia PWM correcta
• La atenuación LED requiere frecuencias superiores a 200 Hz para eliminar el parpadeo visible, mientras que la retroiluminación de la pantalla y los sistemas de iluminación de alta calidad a menudo usan 20-40 kHz para permanecer más allá de la percepción humana y minimizar el ruido.
• Los motores eléctricos funcionan mejor con frecuencias PWM entre 2 y 20 kHz, equilibrando las pérdidas de conmutación con la suavidad del par; Los valores más bajos proporcionan una mayor resolución del ciclo de trabajo, mientras que los valores más altos reducen el ruido audible y la ondulación.
• Los servos estándar para aficionados se basan en señales de control fijas de alrededor de 50 Hz (período de 20 ms), donde el ancho del pulso, no la frecuencia, determina la posición angular.
• La generación de audio y la conversión de digital a analógico requieren PWM muy por encima del espectro audible, más de 22 kHz, para evitar interferencias y permitir un filtrado limpio de las señales.
• En la electrónica de potencia, la selección de frecuencia a menudo compensa entre la eficiencia, las pérdidas de conmutación, la interferencia electromagnética y la respuesta dinámica de la carga específica.
Resolución PWM y tamaño de paso
Resolución (pasos)
El número de niveles de ciclo de trabajo discretos se establece mediante el recuento de períodos del temporizador (N). Por ejemplo, si un contador va de 0 a 1023, eso da 1024 pasos de ciclo de trabajo distintos. Los recuentos más altos significan un control más preciso de la producción.
Profundidad binaria
La resolución se expresa a menudo en bits, calculados como log₂(N). Un contador de 1024 pasos corresponde a una resolución de 10 bits, mientras que un contador 65536 corresponde a una resolución de 16 bits. Esto define la precisión con la que se puede ajustar el ciclo de trabajo.
Paso de tiempo
El reloj del sistema determina el incremento más pequeño, igual a 1 ÷ fClock. Las velocidades de reloj más rápidas permiten períodos más cortos y frecuencias PWM más altas mientras mantienen una resolución fina.
Compensaciones
El aumento de la resolución requiere más recuentos de temporizadores, lo que a su vez reduce la frecuencia máxima de PWM para un reloj determinado. Por el contrario, las frecuencias más altas reducen la resolución disponible.
Ejemplo de configuración de preescalador PWM y período
| Paso | Cálculo | Resultado | Detalles de la explicación |
|---|---|---|---|
| Reloj MCU | - | 24 MHz | Frecuencia base que impulsa el temporizador. |
| Aplicar prescaler ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | El reloj temporizador se ha reducido a un rango de conteo manejable. |
| Período de temporizador | 3 MHz × 0,020 s | 60,000 recuentos | Establecer el registro de recarga automática/período en 60.000 da una trama de 20 ms. |
| Resolución por tick | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Cada incremento del temporizador es igual a \~0,33 microsegundos. |
| Control de pulsos servo | Ancho de pulso de 1–2 ms = 3000–6000 tics | Proporciona un control angular suave dentro del marco de 20 ms. | - |
Técnicas avanzadas de canal PWM
Inserción en tiempo muerto
El tiempo muerto es un pequeño retraso controlado insertado entre la conmutación de transistores complementarios en un circuito de medio puente o puente completo. Sin él, tanto los dispositivos de lado alto como de lado bajo podrían conducir momentáneamente al mismo tiempo, causando un cortocircuito conocido como disparo. Al agregar unas pocas decenas o cientos de nanosegundos de tiempo muerto, el hardware garantiza transiciones seguras, protegiendo los MOSFET o IGBT de daños.
Productos complementarios
Las salidas complementarias generan dos señales que son lógicamente opuestas entre sí. Esto es especialmente útil en circuitos push-pull, controladores de motor y etapas de inversor, donde un transistor debe apagarse precisamente cuando se enciende el otro. El uso de pares PWM complementarios simplifica el circuito del controlador y garantiza la simetría, mejorando la eficiencia y reduciendo la distorsión.
Actualizaciones sincrónicas
En sistemas con múltiples canales PWM, las actualizaciones síncronas permiten que todas las salidas se actualicen simultáneamente. Sin esta función, podrían producirse pequeños desajustes de sincronización (sesgo), lo que provocaría un funcionamiento desigual. En los accionamientos de motor trifásicos o convertidores multifásicos, el PWM sincronizado garantiza el equilibrio, el rendimiento suave y la reducción de las interferencias electromagnéticas.
Activación cruzada
La activación cruzada permite que los temporizadores interactúen entre sí, de modo que un evento PWM pueda iniciar, restablecer o ajustar otro temporizador. Esta característica es poderosa en sistemas de control avanzados, lo que permite una coordinación precisa de múltiples señales. Las aplicaciones incluyen accionamientos de motor en cascada, convertidores de potencia intercalados y muestreo de sensores sincronizados, donde las relaciones de sincronización entre canales son críticas.
Servo Movimiento con Señales PWM
| Ancho de pulso | Servo Movimiento |
|---|---|
| \~1.0 ms | Gira completamente a la izquierda o gira en el sentido de las agujas del reloj a toda velocidad |
| \~1,5 ms | Permanece en el medio o deja de moverse |
| \~2.0 ms | Gira completamente hacia la derecha o gira en sentido contrario a las agujas del reloj a toda velocidad |
Conclusión
PWM es una herramienta principal que permite a los sistemas digitales controlar dispositivos analógicos con precisión y eficiencia. Al aprender los ciclos de trabajo, la configuración del temporizador, las opciones de frecuencia, las compensaciones de resolución y los métodos avanzados como el tiempo muerto o la corrección gamma, puede diseñar sistemas confiables. PWM continúa apoyando la electrónica moderna en aplicaciones de iluminación, movimiento, audio y energía.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿PWM mejora la eficiencia energética?
Sí. PWM enciende o apaga los dispositivos por completo, minimizando la pérdida de calor en comparación con el control de voltaje analógico.
¿PWM crea interferencias electromagnéticas (EMI)?
Sí. La conmutación rápida genera armónicos que causan EMI. El PWM alineado al centro lo reduce y los filtros ayudan a suprimir el ruido.
¿Por qué usar un filtro de paso bajo con PWM?
Un filtro de paso bajo suaviza la onda cuadrada en un voltaje de CC promedio, útil para audio, salidas analógicas y simulación de sensores.
¿Puede PWM controlar los elementos calefactores?
Sí. Los calentadores responden lentamente, por lo que incluso las frecuencias PWM bajas (10-100 Hz) proporcionan un control estable de la temperatura.
¿Para qué se utiliza el PWM con desplazamiento de fase?
Cambia la sincronización entre canales para reducir los picos de corriente y equilibrar las cargas, comunes en convertidores multifásicos y accionamientos de motor.
¿Cómo evitan los microcontroladores la fluctuación de PWM?
Utilizan registros de doble búfer y actualizaciones sincronizadas para que los cambios en el ciclo de trabajo se apliquen limpiamente al comienzo de cada ciclo.