Construa um modulador PWM com o CI 555 14

A modulação por largura de pulso (PWM – Pulse With Modulation) é uma técnica eficiente para transferência de potência e controle de velocidade. Diversos microcontroladores, tal qual o Arduino, possuem periféricos dedicados para produzir PWM. No entanto, não é necessário um Arduino ou outro microcontrolador para se produzir um modulador PWM simples. Para isso, também podemos utilizar um circuito integrado (CI) chamado 555, um dos osciladores mais conhecidos e um dos componentes eletrônicos mais populares, sendo capaz de produzir um sinal PWM ajustável. Neste post, veremos como construir um modulador PWM utilizando um CI 555.

O que é PWM?

A modulação por largura de pulso (PWM – em inglês, Pulse-Width Modulation), é uma técnica utilizada para transferência de potência e transmissão de dados baseada na variação do tempo em alto em relação ao período total de um onda quadrada (duty cycle). Ao variar o duty cycle de uma onda quadrada com frequência fixa, varia-se o valor médio de tensão deste sinal. Por exemplo, uma onda quadrada de 1 Hz, variando entre 10 V e 0 V com duty cycle de 50% (0,5 segundos em 10 V e 0,5 segundos em 0 V), possui uma tensão média de 5 V (50% de 10V).

A imagem abaixo representa um sinal PWM (imagem inferior) com duty cycle variando segundo uma função senoidal (imagem superior). O efeito médio de ambos os sinais é o mesmo, se o PWM tiver uma frequência alta o bastante, não veríamos diferença entre um LED acionado pelo sinal senoidal e outro acionado pelo sinal PWM.

A modulação PWM é utilizada em fontes chaveadas, pois permite fornecer o máximo de potência para a carga. Caso utilizássemos um regulador de tensão (como o 7805, por exemplo), uma parte da potência seria gasta pelo componente.

Praticamente todos os microcontroladores possuem um sistema para geração de PWM, incluindo o Arduino, capaz de produzir e ajustar o sinal através da função analogWrite. Dê uma olhada no post Ajustando o brilho de um LED por PWM com Arduino.

Circuito integrado 555

Desenvolvido em 1970 e comercializado pela primeira vez em 1971, o circuito integrado (CI) 555 é um dos mais populares e versáteis CIs já desenvolvidos. Qualquer profissional, estudante ou hobbista em eletrônica já deve ter ouvido falar ou o utilizado alguma vez.

O CI 555 é um oscilador/temporizador com três modos básicos de operação:

• Modo monoestável: neste modo, após receber um disparo (um pulso de sinal) o CI mantém sua saída em alto por um determinado tempo e depois volta para baixo até que receba um novo disparo;
• Modo astável: neste modo o CI alterna sua saída entre alto e baixo em uma determinada frequência;
• Modo biestável: Atua como um flip-flop, ao receber um sinal de disparo sua saída vai para alto até receber um sinal de reset.

Entretanto, o dispositivo não se limita a estes três modos. Como dito anteriormente, é um dos CIs mais versáteis já desenvolvidos. É possível realizar pequenas modificações nos modos de operação para obter novos comportamentos. Neste post vamos utilizar o 555 para produzir um PWM através de uma modificação no modo astável.

O modo astável

Para entendermos como o modulador funciona, vamos dar uma olhada no modo astável do 555. O circuito eletrônico desse modo está representado na imagem abaixo.

Neste modo, o componente produz uma onda quadrada com frequência definida pelos resistores e pelo capacitor ligados ao 555. Tanto o modo astável quando o monoestável se baseiam em um circuito RC (resistor e capacitor), utilizado para a temporização.

Um capacitor funciona de forma semelhante a uma bateria, podendo armazenar e liberar um carga elétrica. No entanto, o capacitor tem a capacidade de se carregar e descarregar quase que instantaneamente, fornecendo toda a energia armazenada de uma só vez, enquanto baterias tem uma limitação na corrente máxima fornecida. Ao associar um capacitor e um resistor em um circuito RC série, podemos determinar com precisão o tempo que leva para um capacitor atingir um certo valor de tensão. Essa propriedade é utilizada como temporizador pelo 555.

A imagem abaixo ilustra o modo astável em dois estados distintos: carga e descarga.

Quando a tensão no capacitor é inferior à 1/3 da tensão de alimentação, o componente entra no estado de carga. Neste estado, a saída do componente é alta, o pino 7 fica em aberto e o capacitor C é carregado através dos resistores R₁ e R₂.

Quando a tensão no capacitor é superior à 2/3 da tensão de alimentação, o componente entra no estado de descarga. Neste estado, a saída do componente é baixa, o capacitor C é descarregado, através do resistor R₂ pelo pino 7, que é conectado ao terra.

O pino 5 do 555 nos dá acesso à tensão de referência (2/3 de Vcc) utilizada pelo CI para detectar quando entrar no estado de descarga. É possível deixar esse pino desconectado, porém é recomendado utilizar um pequeno capacitor, geralmente de 100 nF, para ajudar a estabilizar o oscilador.

Como o tempo de carga e descarga de um circuito RC é dado pelos valores dos resistores e do capacitor, podemos determinar o tempo em alto e o tempo em baixo da saída ao escolher valores apropriados para R₁, R₂ e para o capacitor C. No entanto, como a carga é feita pelos dois resistores e a descarga somente pelo segundo, o resultado é que o tempo de carga e consequentemente o tempo em alto sempre será maior que o tempo de descarga, ou seja, o duty cycle sempre será maior que 50%.

O modo PWM

O primeiro passo para projetarmos o modulador PWM com o CI 555 é desacoplar o resistor de carga e o de descarga, caso contrário ficamos limitados à valores de duty cycle superior à 50%. Isso pode ser alcançado ao anular o efeito do resistor R₂ durante o estado de carga. Observe o sentido da corrente nos dois estados: ela flui em sentidos diferentes durante a carga (de cima para baixo) e a descarga (de baixo para cima), com isso podemos utilizar um diodo para separar a carga da descarga.

O diodo, de maneira simplificada, funciona como um curto quando polarizado diretamente (corrente flui do anodo para o catodo) e como uma chave aberta quando polarizado reversamente. Durante a carga o diodo D_1, em paralelo com R₂, se comportará como um curto, portanto a corrente fluirá pelo diodo e não pelo resistor. No entanto, durante a descarga, o diodo D₁ se comporta como uma chave em aberto, portanto a corrente fluirá normalmente pelo resistor R₂. Com essa pequena alteração podemos obter valores de duty cycle inferiores à 50% além de termos um controle melhor sobre o tempo em alto e tempo em baixo.

Na prática, no entanto, o diodo polarizado diretamente não se comporta exatamente como um curto, ele possui uma pequena resistência, porém é muito pequena e pode ser desprezada, e provoca uma queda de tensão de 0.7 V (para diodos de silício, os mais comuns) ou 0.3 V (para diodos de germânio). Essa queda provoca uma pequena alteração na carga do capacitor e complica um pouco o cálculo do tempo de carga e consequentemente da frequência produzida. Para contornar esse efeito, adiciona-se um segundo diodo D₂ em série com R₂, com isso provocamos a mesma alteração na descarga do capacitor e compensamos o efeito.

Com a adição dos diodos, o tempo de carga (Th), de descarga (Tl) e a frequência (f) produzida pelo circuito, podem ser calculados pelas seguintes fórmulas

• Th = 0.639 * R₁ * C
• Tl  = 0.639 * R₂ * C
• T = 0.639 * (R₁ + R₂) * C
• f = 1/T

Em um PWM em geral, mantemos a frequência fixa e variamos somente o duty cycle, para isso é necessário variar o tempo em alto e produzir uma variação igual e inversa no tempo em baixo. No caso do nosso circuito, os tempos em alto e baixo são proporcionais aos respectivos resistores de carga e descarga (considerando que o capacitor é fixo). Ou seja, ao aumentarmos o resistor de carga, para aumentar o tempo em alto, precisamos simultaneamente diminuir o resistor de descarga, na mesma quantidade, para diminuir o tempo em baixo. Desta forma conseguimos variar o duty cycle sem alterar a frequência.

Um simples potenciômetro pode ser utilizado para obter esse efeito. Do ponto de vista do pino do meio, o potenciômetro R_v pode ser considerado como dois resistores variáveis. Ao girar o potenciômetro para a esquerda, aumentamos o resistor a direita, ao mesmo passo que diminuímos o resistor da esquerda. No sentido contrário, o efeito é inverso.

Considerando as duas modificações mencionadas, o circuito final do modulador está representado na imagem abaixo.

Considerando as modificações, as equações que regem o comportamento do 555, no modo modulador PWM, são:

• Th_min = 0.639 * R₁ * C
• Tl_min  = 0.639 * R₂ * C
• T = 0.639 * (R₁ + R₂ + R_v) * C
• f = 1/T

Onde Th_min refere-se ao mínimo valor de tempo em alto, Tl_min ao mínimo valor de tempo em baixo e T ao período total do PWM (inverso da frequência f).

Modulador PWM com o CI 555

Os valores de R₁, R₂, R_v e C são escolhidos de acordo com a necessidade do projeto, diferentes aplicações podem exigir diferentes valores mínimos e máximos de duty cycle e de frequência. Acionamento de LEDs, por exemplo, geralmente utiliza centenas de hertz. Motores, no entanto, algumas dezenas de kilohertz.

Neste caso, vamos utilizar valores comerciais de resistores e capacitores (que podem ser facilmente encontrados) e montar um modulador com frequência de pelo menos 10 kHz. Utilizando um capacitor de 10 nF, resistores de 1 kΩ e um potenciômetro de 10 kΩ, conseguimos uma frequência de aproximadamente 12 kHz e uma variação de duty cycle de 83% (de 8% a 91%).

Veja os dados do projeto abaixo:

Materiais Necessários

• 1 x CI 555
• 2 x Resistores 1kΩ
• 1 x Capacitor 1uF (opcional – desacoplamento)
• 1 x Capacitor 100 nF (pino 5 do 555)
• 1 x Capacitor 10 nF (pino 6 do 555)
• 1 x Potenciômetro 10kΩ
• 2 x Diodos 1N4007
• Protoboard
• Jumpers diversos

Circuito

Testes

Os testes deste circuito foram feitos utilizando um osciloscópio para observar o comportamento temporal do sinal produzido. Se estiver interessado, a loja MakerHero contém algumas opções de osciloscópios portáteis, uma solução muito boa para estudantes e hobbistas.

Ao variar o potenciômetro modificamos o duty cycle da onda quadrada entre, aproximadamente, 8% e 91%. É possível observar que existe uma variação na frequência com a variação do duty cycle, porém a frequência permanece na ordem de quilohertz.

Conclusão

O modulador PWM com o CI 555 é um projeto relativamente simples e de baixo custo, sem necessidade de qualquer software e pode ter seu duty cycle ajustado através de um potenciômetro. Obviamente existem algumas limitações quando comparado a um PWM produzido por microcontroladores e é menos preciso, no entanto consegue atender diversas aplicações mais simples nas quais a adição de um microcontrolador é desnecessária e apenas aumentaria os custos. Em um próximo post trarei alguns exemplos de aplicações para este modulador.

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