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Calculadora de ciclo de trabalho PWM

Calcule o ciclo de trabalho, a frequência, a tensão média, o tempo de inatividade e a tensão RMS do PWM a partir dos parâmetros de tempo e período

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Fórmula

D=ton/T×100D = t_on / T × 100%, V_avg = V_cc × D, V_rms = V_cc × √D
D— Ciclo de trabalho (%)
t_on— Na hora certa (μs)
T— Período (μs)
V_cc— Tensão de alimentação (V)
V_avg— Tensão média (V)
V_rms— Tensão RMS (V)

Como Funciona

A calculadora de ciclo de trabalho PWM determina a porcentagem de pontualidade, a tensão média e o fornecimento de energia para sinais modulados por largura de pulso — essenciais para controle de velocidade do motor, escurecimento de LED e conversores de potência de comutação. Desenvolvedores embarcados, engenheiros de controle de motor e projetistas de eletrônica de potência usam essa ferramenta para configurar periféricos de temporizador e otimizar os circuitos de acionamento. De acordo com a nota de aplicação da TI SPRAA88, o PWM alcança um controle de potência quase sem perdas ao ligar/desligar totalmente em vez da regulação linear - um acionamento de motor com ciclo de trabalho de 50% dissipa < 2% da potência no MOSFET versus 50% em um regulador linear. A relação fundamental Vavg = Vpp × D (onde D = ton/T) fornece a tensão média vista pela inércia mecânica ou térmica da carga. De acordo com o Microchip AN964, a frequência PWM deve exceder a constante de tempo de carga em no mínimo 10 ×: a constante de tempo mecânico do motor τ = J × R/K² (normalmente 10-100 ms) requer fsw > 1 kHz, enquanto a constante de tempo térmico do LED (~ 100 ms) permite mais de 100 Hz para escurecimento sem cintilação. A resolução depende do relógio e do período do cronômetro: um cronômetro de 8 bits fornece 256 etapas (resolução de 0,4%), enquanto os temporizadores de 16 bits atingem 65.536 etapas (resolução < 0,002%).

Exemplo Resolvido

Projete o controle de velocidade do motor PWM para um motor de 12 V DC com velocidade nominal de 500 RPM. Requisitos: faixa de velocidade de 10 a 100%, oscilação de velocidade de < 5%, mínimo ruído audível. Etapa 1: Calcular a frequência alvo — Constante de tempo do motor τ = 50 ms (da folha de dados J, R, K). Para < 5% ripple: fsw > 3/ (0,05 × τ) = 1,2 kHz. Para operação inaudível: fsw > 20 kHz (acima da audição humana). Selecione 25 kHz. Etapa 2: Determine a configuração do temporizador — Usando STM32 a 72 MHz: Período = 72M/25k = 2880 contagens. Resolução = 1/2880 = 0,035% (excelente). Etapa 3: Calcular o ciclo de trabalho para 50% de velocidade — Assumindo uma relação linear de velocidade V: D = 50% para 250 RPM. Vavg = 12 × 0,5 = 6 V. Etapa 4: Verificar a temperatura do MOSFET — A 25 kHz com 20 ns de tempo de comutação, Qg = 30 nC: Psw = 30n × 12 × 25k = 9 mW. Pcond a 5 A, 10 mΩ: 0,25 W. Total: 0,26 W — sem necessidade de dissipador de calor para o pacote SOT-23. Etapa 5: Adicionar amortecedor - A indutância do motor causa Vspike = L × dI/dt. Com 100 µH, desligamento de 5 A em 50 ns: Vspike = 10 V. Total = 22 V, bem dentro da classificação MOSFET de 30 V.

Dicas Práticas

  • ✓De acordo com a nota de aplicação de controle de motor da Infineon, use PWM alinhado ao centro para reduzir EMI — a comutação simétrica cria 2 vezes a frequência de comutação efetiva com metade da ondulação atual em comparação com a alinhada às bordas
  • ✓Implemente uma rampa de partida suave (100-500 ms) para evitar choques mecânicos e corrente de irrupção — aumente linearmente o ciclo de trabalho de 0% para atingir mais de 10 a 50 ciclos de PWM
  • ✓Adicione filtro passa-baixo RC (fc = fsw/100) após o PWM para aplicações de saída de tensão analógica — PWM de 25 kHz com filtro de 2,5 kHz e capacitor de 10 µF cria < 1% de ondulação de tensão DC

Erros Comuns

  • ✗Usando frequência PWM abaixo da largura de banda de carga — um PWM de 100 Hz em um motor com constante de tempo de 20 ms causa uma variação de velocidade de 15 a 20% por ciclo; aumente para 1+ kHz para uma operação suave
  • ✗Ignorando a banda morta em ciclos de trabalho baixos — o atraso de propagação do controlador de porta (10 a 50 ns) define o mínimo de pontualidade efetiva; com PWM de 1 MHz, o tempo mínimo de 50 ns limita a resolução a 5% do ciclo de trabalho mínimo
  • ✗<500 Hz or >Seleção da frequência PWM audível (500 Hz - 15 kHz) para acionamentos de motor — o ruído acústico eletromagnético dos enrolamentos do motor cria um ruído irritante; use 18 kHz

Perguntas Frequentes

Por motor e convenções de driver de LED: 0-100% teoricamente possível, mas 5-95% prático devido às limitações do driver. Em D < 5%, as restrições mínimas de pontualidade predominam. Em D > 95%, a recarga do capacitor de bootstrap falha em drivers de alto nível. Os drivers de LED (TI TPS92515) especificam uma faixa de escurecimento de 1 a 100% com o modo dedicado de baixo brilho de < 1%. Os acionamentos do motor normalmente se limitam a 10 a 90% para evitar paralisações e garantir uma comutação confiável.
Potência média Pavg = Ppeak × D para cargas resistivas. Para cargas indutivas (motores): a relação de potência não é linear devido ao EMF traseiro. No ciclo de trabalho de 50%, um motor de 12 V/1 A consome aproximadamente 0,6 A em média (não 0,5 A) devido ao modo de corrente contínua na indutância. De acordo com a folha de dados do TI DRV8870, o fornecimento real de energia é Pavg = (Vbus - Vbemf) × Iavg × D + Vbemf × Iavg.
Sim — o PWM combinado com a filtragem passa-baixa cria uma saída pseudo-analógica. De acordo com o Analog Devices MT-015, um PWM de N bits com filtro fc = fsw/2^N atinge resolução analógica de N bits. Exemplo: PWM de 16 bits a 100 kHz com filtro de 1,5 Hz cria DAC de 16 bits (resolução de 0,0015%). Limitações: tempo de resposta inversamente proporcional à resolução e nível mínimo de ruído definido pela tolerância dos componentes do filtro.
De acordo com o IEEE 1789 (padrão de segurança de cintilação): >3 kHz elimina a cintilação visível em qualquer ciclo de trabalho, >100 Hz é aceitável para um ciclo de trabalho de > 10%. O limite de detecção do olho humano varia com o brilho — em 1% do ciclo de trabalho, cintilação visível até 2 kHz. A iluminação de vídeo profissional requer >25 kHz para evitar artefatos de persianas rolantes. Os drivers de LED padrão (TI TPS92200) operam a 200-1000 Hz com algoritmos proprietários de redução de cintilação.
Resolução = 1/2^N para temporizador de N bits. De acordo com a nota de aplicação STM32 AN4013:8 bits = etapas de 0,39% (256 níveis), 10 bits = etapas de 0,1% (1024 níveis), 16 bits = 0,0015% etapas (65536 níveis). Para controle de velocidade do motor, 8-10 bits suficientes (precisão de velocidade de 1%). Para escurecimento de LED de precisão (proporção de 1000:1), são necessários mais de 10 bits. Para DAC de áudio, mínimo de 16 bits. Uma resolução mais alta requer um período de temporizador mais longo ou um relógio mais rápido: 16 bits a 20 kHz precisam de ajuste de relógio ou prescaler de 1,3 GHz.

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