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PWM - Pulse Width Modulation - Pulso com Largura Modulada, como medir estes sinais

Reparador automotivo, você já ouviu falar em sinais PWM? Esse tipo de sinal elétrico é cada vez mais aplicado em diversos componentes do sistema de injeção eletrônica de combustível

Por André Miura

Confira agora como identificar um sinal PWM, exemplos de sua aplicação e como testá-lo corretamente. 

Com os avanços tecnológicos na construção dos veículos, obteve-se maior controle no monitoramento e funcionamento de sensores e atuadores. Grande parte desses avanços deve-se ao fato de sinais elétricos diferentes serem aplicados. Nos veículos mais antigos, os sinais elétricos recebidos pela ECU eram, em sua maioria, capazes apenas de indicar que algo estava “acionado” ou “sem funcionamento”. Porém as necessidades de maior controle da mistura Ar/Combustível fizeram com que sinais elétricos mais precisos fossem empregados, possibilitando um monitoramento e acionamento de sensores e atuadores de maneira graduada. O sinal elétrico empregado para esse fim é o PWM. 

O sinal PWM – O que é e para que é usado nos veículos? 

O sinal PWM tem origem em uma sigla em inglês: Pulse Width Modulation. Portanto, PWM é um Pulso com Largura Modulada. Essa definição nos ensina muito sobre como identificar corretamente um pulso PWM. Podemos afirmar que para que um pulso seja realmente um PWM, a única característica inconstante do sinal deve ser a largura do pulso. Portanto, o período completo de trabalho do sinal, bem como a tensão positiva que ele atingiu devem ser constantes e sempre os mesmos, sendo que apenas a “largura” do pulso positivo deve modular. Essa parte positiva do sinal PWM é chamada de “Duty Cycle”.

Como observado na Imagem 1, um sinal PWM tem um período constante (tempo total de trabalho da onda) e uma tensão positiva de trabalho (amplitude) que atinge sempre o mesmo valor de maneira constante, modulando apenas o tempo em que o pulso esteve acionado em positivo ou em zero. Podemos afirmar também que o sinal PWM é um sinal digital, pois em qualquer intervalo de tempo em que for analisado ele estará sempre “acionado” ou “desligado”. Um sinal com variações nesse quesito seria um sinal analógico. Vale lembrar também que nem todo sinal digital é um sinal PWM, pois outros sinais digitais podem ter, por exemplo, períodos de trabalho variáveis, o que não caracteriza um sinal PWM. Um exemplo disso são os sinais de rede CAN – digitais, mas não PWM. 

Um sinal elétrico com as características de PWM é amplamente usado em aplicações automotivas, pois assim é possível um controle mais preciso que vai além de simplesmente “ligar” ou “desligar” um componente. Com um pulso PWM pode-se, por exemplo, acionar uma eletroválvula de maneira gradual, ou receber de um sensor que monitora o posicionamento de algo um sinal que possibilite acompanhar todo o trajeto.

Aplicações do sinal PWM - Atuadores 

Um exemplo de Atuador controlado por um sinal PWM é a eletroválvula reguladora de pressão do combustível, conhecida como Mprop, aplicada nos sistemas Common Rail Diesel. Essa eletroválvula regula uma passagem de combustível que alimenta uma bomba mecânica geradora de alta pressão para o tubo distribuidor comum (rail). Essa passagem não pode permanecer simplesmente “aberta” ou “fechada”. É necessário um controle do avanço e recuo de um êmbolo interno à válvula, que irá diminuir ou aumentar a passagem de combustível. 

O controle dessa válvula através de um pulso PWM é possível devido a sua construção. A Mprop é um válvula solenoide, composta portanto por uma bobina em volta do êmbolo que deverá ser deslocado quando o acionamento ocorrer. Esse êmbolo é acionado quando existe a geração de campo magnético na bobina. Para que isso ocorra é necessário a diferença de potencial nos terminais dessa bobina (Potencial positivo e Potencial negativo). Existem modelos de válvula Mprop que recebem um aterramento direto, enquanto outros modelos tem uma alimentação positiva direta. Em ambos os casos o principio de funcionamento é o mesmo – teremos movimento do êmbolo quando a potência faltante (positiva ou negativa) for enviada pelo módulo do motor, através de um sinal PWM. Se a parte positiva ou negativa do sinal irá controlar o acionamento dependerá de qual potencial a válvula já possui. 

Aplicações do sinal PWM - Sensores 

Outro exemplo da aplicação de sinal PWM, agora em um elemento sensor, é o pedal do acelerador eletrônico. Ao substituirmos o acionamento mecânico através de um cabo, sistemas diferentes de acionamento eletrônico foram implantados. Antigamente, quando o motorista aplicava maior aceleração no pedal, o módulo do motor respondia a isso efetuando o controle da injeção - obedecendo exclusivamente a aceleração. Porém, com o pedal de acelerador eletrônico, o módulo do motor efetua mudanças na injeção usando como base uma série de leituras e não apenas a aceleração. Esses novos pedais contam com um sensor de posição que pode ser construído com pistas resistivas (variação de valores de resistência e tensão) ou com um circuito eletrônico gerador de PWM. Os pedais de acelerador que contam com sistema PWM são encontrados tanto na linha leve quanto na linha Diesel. 

O pedal de acelerador com sensor de posição capaz de gerar sinal PWM, possui dois contatos condutores fixados no eixo do pedal. Os movimento desses contatos são captados por trilhas condutivas no circuito eletrônico, que indicam o movimento de acionamento do pedal. Esse movimento por sua vez é convertido em um sinal PWM pelo circuito.

O sinal gerado pelo sensor de posição do pedal no exemplo das imagens é enviado ao módulo de cabine do veículo, que por sua vez, envia por rede CAN esse sinal ao módulo do motor. Em outras aplicações o pedal pode enviar sinais diretamente ao módulo do motor. Essa informação somada a outras dos diversos sensores são usadas para controlar a injeção de combustível necessária para a aceleração solicitada pelo motorista. O uso de sinal PWM nos pedais de acelerador torna o monitoramento ainda mais preciso, com menos falhas e com resposta possível mais rápida e eficiente. 

Como testar um PWM? 

Deve-se tomar alguns cuidados para se testar corretamente um pulso PWM. Visto que a única variável do sinal é a largura do pulso positivo, nem todos os equipamentos de medição são capazes de medir essa variação. Por exemplo, muitos reparadores têm o hábito de medir sinais PWM com a escala de tensão do Multímetro. Nessa escala, os multímetros fazem uma media da tensão pico, portanto variam essa tensão de acordo com a variação da largura do pulso, indicando falsamente para o reparador que a tensão elétrica variou ou a que a tensão é constante. Porém, como aprendemos, apenas o tempo em que ela ficou em positivo variou, e não a medida da tensão pico. Esses cuidados nas medições devem ser tomados tanto em testes diretamente no veículo ou em bancada direto no módulo responsável pelo acionamento.

Por isso, o equipamento mais adequado para monitorarmos uma variação PWM em um período de tempo é o osciloscópio. Esse equipamento, abordado em outras matérias, tem a capacidade de medir precisamente a variação de sinais em intervalos reguláveis de tempo. Outro equipamento importante para testes com o osciloscópio é um simulador de centrais, visto que são as centrais eletrônicas que geram os sinais PWM e efetuam o controle e monitoramento dos componentes. Portanto, quando constatado que falta sinal de comando vindo do módulo, pode-se verificar se o componente responsável por essa função dentro do módulo está trabalhando corretamente.

Após as devidas regulagens de tensão e tempo no osciloscópio, prossiga com os testes e  verifique a variação do pulso positivo “Duty Cycle” no período de tempo selecionado. Note na imagem que esse período NÃO tem variação, bem como a tensão de pico positiva é SEMPRE a mesma.

Conclui-se que o sinal PWM tem sido cada vez mais aplicado em sensores e atuadores, pois torna possível maior controle (no caso dos atuadores) e melhor monitoramento (no caso de sensores) dos diversos elementos nos veículos. Também, fica claro para o reparador a necessidade de investir em equipamentos de medição precisos que são hoje indispensáveis na oficina, como o osciloscópio. Ao monitorar um sinal PWM, verifique se existe as características necessárias para que seja realmente um PWM – Período constante, amplitude constante e largura positiva modulada. Invista também em conhecimento na área da eletrônica embarcada, e perceba os benefícios de um diagnóstico rápido e preciso graças ao conhecimento! 

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