PWM

Concepto y fórmula

Ejemplo rápido

Con Ton = 2.5 ms y T = 10 ms, el duty cycle es 25 % y la frecuencia es 100 Hz.

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Qué revisar en un diseño real

• Ton no debe superar el periodo.
• La carga puede requerir filtrado si necesitas una señal analógica equivalente.
• Para motores y convertidores revisa pérdidas de conmutación y frecuencia adecuada.

Intuición: encender y apagar muy rápido

PWM (modulación por ancho de pulso) controla la energía que recibe una carga encendiéndola y apagándola muchas veces por segundo. Si la conmutación es lo bastante rápida comparada con la inercia de la carga, esta no “ve” los pulsos sino su promedio. Un motor tiene inercia mecánica y la inductancia de sus devanados suaviza la corriente; un calefactor tiene inercia térmica; el ojo humano integra la luz de un LED. En todos los casos, el efecto es proporcional a la fracción de tiempo encendida: el ciclo de trabajo.

Por qué PWM es tan eficiente

Un transistor disipa potencia cuando soporta tensión y corriente a la vez (P = V · I). En PWM el transistor pasa casi todo el tiempo en dos estados donde una de las dos es casi cero: apagado (sin corriente) o saturado (con muy poca tensión). Solo pierde energía en las transiciones y por su pequeña resistencia de conducción.

Compáralo con un control lineal: para alimentar un motor de 12 V con 6 V y 2 A mediante un transistor en zona lineal, el transistor absorbe los 6 V sobrantes y disipa 6 × 2 = 12 W, tanto como el motor. Con PWM al 50 % y un MOSFET de 0.05 Ω de resistencia en conducción, la pérdida por conducción es aproximadamente I² · R · D = 2² × 0.05 × 0.5 = 0.1 W, más unas pérdidas de conmutación que dependen de la frecuencia. Esa diferencia explica por qué PWM domina en fuentes conmutadas, variadores de motores y amplificadores clase D.

Frecuencia frente a resolución

En un microcontrolador, el PWM lo genera un temporizador que cuenta pulsos de reloj. Con n bits de resolución y un divisor (prescaler), la frecuencia es f_PWM = f_reloj / (prescaler · 2ⁿ). Con un reloj de 16 MHz:

• 8 bits sin divisor: 16 MHz / 256 = 62.5 kHz.
• 8 bits con divisor 64: 16 MHz / (64 × 256) ≈ 977 Hz, que es la frecuencia de los pines 5 y 6 del Arduino Uno.
• 10 bits sin divisor: 16 MHz / 1024 ≈ 15.6 kHz.

Más resolución significa pasos de duty más finos, pero una frecuencia menor con el mismo reloj. Elegir es un compromiso entre suavidad del control y frecuencia de conmutación.

Ejemplo 1: atenuar un LED

Con PWM de 8 bits, el duty cambia en pasos de 1 / 255 ≈ 0.39 %. A unos cientos de Hz el ojo ya no percibe parpadeo y ve un brillo constante. Sin embargo, la percepción del brillo no es lineal: pasar de 1 % a 2 % se nota mucho más que pasar de 90 % a 91 %. Por eso los controladores de iluminación aplican una curva (corrección gamma) para que el cambio parezca uniforme.

Ejemplo 2: control de un calefactor con relé de estado sólido

Un calefactor de 1000 W tiene tanta inercia térmica que no necesita alta frecuencia. Con un periodo de 10 s y el relé encendido 3 s, el duty es 30 % y la potencia media es 0.3 × 1000 = 300 W. Los relés de estado sólido con cruce por cero conmutan solo cuando la tensión de la red pasa por cero, lo que reduce el ruido eléctrico; por eso se usan periodos largos y no kHz. Es la salida típica de un controlador PID de temperatura.

Ejemplo 3: obtener una tensión analógica

Si filtras una señal PWM con un pasa bajos, obtienes su valor medio. Con 5 V y un duty de 40 %, la salida filtrada es 0.4 × 5 = 2 V. La calidad depende de la separación entre la frecuencia del PWM y la de corte del filtro: cuanto mayor, menos rizado, pero la respuesta a los cambios es más lenta. Diseña el filtro con la calculadora de filtro RC.

Confusiones frecuentes

• “Al 50 % la carga recibe la mitad de la potencia”: en una carga resistiva sí (P = D · V² / R), pero en un motor la relación entre duty, velocidad y potencia depende de la carga mecánica.
• “Más frecuencia siempre es mejor”: cada conmutación cuesta energía; por encima de lo necesario solo aumentan las pérdidas y las interferencias.
• “El multímetro mide la tensión PWM”: un multímetro en DC muestra aproximadamente el valor medio, pero no informa del pico ni de la frecuencia; para ver la señal se necesita un osciloscopio.

Aplicaciones reales

• Control de velocidad de motores DC y ventiladores.
• Fuentes conmutadas (buck, boost) y cargadores, donde el duty fija la tensión de salida.
• Variadores de frecuencia para motores de inducción, que sintetizan una senoidal con PWM.
• Iluminación LED y retroiluminación de pantallas.
• Amplificadores de audio clase D, con eficiencias muy superiores a las de los lineales.
• Servomotores, donde el ancho del pulso codifica la posición: consulta la calculadora de servo PWM.

Calcula duty, frecuencia y tensión media con la calculadora PWM.