¿Qué es una señal PWM (Pulse Width Modulation o Modulación por Anchura de Pulsos)?

Saber qué es una señal PWM nos ayudará mucho en nuestros proyectos, ya que las señales PWM son cada vez más utilizadas en ordenadores (como la Raspberry Pi) y microcontroladores (como Arduino, ESP8266 y ESP32), por lo que cada vez es más importante tener un conocimiento claro de qué es una señal PWM.

Hoy vamos a hablar de este tema tan interesante y útil para los aficionados a la electrónica: las señales PWM. ¿Qué son y para qué sirven? ¡Vamos a verlo!

Este artículo tiene un enfoque muy práctico. Para enfocarlo mejor, imaginaré que queremos controlar un ventilador de 5V DC con una señal PWM.

¿Pero qué demonios es una señal PWM?

Las siglas PWM significan Pulse Width Modulation, que en español se traduce como Modulación por Anchura de Pulsos.

Se trata de una técnica que consiste en variar el tiempo que una señal eléctrica está encendida o apagada, manteniendo constante su voltaje y su frecuencia. De esta forma, se puede controlar la cantidad de energía que se transmite a un dispositivo, como por ejemplo un motor, un LED o un altavoz.

¿Cómo funciona una señal PWM?

Imaginemos que tenemos una señal cuadrada, es decir, una señal que solo tiene dos estados posibles: alto (ON) o bajo (OFF). Esta señal tiene un periodo, que es el tiempo que tarda en completar un ciclo, y una frecuencia, que es el número de ciclos por segundo. La frecuencia se mide en hercios (Hz).

Ahora bien, dentro de cada ciclo, la señal puede estar más tiempo en estado alto o en estado bajo. Esto se llama ciclo de trabajo o duty cycle, y se expresa en porcentaje. Por ejemplo, si la señal está el 50% del tiempo en estado alto y el 50% en estado bajo, el ciclo de trabajo es del 50%. Si está el 75% en estado alto y el 25% en estado bajo, el ciclo de trabajo es del 75%, y así sucesivamente.

Lo que hace una señal PWM es variar el ciclo de trabajo de una señal cuadrada, manteniendo constante su frecuencia y su voltaje. De esta forma, se puede regular la potencia media que se entrega al dispositivo conectado.

Por ejemplo, si tenemos un motor que funciona con una señal de 5 V y 100 Hz, podemos hacer que gire más rápido o más lento cambiando el ciclo de trabajo de la señal PWM.

Si el ciclo de trabajo es del 100%, el motor recibe la máxima potencia y gira a toda velocidad. Si el ciclo de trabajo es del 0%, el motor no recibe nada de potencia y se detiene.

Si el ciclo de trabajo es del 50%, el motor recibe la mitad de la potencia y gira a una velocidad más baja.

¿Qué ventajas tiene usar una señal PWM? Pues muchas. Por ejemplo, permite ahorrar energía, ya que solo se entrega la potencia necesaria al dispositivo. También permite controlar con precisión la velocidad de los motores, el brillo de los LEDs o el volumen de los altavoces. Además, es una técnica muy sencilla de implementar con circuitos electrónicos o con microcontroladores como Arduino.

Explicación fácil de qué es PWM (Pulse Width Modulation o Modulación por Anchura de Pulsos)

La Modulación por Anchura de Pulsos es muy fácil de entender, si no nos metemos en tecnicismo y hacemos un símil.

Imaginate el funcionamiento de la bombilla del techo de una habitación y su interruptor…

• Si cerramos el conmutador la luz se enciende
• Si abrimos el conmutador la luz se apaga
• Si cerramos el conmutador la luz se enciende
• Si abrimos el conmutador la luz se apaga
• Si cerramos el conmutador la luz se enciende
• Si abrimos el conmutador la luz se apaga

Ahora imagínate que cerramos y abrimos el interruptor continuamente y muy rápido, tan rápido que la bombilla no llegue ni a apagarse del todo…

Lo que conseguiremos es que la bombilla no alumbre del todo. Estaremos «regulándola». No bajando el voltaje, sino poniéndolo y quitándolo muy deprisa.

Imaginate que en vez de una bombilla tenemos un ventilador y hacemos la misma operación:

Si el ventilador es de 5000 RPM a 5V, cuando le aplicamos 5V, el ventilador empieza a girar hasta llegar a 5000 RPM (no pasa de 0 a 5000 RPM de repente, tardará unos instantes por su inercia) y cuando llega 5000 RPM mantiene esa velocidad hasta que se la quitemos.

Y si tuviéramos super-reflejos y super-vista como Superman y fuéramos capaces de:

El resultado de esta «tontería» sería que nuestro ventilador giraría a 3000 RPM (realmente se mantendría entre 2990 y 3010 RPM pero esto sería imperceptible para nosotros, menos para Superman).

No habríamos reducido el voltaje, siempre ha sido de 5V pero cambiándolo entre TODO/NADA muy deprisa.

En la práctica, esto es que, si la mitad de tiempo le hemos estado aplicando 5V y la otra mitad 0V, sería como si le hubiéramos estado aplicando 2.5V

Si el 75% de tiempo le hubiéramos aplicado 5V y el 25% del tiempo 0V, sería en la práctica como si le hubiéramos estado aplicando una tensión continua equivalente de 3.75V (el 75% de 5V).

Ahora ya entiendes de qué va esto del PWM. ¿A qué es muy sencillo?

Características de una señal PWM

• Elegir diferente voltaje: Podríamos haber elegido alimentar el ventilador con una señal PWM de 3.3V, en vez de 5V (lógicamente, su velocidad máxima hubiera sido menor).
• Cambiar la proporción entre el tiempo encendido y apagado: Cuanto más tiempo mantengamos el interruptor en la posición de encendido, y menos en la de apagado, más rápido girará el ventilador.
• Mover el interruptor más deprisa: Dependiendo de si el interruptor lo está manejando Superman, Batman o yo, cada uno podríamos mover el ventilador a una velocidad máxima. Posiblemente Superman sea capaz de abrir y cerrar el interruptor miles de veces por segundo, sin despeinarse, yo no creo que consiguiera más de 4 o 5 por segundo y en unos minutos tendría una tendinitis como para salir corriendo a urgencias.

Estas tres variaciones, definen las características principales de una señal PWM, y cada una de ellas recibe un nombre:

• Amplitud: Es el voltaje que aplicamos al ventilador. En nuestro caso podemos decir que la amplitud es de 5V
• Ciclo de trabajo: Es la proporción de tiempo que la señal está a «nivel alto» (a 5V). En nuestros ejemplos hemos utilizado Ciclos de Trabajo del 50% y del 75%
• Frecuencia: Es lo rápido que activamos y desactivamos «el nivel alto» (los 5V). Superman lo haría, a lo mejor, 25000 veces por segundo (25000 Hertzios, o 25Khz) y yo cuatro o cinco veces por segundo (4Hz o 5Hz).

Dedica unos segundos a pensar como cada uno de estos tres parámetros afecta a la forma de moverse el ventilador e imagina como cambiaría el movimiento al variarlos.

¿Y cuál es la diferencia entonces entre que la señal PWM sea de 4Hz o de 25Khz?

Muy sencillo, la «suavidad» con la que funcionará el ventilador.

Si solo conecto y desconecto el interruptor cuatro veces por segundo (0.25 segundos por ciclo), el ventilador se moverá más «a tirones» que si lo hago 25000 veces por segundo.

Imaginate que en vez de hacerlo con una frecuencia de 4Hz lo hiciera con una frecuencia de 0.04Hz (100 veces más despacio, o cada 25 segundos). El ventilador llegaría a pararse durante la mayoría de los 25 segundos (aunque luego estaría nuevamente encendido durante casi 25 segundos).

Este cambio en la frecuencia, en los «acelerones y frenazos del ventilador» tiene una consecuencia muy importante: EL RUIDO.

Un ventilador funcionando a 1000 RPM puede ser bastante silencioso, pero si estoy continuamente moviéndolo entre 0 o 1000 RPM (cada 25 segundos) lo que tendré será un ruido horrible provocado por los cambios de velocidad, en vez de un ligero soplido del ventilador funcionando a una velocidad estable.

¿Qué señal PWM necesitamos?

Amplitud

La amplitud la vamos a mantener en 5V. ¿Por qué?

Porque no tiene sentido subirla. El ventilador que usamos es de 5V y si le metemos más lo quemaremos.

Tampoco tiene sentido bajarla. Si le metemos, por ejemplo, 3.3V limitaremos la velocidad máxima a la que podemos hacer girar el ventilador y además funcionará peor (bajará el par motor y su eficiencia energética). Para bajar la velocidad ya tenemos el ciclo de trabajo. Si queremos y nos interesa podemos hacer que no pase nunca de un punto (por ejemplo, que el ciclo de trabajo nunca pase del 80%).

Ciclo de trabajo

El ciclo de trabajo es lo que nos va a permitir regular la velocidad del ventilador, por tanto, querremos que tenga el máximo rango posible. ¿Debe ser variable el ciclo de trabajo entre 0 y 100%? Probablemente no.

Un ventilador de este tipo necesita un ciclo de trabajo mínimo para empezar a funcionar, igual que necesita un voltaje mínimo por debajo del cual no funcionará. El ventilador no se moverá si le aplicamos una señal con un ciclo de trabajo del 1% o del 5%, de la misma manera que no lo haría si lo alimentáramos a 0.05V o a 0.25V.

¿Entonces, cuál debe ser el ciclo de trabajo mínimo que deberíamos elegir para la señan PWM?

Pues muy sencillo de decir, y no tan fácil de hacer. El ciclo de trabajo mínimo debería ser el mínimo al que el ventilador concreto que estamos utilizando empieza a moverse (más un pequeño margen de seguridad para asegurarnos de que siempre «arranca»).

Cuando escribamos nuestro programa de control veremos que podemos hacer optimizaciones y mejoras por software, por ejemplo:

A lo mejor nuestro ventilador necesita para arrancar un ciclo de trabajo mínimo del 60% pero, una vez en movimiento, es capaz de bajar hasta el 40%. Podemos hacer que, para poner en marcha el ventilador desde parado, nuestro programa aplique durante unos instantes un ciclo de trabajo del 60% (para asegurar que arranque) aunque luego lo baje hasta el 40%.

Por supuesto, el ciclo de trabajo siempre se podrá poner al 0%. En la práctica esto supone que no habrá voltaje y el ventilador estará completamente apagado.

Es importante tener en cuenta que si el ventilador no arranca porque el ciclo de trabajo es demasiado pequeño (como si el voltaje fuera demasiado bajo), el ventilador sigue consumiendo corriente. De hecho, es posible que se caliente más de lo normal, llegando a quemarse. Por eso es importante que nos aseguremos de que el ciclo de trabajo sea tal que el ventilador no llegue a pararse sin bajar nunca de ese (a no ser que el ciclo de trabajo sea de 0%, o apagado, lógicamente).

Frecuencia

Vamos a elegir una frecuencia de 25Khz para nuestra señal PWM. ¿Por qué?

Porque si la eligiéramos más baja podríamos oírla.

Además, una frecuencia suficientemente alta ayudará a que el motor no perciba los cambios de tensión.

Límite de frecuencia inferior de la señal PWM

El oído humano es capaz de oír hasta los 20 o 22Khz, con algunas personas capaces oír algo más. Si aplicamos una señal de 25Khz nos aseguraremos no oír nada del funcionamiento de la regulación.

Imagina que, si eligiéramos una señal de, por ejemplo, 12Khz, el ventilador podría «vibrar» a esa frecuencia o convertirse en un «altavoz«, con lo que oiríamos permanente un tono agudo que podría resultar molesto.

Seguramente, los lectores de más edad, recuerden que cuando éramos pequeños podíamos oír en aquellos televisores antiguos en blanco y negro si el TV «estaba encendido«, aunque estuviera sin volumen. Esto era porque los niños son capaces de oír frecuencias más altas que los adultos y oíamos, levemente, los osciladores internos de estos aparatos de TV.

Límite de frecuencia superior de la señal PWM

Tampoco nos interesa irnos mucho más arriba de los 25 o 30Khz. ¿Por qué?

Porque ya no encontramos ventajas y, sin embrago, nos encontramos con inconvenientes como:

• Tendríamos que utilizar transistores más rápidos. Si nos mantenemos por debajo de los 25 o 30Khz, habrá más transistores que nos puedan servir.
• Las pérdidas empiezan a ser más altas. Empezaríamos a perder energía «en nada» en vez de dedicarla a mover el ventilador.
• Cuando las frecuencias van subiendo, los circuitos empiezan a hacerse más críticos y pueden producir algunos problemas, como auto oscilaciones, lo que obliga a tener cuidado con la distribución de los componentes, longitud de sus terminales, etc.
• Mayor generación de calor
• Menos ventiladores normales que admiten frecuencias más altas.

Glosario de la señal PWM y FAQ

¿Qué es la modulación de una señal?

La modulación de una señal es el proceso de variar una propiedad de una señal llamada la «señal portadora» con el fin de transmitir información adicional. Esta técnica es ampliamente utilizada en comunicaciones, ya que permite enviar información a través de diferentes medios de transmisión, como cables, fibras ópticas u ondas electromagnéticas, como las señales de radio.

El propósito principal de la modulación es permitir que la información se transporte de manera eficiente y se adapte a las características del medio de transmisión. Algunas de las propiedades de la señal portadora que se pueden modular incluyen la amplitud, la frecuencia, la fase y la anchura de pulsos. Estos son los tipos más comunes de modulación:

1. Modulación de Amplitud (AM): En la modulación de amplitud, la amplitud de la señal portadora se varía de acuerdo con la señal de información. La amplitud modulada se usa comúnmente en la transmisión de señales de radio AM.
2. Modulación de Frecuencia (FM): En la modulación de frecuencia, la frecuencia de la señal portadora se varía de acuerdo con la señal de información. La modulación de frecuencia se utiliza en la transmisión de señales de radio FM y en la transmisión de audio de alta calidad.
3. Modulación de Fase (PM): En la modulación de fase, la fase de la señal portadora se varía de acuerdo con la señal de información. La modulación de fase es común en aplicaciones de telecomunicaciones y en la transmisión de datos.
4. Modulación por Anchura de Pulsos (PWM): En la modulación por anchura de pulsos, se varía la duración de los pulsos de la señal portadora de acuerdo con la señal de información. Se utiliza en aplicaciones de control, como control de motores y modulación de potencia en electrónica.
5. Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM): La modulación de amplitud en cuadratura es una combinación de modulación de amplitud y modulación de fase. Se utiliza en la transmisión de señales digitales en aplicaciones como la televisión por cable y la transmisión de datos.

La modulación permite transmitir información de manera eficiente, ya que las señales moduladas son más resistentes al ruido y a las interferencias en el medio de transmisión. También permite que múltiples señales compartan el mismo medio de transmisión, ya que cada señal modulada puede ocupar un rango de frecuencias diferente. En resumen, la modulación es esencial para la transmisión efectiva de información en sistemas de comunicación y control.

¿Qué es una onda cuadrada?

Una onda cuadrada es un tipo de forma de onda que se caracteriza por tener dos niveles de voltaje distintos y transiciones abruptas entre ellos. En una onda cuadrada, la señal varía entre dos valores constantes: uno alto (generalmente representado como un nivel de voltaje positivo) y uno bajo (generalmente representado como un nivel de voltaje cercano a cero).

Las principales características de una onda cuadrada son las siguientes:

1. Ciclo de trabajo (duty cycle): La relación entre el tiempo en que la onda está en su nivel alto y el tiempo total de un ciclo completo se denomina ciclo de trabajo. Se expresa generalmente en porcentaje y determina la duración relativa del nivel alto en la onda cuadrada. Un ciclo de trabajo del 50% significa que la onda cuadrada está dividida en partes iguales entre el nivel alto y el nivel bajo.
2. Frecuencia: La frecuencia de una onda cuadrada se refiere a la cantidad de ciclos completos que se repiten por unidad de tiempo. Se mide en hertz (Hz) y determina con qué rapidez la onda cambia entre sus niveles alto y bajo.
3. Amplitud: La amplitud se refiere al valor máximo del nivel alto en la onda cuadrada, generalmente se mide en voltios (V).

Las ondas cuadradas se utilizan comúnmente en electrónica y telecomunicaciones para generar señales digitales, ya que su transición rápida y clara entre los dos niveles la hace adecuada para representar señales binarias, como las utilizadas en sistemas digitales.

El uso de ondas cuadradas es común en aplicaciones como la generación de pulsos de reloj en circuitos digitales, pruebas y mediciones, comunicaciones digitales, y en la modulación de señales para transmitir datos digitales. Su forma de onda clara y su facilidad para distinguir entre niveles alto y bajo las hacen muy útiles en una variedad de aplicaciones técnicas.

¿Qué es el ciclo de trabajo (duty cycle)?

El ciclo de trabajo, también conocido como «duty cycle» en inglés, es una medida que se utiliza para describir la relación entre el tiempo que una señal está en su estado activo o alto (por ejemplo, un nivel alto de voltaje) y el tiempo total de un ciclo completo de la señal periódica. Se expresa generalmente en forma de porcentaje y se utiliza comúnmente para describir la duración relativa de un estado activo en una forma de onda periódica, como una onda cuadrada.

El ciclo de trabajo se calcula de la siguiente manera:

Ciclo de trabajo (%) = (Tiempo en estado activo / Tiempo total de un ciclo) × 100

En una señal periódica, como una onda cuadrada, el ciclo de trabajo indica cuánto tiempo la señal está en su nivel alto (activo) en comparación con el tiempo total del ciclo. Un ciclo de trabajo del 50% significa que la señal está dividida en partes iguales entre su nivel activo y su nivel bajo. Por ejemplo, en una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50%, el nivel alto y el nivel bajo tienen la misma duración.

Si el ciclo de trabajo es inferior al 50%, significa que la señal pasa más tiempo en su estado bajo que en su estado alto, y si es mayor al 50%, significa que la señal pasa más tiempo en su estado alto que en su estado bajo.

El ciclo de trabajo es una característica importante en diversas aplicaciones, como en la generación de pulsos de reloj en sistemas digitales, en la modulación de señales, y en la descripción de formas de onda periódicas en electrónica y telecomunicaciones. Permite controlar la proporción de tiempo en la que una señal está activa, lo que es fundamental para asegurar el funcionamiento adecuado de muchos sistemas y circuitos.

¿Qué es la frecuencia?

La frecuencia es una medida que describe la cantidad de repeticiones de un evento periódico en una unidad de tiempo. En el contexto de señales, la frecuencia se utiliza para describir con qué rapidez una señal periódica se repite en términos de ciclos por segundo. La unidad de medida de la frecuencia es el hercio (Hz), que equivale a un ciclo por segundo.

En términos más simples, la frecuencia se refiere a la cantidad de veces que un evento o fenómeno se repite en una unidad de tiempo. Por ejemplo, si una onda se repite 100 veces en un segundo, su frecuencia es de 100 hercios (Hz).

La frecuencia se aplica en una amplia variedad de contextos:

1. Frecuencia en ondas y señales: En el ámbito de las ondas, como las ondas sonoras o las señales eléctricas, la frecuencia determina cuán rápido oscila la onda en términos de ciclos por segundo. Las señales de alta frecuencia oscilan más rápidamente que las señales de baja frecuencia.
2. Frecuencia en la música: En la música, la frecuencia se relaciona con la altura de un tono musical. Las notas musicales más agudas tienen frecuencias más altas, mientras que las notas más graves tienen frecuencias más bajas.
3. Frecuencia en la electrónica: En electrónica, la frecuencia se utiliza para describir la velocidad a la que los circuitos eléctricos operan, como la frecuencia de un reloj en un microprocesador.
4. Frecuencia en la física: En física, la frecuencia también se aplica a fenómenos como las vibraciones, oscilaciones y ondas electromagnéticas.

La frecuencia es una propiedad fundamental en muchas disciplinas científicas y técnicas, y se utiliza para caracterizar y analizar una amplia gama de fenómenos periódicos y cíclicos.

¿Qué es la amplitud?

La amplitud se refiere a la magnitud o el valor máximo de una cantidad en el contexto de una onda o señal periódica. En términos más simples, la amplitud representa la distancia máxima desde el punto central o el valor medio de la señal hasta su punto más alto (positivo) o más bajo (negativo). En el caso de una onda sinusoidal, la amplitud es la distancia desde el punto medio hasta el pico o el valle de la onda.

La amplitud se expresa en unidades de medida relevantes para el fenómeno en cuestión. Por ejemplo, en el caso de una onda de sonido, la amplitud se mide en unidades de presión, como pascales o decibelios (dB), y en el caso de señales eléctricas, la amplitud se mide en voltios (V) o amperios (A).

En resumen, la amplitud es una característica importante de una señal o una onda periódica que describe su magnitud máxima y, por lo tanto, su fuerza o intensidad. Cambios en la amplitud de una señal pueden tener un impacto significativo en su percepción o en su capacidad para llevar información, como en el caso de las señales de sonido, donde la amplitud puede estar relacionada con el volumen, o en el caso de señales eléctricas, donde la amplitud puede representar la intensidad de una corriente o el nivel de voltaje.

¿Cómo se llama una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50%?

Una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% se llama «onda cuadrada simétrica» o «pulso cuadrado simétrico». Esto significa que la señal tiene un ciclo de trabajo en el que está activa (en alto) durante la mitad del período y está inactiva (en bajo) durante la otra mitad del período.

¿Cómo se llama una onda cuadrada con, por ejemplo, un ciclo de trabajo del 30%?

Una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 30% se llama «onda cuadrada asimétrica» o «pulso cuadrado asimétrico». En este caso, la señal tiene un ciclo de trabajo en el que está activa (en alto) durante el 30% del período y está inactiva (en bajo) durante el 70% restante del período.

¿Cuál es la diferencia entre una onda cuadrada y una señal PWM?

La diferencia principal entre una onda cuadrada y una señal PWM (Modulación por Ancho de Pulso) radica en su aplicación y propósito:

1. Onda Cuadrada:

• Una onda cuadrada es una señal periódica que se caracteriza por tener un ciclo de trabajo constante y simétrico, lo que significa que la señal está activa (en alto) durante una parte fija del período y está inactiva (en bajo) durante la otra parte del período.
• Se utiliza comúnmente como reloj en electrónica digital, para generar señales de temporización, y en situaciones donde se necesita una señal de encendido/apagado constante.

1. Señal PWM (Modulación por Ancho de Pulso):

• La señal PWM es una técnica en la que el ciclo de trabajo de una onda cuadrada se modifica para controlar la potencia entregada a un dispositivo o sistema. El ciclo de trabajo puede variar para lograr diferentes niveles de potencia de salida.
• Se utiliza en aplicaciones de control de velocidad de motores, regulación de luminosidad en LED, control de temperatura en sistemas de calefacción y refrigeración, entre otros.
• La variación del ciclo de trabajo permite controlar con precisión la cantidad de energía entregada al dispositivo, lo que la hace útil en aplicaciones de control.

En resumen, una onda cuadrada es una señal con un ciclo de trabajo fijo y simétrico, mientras que la señal PWM es una técnica que modifica el ciclo de trabajo de una onda cuadrada para controlar la potencia o la intensidad en diversas aplicaciones de control.

¿Y ahora qué?

Si quieres saber más sobre qué es una señal PWM (que no lo necesitas para lo que aquí nos importa), te recomiendo que leas este artículo de Wikipedia sobre PWM, donde está muy bien explicado.

Si no la has hecho, posiblemente este artículo, en el que te explico cómo se utiliza una señal PWM para regular la velocidad de un ventilador, seguramente también te resulte interesante:

Espero que te haya gustado este post sobre las señales PWM y que te animéis a experimentar con ellas. ¡Hasta la próxima!