O que é PWM? Guia de analogWrite, ciclo de trabalho e frequência no Arduino

Os pinos digitais do Arduino só conhecem duas coisas: 0 V ou 5 V. Então, como deixar um LED com metade do brilho ou fazer um motor girar devagar? A resposta é o PWM (Pulse Width Modulation, modulação por largura de pulso). O pino é ligado e desligado muito rápido e, mudando a proporção do tempo em que ele fica ligado, você define a potência média entregue à carga. Controle de brilho de LEDs, controle de velocidade de motores, acionamento de servos, geração de som e até carregadores de celular usam essa técnica.

Como funciona o PWM?

Um sinal PWM é uma onda quadrada: ele fica em HIGH por um tempo, depois em LOW, e o ciclo se repete sem parar. A duração de um ciclo liga-desliga é o período, e a proporção do período em que o sinal fica em HIGH é o ciclo de trabalho (duty cycle). Com um ciclo de trabalho de 25%, o sinal fica ligado um quarto do tempo, então um pino de 5 V se comporta, em média, como 1,25 V. O LED pisca cerca de 490 vezes por segundo; seu olho não acompanha isso e só vê o brilho médio. Um motor, graças à inércia, suaviza os pulsos e gira na velocidade média.

Nossos olhos não respondem à luz de forma linear: eles percebem muito bem as mudanças em níveis baixos e bem menos as mudanças em níveis altos. Por isso um LED com ciclo de trabalho de 50% parece muito mais forte do que a metade. Para um controle de brilho que pareça natural, usa-se a correção gama mostrada abaixo.

Frequência: quão rápido é o PWM?

A frequência é quantas vezes por segundo o sinal liga e desliga. No Arduino Uno, os pinos 5 e 6 funcionam em cerca de 980 Hz e os pinos 3, 9, 10 e 11 em cerca de 490 Hz. Para LEDs, essas frequências são mais do que suficientes. Com motores, porém, 490 Hz fica na faixa que você consegue ouvir, e o motor pode chiar um pouco; no ESP32 e no Pico você pode subir a frequência para 20 kHz para acabar com o ruído. Subir a frequência muito além do necessário, no entanto, faz transistores e MOSFETs esquentarem.

Brilho de LED com analogWrite

No Arduino, você gera PWM com analogWrite(pin, value), em que o valor fica entre 0 e 255. Apesar do nome enganoso, esse comando não produz uma tensão analógica de verdade; ele produz PWM. Ele só funciona nos pinos marcados com ~. O código abaixo aumenta e diminui o brilho de um LED devagar, para um efeito de "respiração":

1const int LED_PIN = 9;   // ~ işaretli PWM pini / PWM pin marked with ~
2
3void setup() {
4  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
5}
6
7void loop() {
8  for (int v = 0; v <= 255; v++) {   // yavaşça yan / fade in
9    analogWrite(LED_PIN, v);
10    delay(8);
11  }
12  for (int v = 255; v >= 0; v--) {   // yavaşça sön / fade out
13    analogWrite(LED_PIN, v);
14    delay(8);
15  }
16}

Controle de brilho com um potenciômetro

Se você ligar um potenciômetro no A0, pode ajustar o brilho do LED à mão. analogRead() devolve um valor de 0 a 1023; dividir por 4 dá a faixa de 0–255 que o analogWrite espera. A ligação do potenciômetro é explicada em O que é potenciômetro?

1void loop() {
2  int pot = analogRead(A0);   // 0–1023
3  analogWrite(9, pot / 4);    // 0–255
4}

Velocidade de motor CC com PWM

Até um motor CC pequeno puxa centenas de miliampères, enquanto um pino do Arduino só fornece com segurança cerca de 20 mA. Por isso o motor é acionado através de um transistor, MOSFET ou um driver de motor como o L298N, e o sinal PWM vai para a entrada de velocidade do driver. No L298N, essa entrada é o pino ENA (e o ENB para o segundo motor); para usar PWM, você precisa tirar o jumper que fica nele. Os pinos IN1 e IN2 definem o sentido de giro.

1const int ENA = 9;   // hız (PWM) / speed (PWM)
2const int IN1 = 8;   // yön / direction
3const int IN2 = 7;
4
5void setup() {
6  pinMode(ENA, OUTPUT);
7  pinMode(IN1, OUTPUT);
8  pinMode(IN2, OUTPUT);
9  digitalWrite(IN1, HIGH);   // ileri / forward
10  digitalWrite(IN2, LOW);
11}
12
13void loop() {
14  analogWrite(ENA, 255);  delay(2000);   // tam hız / full speed
15  analogWrite(ENA, 150);  delay(2000);   // orta hız / medium speed
16  analogWrite(ENA, 0);    delay(2000);   // dur / stop
17}

Servo motor e PWM são a mesma coisa?

Os servo motores também são controlados com pulsos, mas a lógica é diferente: a posição é definida pela largura do pulso, e não pelo ciclo de trabalho. Um servo espera 50 pulsos por segundo (50 Hz); um pulso de 1 milissegundo significa cerca de 0°, 1,5 ms significa 90° e 2 ms significa 180°. O analogWrite não consegue gerar essa temporização, e é por isso que os servos usam a biblioteca Servo. Os detalhes estão em O que é servo motor?

Uma tensão analógica de verdade a partir do PWM: o filtro RC

Às vezes você precisa mesmo de uma tensão estável, por exemplo para dar uma referência a um amplificador operacional ou para ter uma saída de áudio. Nesse caso, você passa o PWM por um filtro passa-baixa feito com um resistor e um capacitor. Com 10 kΩ e 10 µF, a constante de tempo é de 0,1 segundo; a saída fica bem lisa, mas reage devagar às mudanças. Você pode testar valores diferentes com a calculadora de constante de tempo RC. O ESP32 clássico também tem dois DACs, no GPIO 25 e no 26, que dão uma saída analógica de verdade.

PWM no ESP32: LEDC

No ESP32, o PWM é gerado por um hardware chamado LEDC, e você escolhe a frequência e a resolução. No core Arduino 3.x, você usa ledcAttach(pin, frequency, resolution) e ledcWrite(pin, value); as versões antigas 2.x tinham os comandos ledcSetup e ledcAttachPin, baseados em canais. O exemplo abaixo varia o brilho de um LED a 5 kHz com resolução de 8 bits:

1const int LED_PIN = 2;
2
3void setup() {
4  ledcAttach(LED_PIN, 5000, 8);   // 5 kHz, 8 bit (0–255) — ESP32 Arduino core 3.x
5}
6
7void loop() {
8  for (int d = 0; d <= 255; d++) { ledcWrite(LED_PIN, d); delay(5); }
9  for (int d = 255; d >= 0; d--) { ledcWrite(LED_PIN, d); delay(5); }
10}

PWM no Raspberry Pi Pico (MicroPython)

Todos os pinos GPIO do Pico podem gerar PWM. No MicroPython, você usa a classe PWM, definindo a frequência com freq() e o ciclo de trabalho com duty_u16(), que recebe valores de 0 a 65535:

1from machine import Pin, PWM
2import time
3
4led = PWM(Pin(15))
5led.freq(1000)                        # 1 kHz
6
7while True:
8    for d in range(0, 65536, 512):    # yavaşça yan / fade in
9        led.duty_u16(d)
10        time.sleep_ms(5)
11    for d in range(65535, -1, -512):  # yavaşça sön / fade out
12        led.duty_u16(d)
13        time.sleep_ms(5)

Ideias de projetos com PWM

• LED que respira: uma luz de status que acende e apaga devagar, como em aparelhos em modo de espera.
• Luminária de mesa com dimmer: uma luminária de LED com o brilho ajustado por um potenciômetro.
• Ventilador controlado pela temperatura: acelere um ventilador conforme a temperatura medida por um DHT11 sobe.
• Mistura de cores: crie milhões de cores em um LED RGB com três canais PWM.
• Carrinho robô: deixe as curvas mais suaves definindo a velocidade de cada motor separadamente.
• Luminária do amanhecer: aumente aos poucos o brilho de uma luz durante 15 minutos antes do despertador da manhã.

Erros comuns e como resolvê-los

• analogWrite em um pino sem PWM: no Uno, os pinos sem ~ só ficam ligados ou desligados; 128 ou mais conta como ligado e qualquer valor menor como desligado.
• Pinos 9 e 10 com a biblioteca Servo: no Uno, a biblioteca Servo usa o Timer1 e desativa o PWM nesses dois pinos; passe o LED ou o motor para outro pino PWM.
• Pinos 3 e 11 com tone(): tone() usa o Timer2 e atrapalha o PWM nesses pinos.
• Ligar um motor direto em um pino: use sempre um transistor, MOSFET ou driver de motor.
• Estouro no cálculo da correção gama: v * v passa do limite do int; acrescente a conversão (long).
• Tratar o PWM como analógico de verdade: o multímetro mostra a média, mas o sinal continua oscilando entre 0 e 5 V; use um filtro RC ou um DAC em circuitos sensíveis.

O PWM é uma das ideias mais úteis que você vai aprender no Arduino: LEDs, motores, ventiladores e alto-falantes são todos controlados com esse truque simples. Para o básico, dê uma olhada em O que é LED?; no app BlueGrays você encontra projetos de LED com PWM, brilho com potenciômetro e transição de cores com LED RGB passo a passo, com código.