Lección 21: Qué es una señal PWM, para qué sirve y cómo se genera

Hoy vamos a estudiar el lenguaje de “fuerza” de los microcontroladores. Como ya sabes, un Arduino o una controladora CNC solo puede entregar señales digitales (0 o 1). ¿Cómo hacemos entonces para que un motor gire a media velocidad o un láser queme con solo el 30% de su potencia? La respuesta es la PWM.

🎬 ⚡Modulación por Ancho de Pulso (PWM)

🎯 Objetivo de la clase

Al finalizar esta sesión, serás capaz de:

Definir qué es una señal PWM y por qué es vital en el CNC.
Interpretar los conceptos de Ciclo de Trabajo (Duty Cycle) y Frecuencia.
Entender cómo un sistema digital “engaña” a un componente analógico para controlar su potencia.

🚀 1. INTRODUCCIÓN

“Si tienes un interruptor de luz que solo tiene encendido y apagado… ¿cómo podrías lograr que la habitación esté iluminada solo a la mitad?”

La solución no es dejar el interruptor a la mitad, sino encenderlo y apagarlo tan rápido que tus ojos (o un motor) no noten el parpadeo, sino un promedio de luz. Eso es la PWM.

🧠 2. ¿QUÉ ES UNA SEÑAL PWM?

👉 Definición técnica:

La PWM (Pulse Width Modulation) es una técnica en la que se varía el ancho de los pulsos de una señal cuadrada periódica para controlar la cantidad de energía enviada a una carga.

💡 Frase clave:

“En PWM no variamos el voltaje, variamos el tiempo que el voltaje está presente.”

⚙️ 3. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Para dominar la PWM, debes conocer estos dos términos:

Ciclo de Trabajo (Duty Cycle): Es el porcentaje de tiempo que la señal está en nivel ALTO (ON) frente al tiempo total de un ciclo.
- 0% Duty: La señal está siempre apagada (0V promedio).
- 50% Duty: La señal está encendida la mitad del tiempo.
- 100% Duty: La señal está siempre encendida (Voltaje máximo promedio).
Frecuencia (f): Es qué tan rápido se repite el ciclo (medido en Hertz). En CNC, si la frecuencia es muy baja, escucharás un “zumbido” o verás vibración en los motores.

⚡a. Voltaje Promedio

👉 Este concepto te ayudará a entender mejor.

PWM NO cambia el voltaje… cambia el voltaje promedio

$V_{promedio} = Duty \times V_{max}$

👉 La señal PWM mantiene amplitud constante, pero cambia el tiempo activo

⚙️ B. Frecuencia

La frecuencia del tiempo de trabajo (Duty cycle) es un parámetro muy importante que hay que considerar.

a Frecuencia baja → se presenta vibración / ruido
A Frecuencia alta → el resultado será más suave

👉 PWM es una señal repetitiva de pulsos con frecuencia definida

🚗 La Analogía del Camino: Frecuencia PWM y Calidad de Movimiento

Para que entiendas cómo afecta la frecuencia al funcionamiento de tu motor, imagina que tu motor es un coche avanzando por distintos tipos de terreno:

Frecuencia Baja (Piedras Grandes): Es como conducir sobre un camino empedrado con rocas enormes. El “golpeteo” de la señal (encendido/apagado) es tan lento que la mecánica del motor llega a sentir cada pulso.
- Resultado: Tu motor vibrará violentamente, escucharás un traqueteo constante y los rodamientos de tu husillo sufrirán un desgaste innecesario por el estrés mecánico.
Frecuencia Media (Grava): Aquí las piedras son más pequeñas. La vibración en la suspensión disminuye, pero aún escuchas un zumbido agudo y molesto. El motor gira, pero no de forma eficiente.
Frecuencia Ideal (Asfalto Liso): La idea es utilizar una frecuencia tan alta que sea el equivalente a rodar sobre asfalto recién puesto. Los pulsos son tan rápidos y constantes que la inercia del motor los “suaviza” por completo.
- Resultado: Obtienes un giro perfectamente fluido, sin baches de potencia, sin ruidos audibles y con un torque constante.

🛠️ Aplicación Técnica para tu Proyecto

Cuando estés configurando tu controlador, recuerda esto:

Si escuchas un pitido: Estás en el “camino de grava”. Tu frecuencia es lo suficientemente rápida para mover el motor, pero está dentro del rango audible humano (usualmente entre 1kHz y 15kHz).
Si el motor vibra y salta: Estás en el “camino empedrado”. Tu frecuencia es demasiado baja.
El objetivo: Sube la frecuencia por encima de los 18kHz o 20kHz. A este nivel, el oído humano ya no la percibe y para el motor es como rodar sobre una pista de carreras: suave, silencioso y eficiente.

Nota de Instructor: > “Como ves, la frecuencia no cambia cuánta energía entregas (eso lo hace el Duty Cycle), sino qué tan suave es la entrega de esa energía. Un buen diseño siempre busca el asfalto liso.”

Como ya comprendes que la frecuencia define qué tan suave se siente el movimiento y el ciclo de trabajo (Duty Cycle) define cuánta fuerza tiene, vamos a aterrizar esto en la práctica para que lo apliques en tu taller.

🎓 Tu Resumen Ejecutivo de la Clase: MOSFET + PWM

Para que tu diseño de control de potencia sea profesional, quiero que te lleves estas tres reglas de oro:

El MOSFET es tu músculo: Elige siempre uno que se active totalmente con el voltaje de tu controlador (como el IRLZ44N para 5V). Si el músculo no se tensa bien (no se satura), se cansará (se calentará) y morirá.
La PWM es tu acelerador: No desperdicies energía quemándola como calor. Usa la PWM para “picar” el tiempo de encendido. Recuerda: más ancho de pulso = más velocidad.
La Frecuencia es tu suspensión: Ajusta los Hertz para que tu motor ruede sobre asfalto. Si escuchas que tu husillo “llora” (pita), sube la frecuencia hasta que el ruido desaparezca.

🔥 c. El Concepto del Interruptor Veloz

Imagina que tienes un motor de husillo conectado a una batería de 24V a través de un interruptor manual.

Si dejas el interruptor cerrado (ON): El motor recibe los 24V constantes y gira a máxima velocidad.
Si abres el interruptor (OFF): El motor recibe 0V y se detiene.
El Truco del PWM: Si pudieras abrir y cerrar ese interruptor mil veces por segundo, el motor no llegaría a detenerse por completo debido a su inercia. En su lugar, el motor “sentiría” un voltaje promedio.

💥d. ¿Quién es el interruptor en la vida real?

En una placa de control CNC, el interruptor mecánico es reemplazado por un MOSFET.

Cero Resistencia (Ideal): Cuando el MOSFET está ON, actúa como un cable sólido. No hay resistencia, por lo tanto, no hay calor (teóricamente).
Resistencia Infinita: Cuando el MOSFET está OFF, es un circuito abierto. No pasa corriente, por lo tanto, no hay consumo.

Esta es la razón por la que el PWM es el estándar industrial: permite controlar motores de gran potencia sin que el controlador se derrita, ya que el interruptor (MOSFET) pasa la mayor parte del tiempo en estados donde no disipa calor.

🎯e. La Analogía de la Inercia

Para que el PWM funcione como un interruptor efectivo, la frecuencia debe ser lo suficientemente alta para que la carga (el motor o el láser) no note el parpadeo.

En un motor: La inercia mecánica y la inductancia de las bobinas actúan como un “filtro” que suaviza los pulsos, convirtiendo el golpeteo del interruptor en un movimiento fluido.
En un láser: Los pulsos son tan rápidos que el material solo siente la intensidad promedio de la quemadura.

⚡ 4. ¿PARA QUÉ SIRVE eL PWM?

La PWM es el “músculo” controlado por el “cerebro”. Sus aplicaciones principales son:

En la industria moderna, y específicamente en el sector de la manufactura y el control numérico (CNC), la PWM es la tecnología estándar para gestionar la potencia con eficiencia. No se trata solo de “bajar el voltaje”, sino de optimizar el consumo energético y la precisión mecánica.

“PWM simula una señal analógica usando una señal digital”

👉 Es una técnica para controlar potencia en sistemas digitales

Aquí tienes los usos más críticos de la PWM en el entorno industrial:

a. Control de Velocidad en Motores de Corriente Continua (VFD y Servos)

Es el uso más extendido. En lugar de usar resistencias que desperdician energía en calor, la PWM alimenta al motor con pulsos de voltaje total.

Beneficio Industrial: Permite mantener un torque elevado incluso a velocidades muy bajas. Esto es vital en una banda transportadora que lleva carga pesada pero debe moverse lentamente.
Aplicación CNC: El control de las RPM del Spindle (husillo) para adaptarse a diferentes materiales (madera, aluminio, acero).

b. Control de Sistemas de Calentamiento (Hornos y Extrusores)

En procesos térmicos industriales, como la inyección de plástico o el curado de materiales, se requiere una temperatura exacta.

Funcionamiento: Un controlador PID genera una señal PWM que activa relés de estado sólido (SSR). Si el horno necesita mantenerse a 200°C, la PWM puede estar al 15% para compensar solo la pérdida de calor ambiental.
Aplicación: El control del “Hotend” y la cama caliente en impresoras 3D industriales.

c. Fuentes de Alimentación Conmutadas (SMPS)

Casi todas las fuentes de poder modernas que alimentan PLC y computadoras industriales utilizan PWM internamente.

Funcionamiento: Un MOSFET conmutado por PWM a altísima frecuencia (kHz o MHz) convierte el voltaje de red en voltajes bajos de DC.
Beneficio: Permite que las fuentes sean mucho más pequeñas, ligeras y eficientes (más del 90%) en comparación con las antiguas fuentes lineales pesadas.

d. Control de Potencia en Láseres Industriales

En las máquinas de corte y grabado láser (CO2 o Fibra), la profundidad del corte depende directamente de la PWM.

Aplicación: Para grabar una fotografía sobre madera, la máquina varía el Duty Cycle de la señal PWM milisegundo a milisegundo mientras se desplaza. Un 10% de pulso genera un tono claro; un 80% genera un tono oscuro o un corte profundo.

e. Iluminación Industrial y Pantallas

Desde la retroiluminación de las interfaces hombre-máquina (HMI) hasta las grandes luminarias LED de una nave industrial.

Funcionamiento: La atenuación (dimming) por PWM evita que el color del LED cambie, algo que sí pasaría si simplemente redujéramos el voltaje analógicamente. Además, reduce el consumo eléctrico significativamente.

🔥 5. Métodos de Generación de Señal PWM

Para generar una señal PWM (Modulación por Ancho de Pulso), existen diversos métodos que van desde lo puramente analógico hasta lo digital avanzado. Como ingenieros en CNC Mastery, debemos conocerlos todos para elegir la solución más robusta según la aplicación: no es lo mismo controlar un ventilador que sincronizar los pulsos de un láser de fibra.

Aquí te presento los tres métodos principales utilizados en la industria:

1. Método Analógico (Comparación de Señales)

Este es el método clásico y el más rápido. No requiere programación y se basa en el uso de un Comparador de Voltaje (como el LM311).

El Proceso: Se inyectan dos señales en las entradas de un comparador:
1. Señal Portadora: Una onda triangular o diente de sierra de frecuencia constante.
2. Señal de Control (Referencia): Un voltaje continuo (DC) que nosotros variamos.
Resultado: Cuando la onda triangular es superior al voltaje de referencia, la salida es ALTA. Cuando es inferior, es BAJA. Al subir o bajar el voltaje de referencia, “cortamos” la onda triangular en diferentes puntos, variando así el ancho del pulso.

2. Método por Circuito Integrado Dedicado (Timer 555)

Es el método preferido para proyectos sencillos o circuitos de protección donde no queremos depender de un microprocesador.

Configuración Astable: El 555 se configura para oscilar. Mediante un potenciómetro y un par de diodos, se modifica el camino de carga y descarga de un capacitor.
Funcionamiento: Al variar la resistencia del potenciómetro, alteramos el tiempo que el capacitor tarda en cargarse (Tiempo ON) frente al tiempo que tarda en descargarse (Tiempo OFF).
Uso en Taller: Ideal para probadores de motores manuales o controladores de velocidad de husillos independientes.

Nota: Para VCC, puedes usar cualquier voltaje entre 5V y aproximadamente 15V. La elección dependerá principalmente del Tipo de mosfet que estés utilizando. Si es el IRLZ44N, puedes controlarlo con 5V.

El circuito PWM 555 se conoce como un oscilador 555 mejorado. Esto se debe a que utiliza un par de componentes adicionales para mejorar la señal de salida que proporcionaría el circuito multivibrador astable más común. Utiliza R1 y C1 para controlar la frecuencia de la señal. Además, se puede modificar el ciclo de trabajo con RV1. Con el ciclo de trabajo, se puede controlar el voltaje promedio en la salida del 555, lo que lo convierte en un controlador analógico muy funcional para tus proyectos.

Componentes necesarios
Motor de CD
Circuito integrado temporizador 555
Q1: MOSFET IRLIZ44N (o cualquier otro MOSFET de tipo n con un umbral de Gate adecuado)
RV1: Potenciómetro de 10 kΩ
R1: Resistencia de 1 kΩ
R2: Resistencia de 5 kΩ
C1: Condensador cerámico de 100 nF
C2: Condensador cerámico de 1 nF
D1-D2: Diodo 1N4001

3. Método Digital (Temporizadores y Registros)

Es el método que utilizan los microcontroladores (Arduino, ESP32) y las controladoras CNC profesionales. Aquí, la señal se genera por hardware interno dentro del chip.

Contadores y Registros de Comparación:
1. Un Timer (contador) interno sube de 0 hasta un valor máximo (ejemplo: 255 para 8 bits).
2. Un Registro de Comparación almacena nuestro valor deseado (ejemplo: 127 para un 50% de Duty Cycle).
Lógica de Hardware: El chip tiene un circuito lógico que dice: “Mientras el contador sea menor que mi registro, pon el pin en 1. Cuando sea igual o mayor, ponlo en 0”.
Ventaja: No consume ciclos de procesamiento de la CPU una vez configurado. Es extremadamente preciso y permite frecuencias muy altas (desde 500Hz hasta varios MHz).

4. Método por Software (Bit-Banging)

Este método se usa solo cuando nos quedamos sin pines PWM de hardware. Consiste en crear la señal manualmente mediante código.

El Proceso:
- Python # Pseudo-código de Bit-Banging
  - encender_pin()
  - esperar(tiempo_on)
  - apagar_pin()
  - esperar(tiempo_off)
Desventaja Crítica: Es muy ineficiente. Si la CPU se distrae haciendo otro proceso (como leer un sensor), el pulso se deforma. En una máquina CNC, esto causaría vibraciones o pérdida de torque en los motores. Solo se recomienda para procesos muy lentos como calentadores.

Resumen de Selección

Método	Aplicación Ideal	Ventaja
Analógico	Audio y potencia pura	Respuesta instantánea, sin ruido digital.
Timer 555	Circuitos independientes	Barato y no requiere código.
Digital (HW)	CNC, Motores, Láser	Precisión total y control por software.
Software	Leds indicadores	No requiere hardware especial.

En el diseño de las controladoras para CNC, siempre se da prioridad al Método Digital por Hardware, ya que permite controlar las revoluciones del spindle para cortar correctamente diversos materiales de forma perfecta.

⚠️ 6. EL ROL CRÍTICO DEL MOSFET

Recuerda: El pin de tu Arduino genera la señal PWM, pero no tiene fuerza. Para mover un motor de 24V/10A, esa señal PWM debe ir a la Puerta (Gate) de un MOSFET.

PWM → Gate → MOSFET → carga

El MOSFET “imita” la señal PWM de 5V pero aplicándola a los 24V de potencia.
Gracias a la velocidad del MOSFET, podemos conmutar grandes potencias sin generar el calor que generaría un regulador lineal.

💥 Frase clave:

“El PWM decide cuándo… el MOSFET entrega la energía”

🔄 7. COMPARACIÓN: CONTROL LINEAL vs PWM

Característica	Control Lineal (Resistencia)	Control por PWM
Eficiencia	Muy Baja (Desperdicia calor)	Muy Alta (Mínimo calor)
Torque del Motor	Cae drásticamente	Se mantiene alto
Control Digital	Difícil / Requiere DAC	Nativo y Simple

🛠️ 8. Tu Lista de Verificación: “Cero Fallas en PWM”

Antes de que conectes la alimentación de potencia a tu proyecto, quiero que revises personalmente estos 5 puntos. Si cumples con todos, la vida útil de tu electrónica se multiplicará.

a. ¿Tu MOSFET es realmente compatible con tu lógica?

No te fíes de que el motor gire en la mesa de pruebas. Si usas un microcontrolador de 5V (como un Arduino) o de 3.3V (como un ESP32), verifica que tu MOSFET sea Logic Level (ej. IRLZ44N).

Tu prueba: Mide con el multímetro el voltaje entre Gate y Source. Si tienes 5V pero el MOSFET se calienta al tacto con una carga pequeña, no se está saturando. Necesitas cambiar el modelo o usar un driver.

b. ¿Protegiste el cerebro de tu circuito?

Recuerda que el Gate del MOSFET se comporta como un capacitor. Al activarse, exigirá un pico de corriente que puede dañar el pin de tu microcontrolador.

Tu acción: Asegúrate de tener una resistencia de 100Ω a 220Ω en serie entre el pin y el Gate. Además, coloca una resistencia Pull-down de 10kΩ entre Gate y Source para que el motor no se encienda solo por ruido cuando reinicies tu código.

c. ¿El “golpe” del motor tiene salida?

Cada vez que tu señal PWM apaga el MOSFET, la energía almacenada en las bobinas del motor busca hacia dónde ir. Si no le das un camino, romperá el silicio de tu transistor.

Tu acción: Verifica que el Diodo Flyback esté conectado en paralelo al motor (con el cátodo apuntando al positivo). Sin esto, tu MOSFET está sentenciado a muerte.

d. ¿Escuchas a tu motor quejarse?

Si al subir la potencia escuchas un pitido agudo o vibraciones raras, tu frecuencia de PWM no es la correcta para ese motor.

Tu acción: Si usas un motor pequeño, intenta subir la frecuencia por encima de los 18kHz para que sea inaudible. Si es un motor muy grande con mucha inductancia, quizás debas bajarla, pero nunca tanto que afecte el movimiento fluido de tu husillo.

e. ¿Separaste la potencia de la señal?

Este es el error que más horas de sueño te quitará si lo ignoras. El PWM en los cables del motor es una antena de ruido.

Tu acción: Mantén los cables que llevan la señal PWM lo más lejos posible de los cables de tus sensores (límites de carrera). Si puedes, usa cable blindado para el motor y conecta la malla a tierra en un solo extremo.