PWM: um pino que só sabe ligar e desligar, imitando um meio-termo

Um pino de saída digital tem exatamente dois estados. Ele não consegue ficar em 2,5 V para deixar um LED com metade do brilho. A modulação por largura de pulso consegue o mesmo efeito de outro jeito: ligue e desligue o pino rápido o bastante, varie quanto de cada ciclo ele passa ligado, e tudo o que vem depois e não consegue reagir tão rápido quanto o chaveamento só enxerga a média, que se comporta como uma tensão intermediária de verdade.

O circuito acima é o programa fade que já vem pronto no Arduino Uno, rodando de verdade. O analogWrite() no pino 9 coloca o timer 1 em PWM phase-correct de 8 bits com prescaler de 64, o que dá 16 MHz divididos por 64 vezes 510, cerca de 490 Hz. Esse número não é um chute; é o que o hardware do timer realmente produz com esse prescaler e esse modo, e depois de configurado o timer mantém o ciclo de trabalho sozinho. O sketch só muda o registrador de comparação, trinta vezes por segundo, percorrendo uma tabela de 64 posições com o formato de um ciclo de (1 - cosseno) dividido por 2. É isso que faz a luz parecer que está respirando em vez de subir em linha reta: o olho percebe o brilho de forma mais ou menos logarítmica, então uma rampa linear parece passar correndo pela componentee de cima.

Isso é PWM de hardware: depois que o timer está configurado, a CPU fica livre para fazer outra coisa entre as atualizações, e a forma de onda no pino nunca falha, mesmo que o sketch fique ocupado por um instante. O PWM por software, a alternativa num pino sem timer por trás, faz a própria CPU virar o pino seguindo um horário, o que gasta tempo de CPU proporcional à frequência e pode tremer se outra coisa precisar do processador na hora errada.

O que você vê no LED também não é o liga e desliga instantâneo. A ponta de prova do LED no Mokxi é uma média curta do próprio brilho, com uma constante de tempo perto de 8 milissegundos, que está na mesma faixa do tempo que o olho leva para reagir a uma mudança. A 490 Hz, cada ciclo de PWM dura cerca de 2 milissegundos, bem mais rápido do que essa média consegue acompanhar, então o LED mostra o seu ciclo de trabalho com precisão de uns poucos por cento, em vez de piscar uma vez por ciclo. Isso não é um truque de desenho para imitar um borrão; é a mesma média que uma retina de verdade faz, calculada do mesmo jeito.

Abra o circuito e veja a respiração entrar no ritmo. A comparação que vale a pena fazer em seguida é no ESP32-C3, que traz a mesma respiração de dois jeitos: o fade faz tudo por software, e o pwmfade entrega o trabalho ao LEDC, o controlador de PWM do próprio chip, em qualquer pino em vez de só em seis pinos fixos. Os dois estão nas páginas de simulador das placas.