سلام به همه همراهان! ورودتون رو به اسمارت کامپ خوش آمد می گم. در این آموزش در مورد موضوع مهمی با عنوان "معرفی مدولاسیون عرض پالس یا PWM" صحبت خواهیم کرد. سعی خواهیم کرد همه چیز را راجع به PWM پوشش دهیم، از جمله تعریف PWM، نحوه تولید PWM، اینکه چرا به سیگنال های PWM نیاز داریم؟ نحوه استفاده از آن در انواع کاربردها از جمله موتورها، سیستم های گرمایش، هیدرولیک، شیرهای کنترل، پمپ ها و غیره. 

PWM (مدولاسیون عرض پالس) چیست؟

همانطور که همه می دانیم، دو نوع اصلی سیگنال الکتریکی وجود دارد که عبارتند از AC و DC یعنی جریان متاوب و جریان مستقیم. هر دوی این سیگنال ها به عنوان منبع تغذیه برای انواع مختلف وسایل برقی استفاده می شوند. حال اگر نگاهی به این وسایل الکتریکی بیندازیم، آنها در سطوح ولتاژ متفاوتی کار می کنند و ممکن است به منبع ولتاژ متغیر نیز نیاز داشته باشند (مانند دیمرهای فن). بنابراین، نیاز به تولید منابع ولتاژ متغیر با حداقل تلفات برق وجود دارد، زیرا روش‌های دیگر (مانند ترانسفورماتورهای کاهنده و غیره) انرژی را هدر می‌دهند و بنابراین خیلی کارآمد نیستند. تکنیک های مختلفی برای دستیابی به سطوح ولتاژ متغیر طراحی شده است که یکی از آنها PWM (مخفف Pulse Width Modulation) نام دارد که موثرترین روش در نظر گرفته می شود.

در PWM، ما به سادگی منبع تغذیه خود را در فواصل مساوی روشن و خاموش می کنیم و در نتیجه میانگین توان سیگنال را کاهش می دهیم.

همانطور که در شکل زیر (A) نشان داده شده است، یک سیگنال 5 ولت DC را گرفته و آن را به سه بازه مساوی تقسیم کردیم که هر بازه نشان دهنده یک سیکل است.

در شکل (B)، برای هر سیکل، برق برای نیمه اول روشن است، در حالی که برای نیمه دوم خاموش است.

بنابراین، می توانیم بگوییم که ما به سادگی منبع DC خود را در فواصل مساوی تغییر می دهیم (در این مورد فاصله 50٪ است).

اگر این سوئیچینگ را با استفاده از سوئیچ دستی انجام دهیم (که عملاً خیلی کند خواهد بود)، زمانی که کلید روشن است 5 ولت و هنگامی که کلید خاموش است 0 ولت دریافت می کنیم، مدار در شکل (D) نشان داده شده است.

اما، اگر این سوئیچ دستی را با یک سوئیچ اتوماتیک (با استفاده از Mosfet، IGBT، FET و غیره) جایگزین کنیم، می‌توانیم به سوئیچینگ سریع در محدوده نانوثانیه دست یابیم.

این سوئیچینگ سریع سیگنال الکتریکی، توان متوسط آن را کاهش می دهد، اما خروجی پیوسته باقی می ماند و برای سیکل 50% روشن/خاموش، خروجی سیگنال 5 ولت حدود 2.5 ولت خواهد بود، همانطور که در شکل (C) نشان داده شده است.

در شکل (C)، سیگنال خروجی با رنگ آبی نشان داده شده است، که 2.5 ولت است اما سیگنال PWM واقعی در حال روشن/خاموش شدن است و به رنگ نارنجی نشان داده شده است.

درصدی که سیگنال در یک سیکل در حالت ON باقی می ماند، سیکل کار یا چرخه وظیفه (Duty Cycle) نامیده می شود (در ادامه به تفصیل درباره آن بحث خواهیم کرد).

در مثال بالا، سیکل کار موج PWM 50٪ است، به همین دلیل خروجی آن دقیقاً نصف است، زیرا ما آن را برای 50٪ باقی مانده خاموش می کنیم.

حال بیایید نگاهی به تعریف دقیق تر مدولاسیون عرض پالس بیندازیم:

تعریف PWM

PWM (مخفف Pulse Width Modulation) یک تکنیک مدولاسیون است که برای پایین آوردن سطح ولتاژ (متوسط توان) سیگنال های الکتریکی (هر دو AC و DC) با تغییر عرض (مدت روشن) آنها با استفاده از سوئیچینگ سریع استفاده می شود.

PWM در سیگنال های DC

فرض کنید، ما یک منبع تغذیه 12 ولت DC داریم اما می‌خواهیم یک بار DC 5 ولتی را کنترل کنیم، مثلاً LED RGB، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. مدار A یک کلید دستی دارد، اگر سریعاً این کلید را در فواصل مساوی روشن و خاموش کنیم، در خروجی 12 ولت یا 0 ولت می گیریم و LED نیز روشن یا خاموش می شود و احتمال سوختن آن وجود دارد. اما اگر این کلید دستی را با یک سوئیچ اتوماتیک یعنی ترانزیستور (مانند مدار B) جایگزین کنیم، می توانیم به سوئیچینگ دقیق و سریع دست یابیم. این سوئیچینگ سریع همان کار را انجام می دهد یعنی سیگنال الکتریکی را روشن و خاموش می کند، اما این سوئیچینگ را در نانوثانیه انجام می دهد که میانگین توان سیگنال الکتریکی را کاهش می دهد اما خروجی پیوسته باقی می ماند. بنابراین، اگر ترانزیستور برای مدت زمان مساوی روشن و خاموش باشد، سیگنال خروجی از 12 ولت به 6 ولت کاهش می یابد و LED می درخشد. اما اگر می خواهید یک خروجی دقیق 5 ولت ایجاد کنید، باید دوره روشن ترانزیستور را بیشتر کاهش دهیم که به نوبه خود خروجی را کاهش می دهد. دو عامل اصلی PWM عبارتند از:

فرکانس سوئیچینگ

سیکل کاری.

الف) فرکانس سوئیچینگ

فرکانس (یا نرخ) که ترانزیستور در آن کار می کند فرکانس سوئیچینگ نامیده می شود. معمولاً از میکروکنترلرها برای تولید پالس PWM استفاده می شود اما در مدارهای کوچک از تایمر 555 نیز استفاده می شود. یک میکروکنترلر معمولی 8 بیتی می تواند یک پالس PWM در محدوده 4 مگاهرتز تا 80 مگاهرتز تولید کند، فرض کنید یک پالس PWM با فرکانس 20 مگاهرتز تولید می کنیم:

t = 1/f

t = 1/20MHz

t = 0.066us

بنابراین، دوره زمانی یک پالس PWM 0.066 us است، این همان سرعت سوئیچینگ است.

ب) سیکل کار (Duty Cycle)

در یک سیکل پالس PWM، دوره ON پالس به عنوان سیکل کار نامیده می شود. بنابراین، اگر ترانزیستور روی 50 درصد سوئیچ می کند یعنی سیکل کاری پالس PWM تولیدی نیز 50% است. اگر تا به حال روی یک موتور DC کار کرده باشید، حتما متوجه شده اید که با تغییر ولتاژ ورودی آن، سرعت آن تغییر می کند. بطور مثال اگر یک موتور 12 ولت DC را در نظر بگیرید که در ولتاژ نامی اش با سرعت 500 دور در دقیقه بچرخد، بنابراین اگر ولتاژ آن را از 12 ولت به 6 ولت کاهش دهیم، دور در دقیقه آن از 500 دور در دقیقه به 250 دور در دقیقه کاهش می یابد (البته در حالت ایده آل). در تکنیک PWM، سیگنال های الکتریکی از طریق یک قطعه سوئیچینگ سریع (به عنوان مثال FET، ماسفت، IGBT و غیره) عبور می کنند، این ترانزیستورها طوری برنامه ریزی شده اند که سیگنال الکتریکی را در فواصل مساوی قطع کنند. PWM فرآیندی است که عمدتاً برای دریافت سیگنال آنالوگ با استفاده از یک کنترلر دیجیتال استفاده می شود.

این کنترلر چیزی نیست جز یک کنترل کننده که جریان ورودی اعمال شده به بار را کنترل و مدیریت می کند.

PWM بین مقادیر HIGH و LOW تغییر می کند که در آن مقدار HIGH نشان دهنده ولتاژ 5 ولت و مقدار LOW نشان دهنده سیگنال زمین اعمال شده به بار است. توجه: لزوماً، مقدار HIGH همیشه 5 ولت نیست و می تواند هر مقداری بر اساس ولتاژی باشد که بار در آن کار می کند. PWM مانند یک سوئیچ کنترل شده عمل می کند که عمدتاً جریان تحویلی به بار را کنترل می کند. هنگامی که کلید خاموش است، نشان می دهد که جریانی برای بار در دسترس نیست و هنگامی که یک کلید روشن است، به این معنی است که برق بدون افت ولتاژ به بار می رسد. کنترل‌کننده‌های PWM عمدتاً در مواردی استفاده می‌شوند که ما نیاز داریم با ارائه توان به بار به صورت پالس و نه یک سیگنال پیوسته، تلفات توان را به حداقل برسانیم.

تکنیک PWM را می توان به راحتی بر اساس سیکل کاری و فرکانس تکرار سیکل کار در ثانیه تعریف کرد. سیکل کار مدت زمانی را که سیگنال بین وضعیت روشن و خاموش تغییر می کند، مشخص می کند و به صورت درصد بیان می شود. اگر سیگنال نیمی از کل سیکل کار روشن بماند و در نیمی دیگر خاموش بماند، سیکل کار 50٪ خواهد بود.

شکل زیر سیکل کار را بر حسب درصد نشان می دهد که عمدتاً به سیگنال دیجیتال روشن و خاموش در شکل موج مربوط می شود.

PWM سیکل کار سیگنال را کنترل می کند و در نتیجه سرعت موتور را کنترل خواهد کرد.

اگر فرکانس سیکل کاری 50 هرتز باشد، به این معنی که 50 سیکل کاری در هر ثانیه تکمیل می شود، آنگاه درصد بیانگر میزان سرعت تغییر بین مقادیر HIGH و LOW را بیان می کند.

فرکانس مورد نیاز برای فرآیند PWM بر اساس ماهیت کاربردها متفاوت است. برخی به سیکل کاری سریع برای کنترل بار با سرعت بیشتر نیاز دارند در حالی که برخی به چرخه کاری کمتری نیاز دارند تا فرآیند را روان و دور از تلفات برق نگه دارند. اغلب اوقات، زمان پاسخ بار، میزان فرکانس مورد نیاز برای PWM را تعیین می کند.

توجه به این نکته مهم است که سرعت موتور مستقیماً با مدت سیکل کاری که در آن سیگنال روشن می ماند، متناسب است. هرچه مدت زمان ON سیگنال بیشتر باشد، پایانه های موتور سریعتر می چرخند. به طور مشابه، مدت زمان بیشتر خاموشی منجر به کاهش سرعت موتور می شود.

استفاده از PWM برای کنترل موتور دارای یک مرحله بیشتر از تغییر سیگنال آنالوگ به موتور است. از آنجایی که سیگنال آنالوگ برق را با تغییرات مداوم به موتور اعمال می‌کند و نمی‌تواند پایانه‌های موتور را به طور کامل خاموش یا روشن نگه دارد، در نتیجه در طول این فرآیند تلفات برق رخ می‌دهد، با این حال، PWM قدرت را به با پالس‌هایی اعمال می‌کند که پایانه‌های موتور را در حالت کاملاً روشن یا خاموش حفظ می‌کند..

مثال LED

کنترل RGB LED یک مثال عالی برای درک مفهوم PWM است. با تغییر مقدار سیکل کاری هر رنگ و بازی با روشنایی آنها، هر بار رنگ خاصی به دست می آید. از تنظیم سیکل کاری با اندازه یکسان برای هر رنگ خودداری کنید، انجام این کار باعث می شود نور سفید تولید شود.

اگر به چراغ قرمز LED پالسی با چرخه کاری 10 درصد با سرعت 2 مگاهرتز اعمال می کنید، در اکثر مواقع چراغ قرمز همانطور که می بینید خاموش نشان داده می شود. بله، برای مدت زمان کمی روشن می شود، اما به نظر می رسد که در فلاش ایجاد شده توسط RGB LED شرکت نمی کند. به طور مشابه، اعمال نور قرمز با چرخه کاری 10٪ در 100 مگاهرتز، سهم نور قرمز را در LED افزایش می دهد یعنی با اعمال فرکانس پایین تر سهم نور قرمز در سیکل کاری های پایین بیشتر شده است.

مادربرد کامپیوتر

مادربرد کامپیوتر نمونه دیگری است که به سیگنال های PWM نیاز دارد تا فن آن با پالس های برق کار کند. اگر بدون PWM به طور مداوم برق داده شود، ممکن است آسیب جدی به بخش قدرت برد وارد کند، زیرا برد بدون هیچ مکثی با سرعت کامل کار می کند. با توجه به میزان حرارت قطعات روی برد، فن باید بگونه ای کار کند که همراه دمای برد را در یک نقطه مشخص ثابت نگه دارد. اگر یک کامپیوتر جدید بخرید، ممکن است متوجه شوید که یک هدر PWM 4 پین در فن اضافه شده است که فرآیند خنک سازی برد را کنترل می کند. نکته قابل ذکر در اینجا این است که PWM تولید شده با سیکل کاری شیب دار بر تولید آن با سیکل یکنواخت ترجیح داده می شود. زیرا زمانی که فن با سرعت پایین کار می کند، در مقابل ایجاد صدای کلیک آسیب پذیرتر است. به طور مشابه، هنگامی که سیکل کار به 100٪ نزدیک می شود، فن با سرعت کامل کار می کند و صدای تیک تیک ناخوشایندی ایجاد می کند.

به منظور کاهش صدای آزاردهنده، برخی از فن های باکیفیت دارای تراشه های درایو آی سی هستند که به فن اجازه می دهد بدون ایجاد هیچ صدایی به آرامی کار کند. ممکن است برای خرید فن های PWM با کیفیت که نه تنها کیفیت خود را حفظ می کنند، بلکه به افزایش طول عمر کلی برد نیز کمک می کنند، به هزینه بیشتری نیاز داشته باشید.

کاربردها

کنترل موتورهای DC و سرو موتورها

کنترل سیستم های گرمایشی،

کنترل سیستم های هیدرولیک

کنترل شیرهای برقی،

پمپ ها

مخابرات

کاربردهای کامپیوتری