Pulse Width Modulation (PWM)

 

Pulse Width Modulation (PWM) یا مدولاسیون پهنای پالس   که به اختصار PWM نامیده خواهد شد، یک تکنیک اندازه‌گیری و کنترل الکتریکی است که توسط آن یک سیگنال دیجیتال از نوع کنترلی یا اندازه‌گیری به یک سیگنال آنالوگ بسیار دقیق تبدیل می‌شود.

 PWM بر این اساس پایه‌ریزی شده است که یک سیگنال دیجیتال قطع و وصل (On-Off) با فرکانس بالا، با روشی مشخص به یک سیگنال آنالوگ پیوسته، قابل تبدیل است.

اما چرا از PWM استفاده می‌شود؟

در سیستم‌های آنالوگ، تغییر مقدار سیگنال آنالوگ، با تغییر میزان بار مقاوم در مقابل جریان پیوسته عبوری حاصل می‌شود. در مداری که توسط ولتاژ آنالوگ کنترل می‌شود، به دلیل عبور جریان پیوسته از بار مقاوم موجود، توان قابل توجهی مصرف می‌شود که قسمت عمده آن به صورت تلفات حرارتی، از طریق بار، به محیط انتقال می‌یابد.

 از سوی دیگر، در سیستمهای دیجیتال نیز، در زمانی که ولتاژ بالا است، گرما تولید می‌شود. در کاربردهای PWM زمان وصل بودن به حداقل رسیده و به همین دلیل تلفات توان نیز به حداقل خواهد رسید.

PWM در بسیاری از تجهیزات ثابت و متحرک استفاده می‌شود که چند نمونه آن عبارتند از:

-کنترل دقیق عملگرها و سلونوئیدهای الکتریکی، برای کنترل سرعت موتورهای DC یا کنترل شیرهای پروپورشنال هیدرولیک

-تهیه خروجی سیگنال از سنسورهای موقعیت نظیر سنسور جابجایی حرکت جک‌ها، سنسور جابجایی دریچه گاز و …

با اینکه سیگنال‌های PWM زمان پاسخگویی کندتری نسبت به سیگنالهای آنالوگ دارند، اما در مقابل تغییرات مقاومت و تغییرات ولتاژ مدار، پایداری بسیار بهتری دارند.

برای آشنایی با روش کار PWM ابتدا باید چهار پارامتر تعیین کننده خروجی PWM ، یعنی اندازه پالس  (Amplitude)، پریود (Period)، سیکل کاری (Duty Cycle) و فرکانس (Frequency) تعریف شوند.

-اندازه پالس، ماکزیمم ولتاژ تامین شده توسط منبع تغذیه مدار است.

-پریود، زمان انجام یک سیکل کامل است.

-سیکل کاری، زمانی است که در خلال آن سطح سیگنال در یک پریود، در حالت روشن قرار دارد.

-فرکانس، تعداد تکرار سیکل در یک ثانیه است.

چهار پارامتر تعیین کننده خروجی Pulse Width Modulation (PWM)

 

حال به بررسی پارامترهای موثر در خروجی PWM پرداخته خواهد شد.

 

اندازه پالس (Amplitude)

اندازه سیگنال در واقع بیشترین سطح ولتاژ منبع تغذیه مدار در زمانی است که سیگنال در حالت روشن قرار دارد.

برای مثال، در شکل زیر، چون ولتاژ منبع تغذیه مدار 24 ولت است، لذا در زمان روشن بودن سیگنال، اندازه سیگنال برابر با 24 ولت خواهد بود.

به خاطر داشته باشید که سیگنال‌های دیجیتال تنها دو وضعیت روشن (On) و خاموش (Off) داشته و حالت دیگری برای آنها وجود ندارد.

بنابراین تا سطح ولتاژ تغذیه مدار ثابت باشد، اندازه سیگنال در وضعیت روشن برابر ولتاژ تغذیه بوده و تغییر نخواد کرد.

در شکل زیر اندازه پالس (Amplitude) نمایش داده شده است.

 

اندازه پالس (Amplitude)

 

 

پریود (Period)

پریود سیگنال در واقع زمانی است که شکل موج دوباره تکرار می‌شود. به بیانی دیگر مجموع زمان روشن و خاموش بودن سیگنال، پریود سیگنال است.

 

پریود (Period)

 

سیکل کاری (Duty Cycle)

سیکل کاری که به صورت درصد بیان می‌شود، حاصل تقسیم زمان روشن بودن سیگنال بر زمان پریود است و معمولا در بازه 5% تا 95% می‌باشد. برای مثال چنانچه زمان پریود یک ثانیه و زمان روشن بودن سیگنال 0/3 ثانیه باشد، سیکل کاری برابر 30% خواهد بود.

 

 

سیکل کاری (Duty Cycle)

 

فرکانس (Frequency)

بطور کلی، تعداد تکرارهای یک سیکل در خلال مدت پریود، فرکانس نامیده می‌شود. در الکترونیک، تعداد تکرار یک سیکل در مدت زمان یک ثانیه، فرکانس نامیده می‌شود و با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود.

در کنترل PWM، فرکانس در بازه 60 الی 2000 هرتز قرار دارد و این بدان معنی است که در بسیاری موارد، چشم قادر به تشخیص قطع و وصل سیگنال نخواهد بود. در شکل زیر سیگنال به طور کامل 10 بار در زمان یک ثانیه تکرار شده است بنابراین فرکانس قطع و وصل سیگنال 10 هرتز خواهد بود.

 

فرکانس (Frequency)

 

از آنجا که در PWM فرکانس ثابت بوده و مصرف کنندگان از مداراتی با فرکانس‌های مختلف استفاده می‌کنند، لذا باید در زمان تهیه تجهیزات PWM به این نکته توجه نمود.

حال به بررسی نحوه محاسبه سیگنال PWM با استفاده از پارامترهای موجود، پرداخته خواهد شد.

با توجه به شکل زیر و با تقسیم زمان روشن بودن (0/4 ثانیه) بر زمان پریود (0/5 ثانیه) ، سیکل کاری (80%) محاسبه می‌شود.

 

نحوه محاسبه سیگنال PWM

 

اکنون، ولتاژ آنالوگ سیگنال PWM، از حاصلضرب ولتاژ سیگنال دیجیتال (24 ولت) و سیکل کاری (80٪) محاسبه خواهدشد (19/2 ولت).

لازم به ذکر است که بر خلاف تجهیزات کنش‌پذیر (Passive) نظیر پتانسیومتر، مقاومت، ترموکوپل و … که نیازی به ولتاژ راه‌انداز ندارند، سنسورهای PWM جزء تجهیزات فعال (Active) قرار داشته و حتما به ولتاژ تغذیه نیاز دارند.

برای تست سنسور PWM می‌توان از یک عدد مولتی‌متر دیجیتال فلوک استفاده کرد.

پس از وصل منبع تغذیه به سنسور، مولتی‌متر را بر روی وضعیت اندازه‌گیری ولتاژ مستقیم (DC Volts) قرار داده و سپس با فشردن دکمه Hz مولتی‌متر، میتوان بین مقادیر فرکانس (Hz) و سیکل کاری (%) تغییر وضعیت داد و مقادیر اندازه‌ گیری شده را قرائت نمود.

به خاطر داشته باشید که مقدار فرکانس اندازه‌گیری شده باید ثابت و بدون تغییر باشد.

در صورت خراب بودن سنسور، خروجی فرکانس و سیکل کاری وجود نخواهد داشت و ولتاژ مستقیم خروجی نیز یا در حالت ماکزیمم و یا در حالت صفر ولت، اما بدون تغییر وجود خواهد داشت.

در صورت تمایل میتوانید فیلم آموزشی Pulse Width Modulation  را در اینجا مشاهده و دانلود نمایید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *