آموزش الکترونیک

PWM چیست ؟ آشنایی کامل با مدولاسیون عرض پالس

سلام. PWM چیست ؟ آشنایی کامل با مدولاسیون عرض پالس را آماده کردیم.

معکوس کننده ها (اینورتر)، مبدل ها، مدارهای SMPS و کنترل کننده های سرعت… نکته ای که در همه این مدار ها رایج است، این است که سوئیچ های الکترونیکی زیادی در داخلشان است. این سوئیچ ها چیزی نیستند جز دستگاه های الکترونیکی قدرت مانند MOSFET، IGBT، TRIAC و … برای کنترل چنین سوئیچ های الکترونیکی قدرت، ما معمولا از چیزی به نام سیگنال های PWM استفاده می کنیم (مدولاسیون پهنای پالس).

جدا از این، سیگنال های PWM برای هدایت موتور های Servo و همچنین برای کار های ساده دیگر مانند کنترل روشنایی یک LED نیز استفاده می شوند. در مقاله قبلی در مورد ADC آموختیم، از ADC برای خواندن سیگنال های آنالوگ توسط دستگاه دیجیتال مانند میکروکنترلر استفاده می شود. PWM را می توان دقیقا نقطه مقابل آن دانست. (PWM) برای تولید سیگنال های آنالوگ از یک دستگاه دیجیتال مانند میکروکنترلر، استفاده می شود.

در این مقاله ما با PWM، سیگنال های PWM و پارامتر های مختلف مرتبط با آن آشنا می شویم تا در استفاده از آنها در طراحی های خود اطمينان داشته باشیم.

PWM (مدولاسیون پهنای پالس) چیست؟

کلمه ی PWM مخفف Pulse Width Modulation است؛ بعدا دلیل این نام گذاری را خواهیم فهمید. اما فعلا PWM را به عنوان نوعی سيگنال که می تواند  از یک IC دیجیتال مانند میکروکنترلر یا تایمر 555 تولید شود، بشناسید. سیگنالی که از این راه تولید شده، یک رشته از پالس خواهد داشت و این پالس ها به شکل موج مربع خواهند بود. یعنی در هر زمان معینی موج یا بالا خواهد بود یا پایین. برای درک بهتر اجازه دهید، سيگنال 5 ولت PWM را در نظر بگیریم، در این حالت سیگنال PWM یا 5 ولت (بالا) یا 0 ولت در سطح زمین (پایین) خواهد بود.

مدت زمانی که سیگنال ها بالا می مانند به عنوان “On time” نام گذاری می شوند و مدت زمانی که سیگنال پایین می ماند به عنوان “off time” نام گذاری می شود. برای یک سیگنال PWM باید به دو پارامتر مهم مرتبط با آن، یکی دوره ی کاری PWM و دیگری فرکانس PWM توجه کنیم.

حتما ببینید :  آموزش نصب سیستم عامل اندروید روی رزبری پای

چرخه وظیفه PWM، یا همان Duty Cycle

همانطور که قبل تر گفته شد، یک سیگنال PWM برای زمان مشخصی روشن، و سپس برای بقیه ی دوره خاموش می ماند. چیزی که این سیگنال PWM را خاص و کاربردی می سازد این است که ما می توانیم بوسیله ی کنترل کردن دوره ی کاری سیگنال PWM، آن را برای مدت زمانی که باید روشن بماند، تنظیم کنیم.

دوره ی کاری = Duty Cycle = چرخه وظیفه

درصد زمانی که در آن سیگنال PWM همچنان بالا (HIGH) باقی میماند (on time) را دوره ی کاری می گویند. اگر سیگنال همیشه روشن (on) است، آن در 100% دوره ی کاری است و اگر آن همیشه خاموش (off) است، آن 0% دوره ی کاری است. فرمول محاسبه ی دوره ی کاری، در پایین نشان داده شده است.

چرخه وظیفه = زمان روشن / (زمان روشن + زمان خاموش)

Duty Cycle =Turn ON time/ (Turn ON time + Turn OFF time)

تصویر زیر یک سیگنال PWM را با 50% دوره ی کاری نشان می دهد. همانطور که میتوانید ببینید با در نظر گرفتن یک دوره ی زمانی کل (زمان روشن + زمان خاموش)، سیگنال PWM تنها در 50٪ از مدت زمان، روشن باقی می ماند.

چرخه وظیفه PWM، یا همان Duty Cycle

بوسیله ی کنترل کردن دوره ی کاری از 0% تا 100% ما‌ می توانیم زمان روشن و در نتیجه پهنای سیگنال PWM را کنترل کنیم. از آنجایی که ما می توانیم پهنای پالس را تعدیل کنیم (مدوله کنیم)، آن نام نمادین ” Pulse width Modulation ” را گرفته است.

محاسبه فرکانس PWM

فرکانس یک سیگنال PWM تعیین میکند که چقدر طول میکشد تا یک PWM یک دوره را کامل کند . یک دوره یعنی مدت زمان کامل روشن و خاموش شدن یک سیگنال PWM است که در بالا نشان داده شده است.

فرکانس = 1 / زمان دوره

اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید.

زمان دوره = زمان روشن + زمان خاموش

Frequency = 1/Time Period
Time Period = On time + Off time

به طور معمول سیگنال های PWM تولید شده توسط میکروکنترلر در حدود 500 هرتز خواهند بود ، از چنین فرکانس های بالا در دستگاه های سوئیچینگ با سرعت بالا مانند اینونتر یا مبدل استفاده می شود . اما همه ی برنامه ها به سرعت بالا نیار ندارند . به عنوان مثال برای کنترل یک موتور servo  نیاز به تولید سیگنال PWM با فرکانس 50 هرتز داریم ،  بنابراین فرکانس سیگنال PWM نیز توسط برنامه برای همه میکروکنترلرها قابل کنترل است.

برخی از سوالات متداول در مورد PWM

در اینجا بعضی از سوالات مربوط به مبحث PWM را توضیح میدهیم.

حتما ببینید :  انواع آمپلی فایر های قدرت (آموزش کامل تقویت کننده ها)

تفاوت بین دوره ی کاری و فرکانس سیگنال PWM چیست؟

دوره ی کاری و فرکانس های سیگنال PWM معمولا اشتباه می شوند . همانطور که می دانیم سیگنال PWM موج مربعی با زمان روشن و خاموش شدن مشخص است. مجموع این زمان روشن و خاموش ، به عنوان یک دوره زمانی گفته می شود. معکوس یک دوره زمانی فرکانس گفته می شود. در حالی که مقدار زمانی که سیگنال PWM باید در یک دوره زمانی روشن بماند ، توسط دوره ی کاری و PWM تصمیم گرفته می شود .

به بیان ساده ، سرعت روشن خاموش شدن سیگنال PWM توسط فرکانس سیگنال PWM و مدت زمان روشن ماندن سیگنال PWM در این سرعت ، توسط دوره ی کاری سیگنال PWM مشخص می شود.

چگونه سیگنال های PWM را به ولتاژ آنالوگ تبدیل کنیم؟

برای کاربردهای ساده مانند کنترل سرعت موتور DC یا تنظیم روشنایی یک LED ، ما باید سیگنال های PWM را به ولتاژ آنالوگ تبدیل کنیم. این کار با استفاده از فیلتر RC به راحتی قابل انجام است و معمولاً در مواردی که یک ویژگی DAC لازم باشد استفاده می شود. مدار آن در زیر نشان داده شده است :

تبدیل سیگنال PWM به ولتاژ آنالوگ

در نمودار بالا نشان داده شده که رنگ زرد، سیگنال PWM و رنگ آبی یک ولتاژ آنالوگ خروجی است.  مقدار مقاومت R1 و خازن C1 را می توان بر اساس فرکانس سیگنال PWM محاسبه کرد اما معمولا از مقاومت 5.7K یا 10K و خازن 0.1u یا 1u استفاده می شود.

چگونه ولتاژ خروجی سیگنال PWM را محاسبه کنیم؟

پس از تبدیل شدن ولتاژ خروجی سیگنالPWM به آنالوگ ، درصد دوره ی کاری خواهد بود.  به عنوان مثال اگر ولتاژ عامل 5 ولت باشد ، سیگنال PWM نیز در صورت زیاد شدن 5 ولت خواهد شد.  در چنین شرایطی برای دوره ی کاری 100٪،  ولتاژ خروجی 5 ولت و برای دوره ی کاری 50٪ ، 2/5ولت خواهد بود.

ولتاژ خروجی = درصد چرخه وظیفه * 5

Output Voltage = Duty cycle (%) * 5

استفاده از PWM در میکروکنترلر ها

ما نحوه استفاده از PWM را در انواع میکروکنترلر ها توضیح داده ایم :

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
برچسب ها

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

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

دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن