مدولاسیون پهنای پالس یا PWM — به زبان ساده

در این آموزش، مدولاسیون پهنای پالس را بررسی می‌کنیم. مفهوم مدولاسیون پهنای پالس (Pulse width Modulation) یا PWM در عبارت آن نهفته است. مدولاسیون پهنای پالس به معنی مدوله کردن یا به نوعی تغییر پالس (و نه فرکانس) است.

میکروکنترلرها قطعات دیجیتالی هستند که مبتنی بر سیگنال‌های باینری کار می‌کنند. بهترین نحوه نمایش یک سیگنال باینری، شکل‌موج مربعی است. اینورترها، مبدل‌ها، منابع تغذیه سوئیچینگ و کنترل‌کننده‌های سرعت همه یک ویژگی مشترک دارند و آن این است که این مدارها تعدادی سوئیچ الکترونیکی دارند. این سوئیچ‌ها همان MOSFET، IGBT، TRIAC و امثال آن‌ها است. برای کنترل سوئیچ‌های الکترونیک قدرت، از سیگنال‌های PWM استفاده می‌کنیم. علاوه بر این، سیگنال‌های PWM در کنترل سرو موتورها و نیز کنترل روشنایی ال‌ای‌دی‌ها به‌کار می‌روند.

یک PWM را می‌توان برعکس مبدل آنالوگ به دیجیتال فرض کرد. در حقیقت، PWM برای تولید سیگنال‌های آنالوگ از یک قطعه دیجیتال مانند میکروکنترلر به کار می‌رود. در ادامه، چند مفهوم را معرفی کرده و مباحث مربوط به مدولاسیون پهنای پالس را بیان خواهیم کرد.

تفاوت سیگنال آنالوگ و دیجیتال

ابتدا باید بدانیم تفاوت بین یک سیگنال آنالوگ و یک سیگنال دیجیتال چیست. یک باتری ساده $$1.5$$ ولتی را در نظر بگیرید که در دستگاه کنترل تلویزیون از آن استفاده می‌کنیم. باتری، یک سیگنال آنالوگ تولید می‌کند که ولتاژ آن حدود $$1.5$$ ولت است. ممکن است انتظار داشته باشیم که ولتاژ آن در نزدیکی $$1.5$$ ولت قرار داشته باشد، اما مقدار دقیق آن مشخص نیست. اگر بخواهیم ولتاژ واقعی باتری را حدس بزنیم، می‌توانیم بی‌نهایت مقدار را بیان کنیم که مثلاً در بازه $$0$$ تا $$1.6$$ ولت باشند. این همان ویژگی سیگنال آنالوگ است.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۱ در فرادرس

کلیک کنید

از سوی دیگر یک سیگنال دیجیتال را در نظر بگیرید که انتخاب‌های محدودی برای مقادیر آن وجود دارد. مواردی مانند $$\{0, 1 \}$$، $$\{4, 5\}$$ و $$\{1, 2, 3, 4\}$$ مثال‌هایی از این دست است که یک سیگنال دیجیتال می‌تواند اختیار کند. یکی از معایب مدارهای آنالوگ این است که  با گذشت زمان، مقادیر مربوط به آن‌ها به تدریج تغییر می‌کند و تنظیم آن‌ها دشوار است. همچنین، مدارهای آنالوگ معمولاً به نویز حساس هستند. بنابراين پیاده‌سازی یک سيگنال ديجيتال ساده‌تر است، مدار آن کوچک‌تر است، می‌توان آن را به‌خوبی تنيم کرد، به‌راحتی قابل بازيابی است، گرمای کم‌تری تولید می‌کند، حساسیت آن به نویز کم‌تر است و وزن کم‌تری دارد.

مدولاسیون چیست؟

اکنون که تفاوت بین یک سیگنال آنالوگ و یک سیگنال دیجیتال را می‌دانیم، مفهوم مدولاسیون را بیان می‌کنیم. حتماً عبارت‌های AM و FM را دیده‌اید که روی رادیو نوشته شده‌اند. عبارت AM، مخفف Amplitude Modulation به‌معنی مدولاسیون دامنه است. مدولاسیون دامنه، راهی برای ارسال یک سیگنال (مثلاً‌ موسیقی) روی یک حامل (فرکانس ایستگاه رادیویی مورد نظر) است. مدولاسیون اساساً یک راه برای رمزگذاری یک سیگنال بر روی سیگنال حامل است.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۲ در فرادرس

کلیک کنید

در حقیقت، مدولاسیون سوار کردن سیگنال مورد نظر بر روی یک سیگنال دیگر است. اینک ر به‌منظور افزایش برد سیگنال و بهره‌وری انتقال انجام می‌شود. به‌طور کلی، فرایند گنجاندن سیگنال حاوی اطلاعات در سیگنالی دیگر را مدولاسیون می‌نامند.

مدولاسیون پهنای پالس چیست؟

مدولاسیون پهنای پالس یا PWM، نوعی سیگنال است که می‌توان آن را از IC دیجیتال مانند میکروکنترلر یا تایمر ۵۵۵ تولید کرد. سیگنال تولیدی یک قطار پالس بوده و این پالس‌ها یک شکل‌موج مربعی را تشکیل می‌دهند. به عبارت دیگر، در هر زمان معین، موج در وضعیت بالا (High) یا پایین (Low) خواهد بود. برای درک بهتر، یک سیگنال PWM را با اندازه 5 ولت در نظر بگیرید. در این صورت، سیگنال PWM در وضعیت ۵ ولت (بالا) یا ۰ ولت (پایین) است. مدت‌زمانی که سیگنال در وضعیت High قرار دارد، «زمان روشن» (On Time)، و مدت‌زمانی که سیگنال در وضعیت Low است، «زمان خاموش» (Off Time) نامیده می‌شود.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت – شبیه سازی در متلب و سیمولینک در فرادرس

کلیک کنید

برای کار با سیگنال‌های PWM، باید برخی تعاریف مربوط به آن‌ها را بدانیم. در ادامه، این اصطلاحات و پارامترها را بیان می‌کنیم.

چرخه کاری

چرخه کاری (Duty Cycle) یا سیکل وظیفه یا زمان کاری، مقدار زمان High بودن سیگنال نسبت به مدت یک دوره تناوب است. به این ترتیب که اگر سیگنال همواره ON باشد، چرخه کاری آن ۱۰۰ درصد و هنگامی که کاملاً Off باشد، مقدار چرخه کاری صفر است. اگر بخواهیم فرمول چرخه کاری را بنویسیم، داریم:

با استفاده از فرمول بالا می‌توان زمان ON بودن یا $$t_{ON}$$ را برای مقدار ولتاژ مطلوبی که می‌خواهیم از منبع به‌دست آوریم، محاسبه کنیم. با ضرب چرخه کاری در 100 می‌توان درصدر ان را بیان کرد. درصدر چرخه کاری، متناسب با ولتاژی است که از منبع می‌گیریم. مثلاً اگر بخواهیم مقدار ولتاژ 40 ولت را از یک منبع 50 ولتی بگیریم، می‌توانیم آن را با چرخه کاری $$80 \%$$ نشان دهیم.

شکل زیر، یک سیگنال PWM را با چرخه کاری $$50\, \%$$ نشان می‌دهد.

مثال: در فرکانس 50 هرتز، یک سیگنال PWM طراحی کنید که چرخه کاری آن، $$60 \%$$ باشد.

حل: فرکانس ۵۰ هرتز یعنی اینکه در هر ثانیه، 50 دوره تناوب وجود دارد. به‌ عبارت دیگر، می‌توانیم دوره تناوب را به‌صورت زیر محاسبه کنیم:

در نهایت، شکل‌موج PWM مطابق شکل زیر خواهد بود:

مثال: فرض کنید در فرکانس بالا کار می‌کنیم و خروجی یک مولد PWM به یک مدار RC وصل شده است.

ولتاژ خروجی (ولتاژ خازن) برای دو چرخه وظیفه 10 و 90 درصد در شکل‌های زیر نشان داده شده است.

گفتیم که سیگنال PWM برای مدوله یا دمدوله کردن سیگنال‌های آنالوگ نیز به‌کار می‌رود. مدولاسیون معمولاً با روشی انجام می‌شود که که PWM متقاطع نامیده می‌شود. براساس این روش، سیگنال آنالوگ ورودی و یک شکل‌موج دندان اره‌ای به یک مقایسه کننده وارد می‌شوند. در زمان که ولتاژ شکل‌موج دندان‌اره‌ای کم‌تر از سیگنال ورودی باشد، خروجی PWM در وضعیت بالا قرار خواهد گرفت و بالعکس. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

تفاوت بین چرخه کاری و فرکانس یک سیگنال PWM چیست؟

گاهی ممکن است چرخه کاری و فرکانس یک سیگنال PWM را اشتباه بگیریم. همان‌گونه که می‌دانیم، سیگنال PWM، یک شکل‌موج مربعی است که زمان خاموش و روشن دارد. مجموع این زمان روشن و خاموش شدن، دوره تناوب نامیده می‌شود.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۱ در فرادرس

کلیک کنید

معکوس دوره تناوب را فرکانس می‌نامیم. در حالی که چرخه کاری، فقط مدت زمان روشن یا ON بودن سیگنال در یک دوره تناوب است. به عبارت ساده‌تر، فرکانس، سرعت خاموش و روشن شدن سیگنال PWM را نشان می‌دهد، در حالی که چرخه کاری بیان می‌کند که سیگنال PWM در یک دوره تناوب باید چه‌قدر در حالت ON باشد.

چگونه سیگنال‌های PWM را به ولتاژ آنالوگ تبدیل کنیم؟

برای کاربردهای ساده‌ای مانند کنترل سرعت یک موتور DC یا تنظیم نور یک LED، باید سیگنال‌های PWM را به ولتاژ آنالوگ تبدیل کنیم.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۲ در فرادرس

کلیک کنید

این کار را می‌توانیم به‌سادگی و با استفاده از یک فیلتر RC و یک مبدل دیجیتال به آنالوگ یا DAC انجام دهیم. مدار شکل زیر را ببینید.

در تصویر بالا که چهار شکل‌موج دارد، سیگنال زرد، PWM و سیگنال آبی، ولتاژ آنالوگ خروجی است. مقدار مقاومت R1 و خازن C2 را می‌توان براساس فرکانس سیگنال PWM انتخاب کرد.

اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها
• مبدل های DC به DC — مفاهیم اصلی

^^