جلسه نهم: راه اندازی مدولاسیون عرض پالس (PWM)

30,000 ریال

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.

توضیحات

  •  

مُدولاسیون پهنای پالس یا مُدولاسیون عرض پالس (انگلیسی: Pulse Width Modulation, PWM)، روشی برای تنظیم توان الکتریکی  داده‌شده به بار، با تغییردادن زمان قطع‌ و‌ وصل شدن منبع توان به بار (در هر سیکل) است.

مدولاسیون پهنای پالس (PWM)، درمهندسی الکترونیک و کنترل، کاربردهای گوناگونی دارد.

بخش اصلی PWM، یک سیگنال کنترلی به شکل موج مربعی (پالس) است، به‌طوری‌که دوره کاری (Duty cycle) پالس‌ها، در هر دوره تناوب موج (هر سیکل)، قابل تنظیم است (شکل زیر را ببینید). دورۀ کاری، نسبت مدتِ High بودن موج مربعی به دورۀ تناوب آن است، و بر حسب درصد (%) بیان می‌شود.

نکته مهم که در سیگنال PWM باید توجه داشته باشید زمان – دوره است و از این رو فرکانس همیشه ثابت است .  فقط زمان یک و صفر بودن پالس (DutyCycle ) متغیر است . در این روش ، ولتاژ داده شده را می توانیم مدوله کنیم . یک تفاوت بین سیگنال موج مربعی و سیگنال PWM این است که سیگنال موج مربعی دارای زمان یکسان یک و صفر است (دیوتی سایکل ۵۰%) ، درصورتی که سیگنال PWM دارای دیوتی سایکل متغییر است . موج مربعی به عنوان یک مورد خاص سیگنال PWM است که دیوتی سایکل آن ۵۰% است  (زمان یک بودن = زمان صفر بودن ).

به طور مثال اگر منبع ولتاژ ۵۰ ولت و بار ۴۰ ولت نیاز داشته باشد ، راه خوب تولید ۴۰ ولت از ۵۰ ولت از طریق مدار استپ داون (step-down chopper) است. چاپر نیاز به یک سیگنال آتش یا تریگر دارد که باید سیگنال PWM باشد تا منجر به روشن و خاموش کردن تریستورشود . این سیگنال PWM می تواند توسط میکروکنترلر که واحد تایمر دارد تولید شود . شرط مورد نیاز سیگنال PWM ،برای تولید ۴۰ ولت با استفاده از یک تریستور از منبع ۵۰ ولت این است که  ، زمان یک بودن ۴۰۰ میلی ثانیه و زمان صفر بودن ۱۰۰ میلی ثانیه (دوره سیگنال PWM، ۵۰۰ میلی ثانیه است )  . به عبارتی می توان به صورت زیر توضیح داد : اساسا یک تریستور به عنوان سوئیچ عمل می کند . در یک مدار استپ داون چاپر ، بار جریان را از منبع به وسیله تریستور می گیرد . زمانی که تریستور خاموش است ، بار به منبع وصل نیست و زمانی که تریستور روشن است ، بار به منبع وصل است. این عمل سوئیچینگ روشن و خاموش بودن تریستور، به وسیله سیگنال PWM انجام می شود . درصد دوره زمان یک بودن سیگنال PWM ، دیوتی سایکل سیگنال نامیده می شود . اگر دیوتی سایکل ۱۰۰% باشد ، موج تبدیل به یک DC ثابت می شود . بنابراین دیویتی سایکل با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود :

 

ton : زمان روشن بودن (یک بودن )

toffزمان خاموش بودن (صفر بودن )

ton+toff: دوره زمانی

 

با استفاده از فرمول بالا ، می توانیم زمان روشن بودن (ton ) ولتاژ مورد نظر که از ولتاژ منبع کل می خواهیم را محاسبه کنیم . با ضرب دیوتی سایکل در ۱۰۰ ، میتوانیم آن را به صورت درصد نشان دهیم . بنابراین درصد دیوتی سایکل به طور مستقیم با مقدار ولتاژ گرفته شده از منبع متناسب است . در مثال بالا ، اگر ۴۰ ولتاژ  ولت از منبع ۵۰ ولت می خواهیم ، توسط یک مدار step down chopper  با دیوتی سایکل ۸۰% انجام می شود چون ۴۰ ،۸۰%از۵۰ است .

مساله نمونه :

در فرکانس ۵۰Hz طراحی موجPWM  با دیوتی سایکل ۶۰% می توانیم بنویسیم

معادله Duty Cycle در مدولاسیون پهنای پالس

معادله Duty Cycle در مدولاسیون پهنای پالس

موج PWM نتیجه شده :

موج مدولاسیون پهنای پالس

موج مدولاسیون پهنای پالس

یکی از بهترین نمونه کاربرد مدولاسیون پهنای پالس ، استفاده PWM برای کنترل سرعت موتور است . این روش تغییر دادن پهنای پالس ، برای به دست آوردن دیوتی سایکل مورد نظر ” مدولاسیون پهنای پالس یا PWM” نامیده می شود .در ساختنی می توانید پروژه های زیادی را مشاهده کنید که از مدولاسیون پهنای پالس در طراحی خود استفاده می کنند.