مدولاسیون پهنای باند (PWM)

در این مقاله قصد داریم به بررسی مدولاسیون پهنای باند (PWM)، انواع تکنیک‌های مدولاسیون، تولید سیگنال، کاربردها، مزایا و معایب آن بپردازیم.

فهرست مطالب

• 1- مقدمه
• 2- پالس الکترونیکی چیست؟
• 3- مدولاسیون پهنای باند (PWM) چیست؟
• 4- چرا به مدولاسیون پهنای باند نیاز داریم؟
• 5- تولید سیگنال مدولاسیون پهنای باند (PWM)
• 6- انواع تکنیک‌های مدولاسیون پهنای باند (PWM)
• 7- کاربردهای مدولاسیون پهنای باند (PWM)
• 8- مزایا و معایب مدولاسیون پهنای باند (PWM)
• 9- نتیجه گیری

————————————————–

1- مقدمه

در الکترونیک قدرت، مدولاسیون پهنای باند (PWM) هسته اصلی کنترل و در به حرکت درآوردن دستگاه‌های الکترونیکی مدرن موثراست.

اکثر مدارهای الکترونیک قدرت توسط سیگنال‌های PWM در اشکال مختلف کنترل می‌شوند.معمولاً از مدولاسیون پهنای باند به عنوان تکنیک کنترل برای تولید سیگنال‌های آنالوگ از یک دستگاه دیجیتال مانند یک میکرو کنترلر استفاده‌می‌شود.به بیان ساده، مدولاسیون پهنای باند تکنیکی برای ایجاد پالس‌های الکترونیکی مدوله شده یا پالس‌های الکترونیکی با عرض مورد نظراست.در واقع، اگر دانش اولیه روشنی در مورد “پالس الکترونیکی” داشته باشیم، به راحتی مفهوم مدولاسیون پهنای باند (PWM) را درک خواهیم کرد.

پس بیایید از اصول اولیه شروع کنیم.

————————————————–

2- پالس الکترونیکی چیست؟

از آنجایی که نمی‌توانیم الکتریسیته را به صورت بصری ببینیم، از شکل‌های موج، انواع مختلف علائم و غیره فقط برای درک مفاهیم الکترونیکی از نظر تئوری استفاده‌می‌کنیم.

پالس الکترونیکی چیزی نیست جز یک نمایش گرافیکی از ماهیت گردش جریان در یک مدار الکتریکی یا الکترونیکی. به عنوان مثال، یک LED از طریق یک سوئیچ به باتری متصل میشود. سوئیچ را به مدت 2 ثانیه روشن نگه می‌داریم و به مدت 2 ثانیه خاموش نگه می داریم و روند همچنان تکرار می‌شود. اکنون ماهیت گردش جریان از باتری به LED را می‌توان با فرم موج پالس نشان داد.

از آنجایی که قراراست به بررسی مفهوم مدولاسیون پهنای باند بپردازیم، ابتدا باید بدانیم عرض پالس چیست؟

سیگنال پالس نشان می‌دهد که منبع تغذیه برای مدت معینی روشن (ON) و برای مدت معینی خاموش (OFF)است.

حالت ON را سیگنال بالا و حالت OFF را سیگنال پایین نیز می‌نامند.

زمانی که سیگنال ONاست را می‌توان با عرض پالس نشان داد.

در شکل زیر عرض و دامنه نشان داده شده‌است.

————————————————–

3- مدولاسیون پهنای باند (PWM) چیست؟

مدولاسیون پهنای باند (PWM)، مدارهای آنالوگ را با خروجی های دیجیتال ریزپردازنده کنترل می‌کند.

در این تکنیک، تبدیل دیجیتال به آنالوگ ضروری نیست زیرا اثرات نویز با دیجیتال نگه داشتن سیگنال به حداقل می رسد.

در تکنیک PWM ، انرژی از طریق یک سری پالس به جای سیگنال پیوسته متغیر (آنالوگ) توزیع می‌شود.

به عبارت ساده تر، تغییر (افزایش یا کاهش) عرض یک پالس الکترونیکی با توجه به نیاز ما، مدولاسیون پهنای باند نامیده میشود.

با تکنیک مدولاسیون پهنای باند (PWM) می‌توانیم عرض پالس الکترونیکی را کاهش یا افزایش دهیم.

————————————————–

مشاهده ویدیوی تنظیمات درایو اینورتر زیمنس

 

————————————————–

4- چرا به مدولاسیون پهنای باند نیاز داریم؟

برای درک نیاز مدولاسیون پهنای باند ، باید بدانیم که تفاوت میان سیگنال پالس و سیگنال پیوسته چیست.

در شکل فوق یک سیگنال DC پیوسته و یک سیگنال DC پالسی نشان داده شده‌است.

هر دو سیگنال دارای مقدار پیک یکسان برابر با  12 ولت هستند.

سیگنال پالس دارای DutyCycle برابر با 50٪است.

حال اگر یک بار را به منبع DC پیوسته وصل کنیم، بار، 12 ولت کامل را دریافت می‌کند، اما اگر آن بار را به منبع DC پالسی وصل کنیم، بار ، تنها 6 ولت دریافت می‌کند.

به این دلیل که مقدار متوسط پالس DC، تنها 6 ولت در DutyCycle برابر با 50٪است. حال اگر DutyCycle را به 25% کاهش دهیم، مقدار متوسط پالس 3 ولت خواهد بود. بنابراین واضح‌است که مقدار متوسط سیگنال پالس به DutyCycle بستگی دارد.

حال ممکن‌است این سوال در ذهن شما باشد که DutyCycle چیست؟

DutyCycle، زمانی‌است که در طی آن پالس فعال‌است یا سیگنال نسبت به کل دوره زمانی بالااست.

اگر سیگنال برای 2 ثانیه بالا و برای 2 ثانیه پایین باشد، به آن گفته می‌شود که سیگنال دارای DutyCycle  برابر با  50٪است و دوره زمانی 4 ثانیه‌است. اگر سیگنال برای 1 ثانیه بالا و برای 3 ثانیه پایین باشد، DutyCycle برابر با 25٪ و دوره زمانی 4 ثانیه خواهد بود.

و اگر سیگنال برای 3 ثانیه بالا و برای 1 ثانیه پایین باشد، DutyCycle برابر با 75٪ و دوره زمانی 4 ثانیه خواهد بود بنابراین مقدار متوسط سیگنال پالس به DutyCycle، و DutyCycle به عرض پالس بستگی‌دارد.

از این رو با تکنیک مدولاسیون پهنای باند، می‌توانیم مقدار متوسط سیگنال را کنترل کنیم.

pwm

برای درک بهتر PWM از یک مثال استفاده می‌کنیم. فرض کنید می خواهیم سرعت یک موتور 24 ولت DC را کنترل کنیم. می دانیم که سرعت موتور DC را می‌توان با کنترل ولتاژ اعمالی، کنترل کرد.

حال اگر PWM را روی موتور اعمال کنیم و عرض پالس ها را تغییر دهیم، DutyCycle نیز تغییر کرده و مقدار متوسط با توجه به DutyCycle تغییر می‌کند. بنابراین سرعت بر اساس مقدار متوسط تغییر می‌کند. تکنیک مدولاسیون پهنای باند چیزی جز کنترل مقدار متوسط یک منبع تغذیه نیست. فرکانس در تکنیک مدولاسیون پهنای باند نقش بسیار مهمی دارد. فرکانس تعداد دفعات تکمیل یک تغییر دوره ای در واحد زمان‌است.

برای درک بهتر تفاوت DutyCycle و فرکانس می‌توان اینطور بیان کرد که، فرکانس یک سیگنال PWM توصیف می‌کند که هر چند وقت یکبار سیگنال بین ولتاژهای بالا و پایین سوئیچ میشود و با واحد هرتز بیان میشود.

در حالیکه، DutyCycle درصد زمانی‌است که سیگنال در یک ولتاژ بالا باقی می ماند و به عنوان درصد دوره بیان میشود. وقتی از PWM برای کاهش نور استفاده می‌کنیم، اگر از فرکانس بالا استفاده‌کنیم، احساس می‌کنیم که نور کم نمی‌شود، اما اگر از فرکانس پایین استفاده‌کنیم، کم شدن نور را به وضوح می‌بینیم. فرکانس‌های مختلفی برای کاربردهای مختلف استفاده‌می‌شود.

————————————————–

5- تولید سیگنال مدولاسیون پهنای باند (PWM)

سیگنال مدولاسیون پهنای باند را می‌توان بااستفاده از یک مقایسه کننده تولید کرد. در ادامه به نحوه تولید سیگنال DC و AC می­پردازیم.

1) تولید سیگنال PWM- DC:

تولید سیگنال PWM- DC بسیار ساده‌است. به طوریکه بااستفاده از یک مقایسه کننده می‌توان سیگنال PWM را تولیدکرد.

برای تولید سیگنال PWM به دو سیگنال نیاز هست که یکی سیگنال موج مثلثی و دیگری منبع DCاست، که در هر زمان قابل کنترل‌است. حال اگر موج مثلثی و ولتاژ کنترل شده DC را به یک مقایسه‌کننده اعمال کنیم، سیگنال PWM را از خروجی مقایسه‌کننده دریافت خواهیم کرد.

همانطور که در نمودار فوق مشاهده می کنید زمانی که ولتاژ موج مثلثی کمتر از ولتاژ کنترل شده DC باشد، خروجی مقایسه‌کننده پایین خواهدبود،اما زمانی که ولتاژ موج مثلثی بیشتر از ولتاژ کنترل شده DC باشد، خروجی مقایسه کننده بالا خواهد بود. بنابراین می‌توانیم با کنترل ولتاژ DC، عرض پالس ها، و با کنترل موج مثلثی، فرکانس پالس ها را کنترل می‌کنیم. ازطرف دیگر، زمانیکه مقدار ولتاژ DC را کاهش‌دهیم، عرض پالس ها افزایش می‌یابد و همین طور برعکس، اگر مقدار ولتاژ DC را افزایش دهیم، عرض پالس ها کاهش می‌یابد.

2) تولید سیگنال PWM- AC:

نحوه تولید سیگنال PWM- AC با تولید سیگنال PWM- DC یکسان‌است و تنها تفاوت در این‌است که باید به جای منبع DC از منبع AC سینوسی استفاده‌شود. با کنترل ولتاژ AC سینوسی می‌توان عرض پالس ها را کنترل‌کرد.

در شکل زیر تولید سیگنال‌های PWM بااستفاده از IC 555  نشان داده‌شده‌است.

با تغییر مقدار R1 می‌توان DutyCycle یا عرض پالس ها را کنترل‌کرد.

————————————————–

6- انواع تکنیک‌های مدولاسیون پهنای باند (PWM)

سه نوع متداول از تکنیک‌های PWM وجود دارد که عبارتند از:

• – مدولاسیون Lead Edge
• – مدولاسیون Trail Edge
• – و مدولاسیون Pulse Center Two Edge

1) مدولاسیون Lead Edge

در این تکنیک Lead Edge سیگنال ثابت میشود و Trail Edge مدوله می‌شود.

2) مدولاسیون Trail Edge

در این تکنیک، Lead Edge سیگنال با ثابت نگه داشتن Trail Edge مدوله میشود.

3) مدولاسیون Pulse Center Two Edge

در این روش مرکز پالس ثابت و هر دو لبه پالس مدوله میشود.

————————————————–

7- کاربردهای مدولاسیون پهنای باند (PWM)

پس از درک مدولاسیون پهنای باند و نحوه تولید سیگنال‌های DC و AC، می‌توانیم با کاربرد آن آشناشویم.

1) کاربردهای متداول PWM را می‌توان در راه اندازی بارهای اینرسی مانند موتورها که تنها به میزان ناچیزی تحت تأثیر سوئیچینگ بین ON و OFF قرار می گیرند، یافت.

زیرا واکنش آن­ها به دلیل اینرسی در سکون، کنداست. نرخ یا فرکانسی که منبع تغذیه باید بین آن جابجا شود، می‌تواند تا حد زیادی بسته به کاربرد و بار تغییرکند.

2) تکنیک‌های PWM در مخابرات و ارتباطات برای اهداف رمزگذاری استفاده‌می‌شود.

3) مدولاسیون پهنای باند به تنظیم ولتاژ کمک می‌کند و بنابراین در کنترل روشنایی در سیستم‌های روشنایی هوشمند کاربرد دارد.

4) مادربرد کامپیوتر به سیگنال‌های PWM نیاز دارد که گرمای تولید شده در برد را کنترل‌کند.

5) در تقویت کننده های صوتی و تصویری استفاده‌می‌شود.

6) برای کنترل جهت سرور قابل استفاده‌است.

7) قادر به تولید خروجی آنالوگ‌است.

8) برای کنترل موتور، به منظور کنترل سرعت در ربات ها نیز استفاده‌میشود.

————————————————–

8- مزایا و معایب مدولاسیون پهنای باند (PWM)

مانند هر فرآیند تکنولوژیکی دیگری، PWM یا مدولاسیون پهنای باند هم مزایا و هم معایب خود را دارد.

با این حال، بر سایر فرآیندهای مشابه ترجیح داده میشود زیرا مزایای آن بسیار بیشتر از معایب آن‌است.

همچنین، PWM تا کنون ثابت کرده‌است که بهترین فرآیند صرفه جویی در مصرف برق و انرژی در لوازم الکترونیکی‌است.در ادامه برخی از شناخته شده ترین مزایا و معایب مدولاسیون پهنای باند ذکر شده اند.

مزایای PWM عبارتند از:

• – هزینه ساخت آن بسیار ارزان‌است.
• – ظرفیت انتقال توان بسیار بالایی دارد.
• – در حین کار گرمای بسیار کمی تولید می‌کند.
• – تداخل نویز به میزان قابل توجهی در آن کم‌است.
• – نیاز به فیلتر پایدار در آن کمتراست.
• – می‌تواند از فرکانس بسیار بالا استفاده کند.
• – می‌تواند در اعوجاج هارمونیک کل جریان بار کاهش قابل توجه ای ایجادکند.
• – راندمان بالا تا حدود  90 درصد را ارائه می‌دهد.
• – نسبت به سایر فرآیندهای مشابه انرژی بسیار کمتری مصرف‌می‌کند.
• – دامنه و فرکانس را می‌توان به طور مستقل کنترل‌کرد.
• – سیگنال و نویز را می‌توان به راحتی در جدا کرد.
• – بر خلاف فرآیند مدولاسیون موقعیت پالس (PPM)، نیازی به همگام سازی بین فرستنده و گیرنده ندارد.

معایب PWM نیز عبارتند از:

• – یک مدار پیچیده با فرآیند کار نسبتاً پیچیده‌است.
• – افزایش مکرر ولتاژ در آن وجود دارد.
• – نویز الکترومغناطیسی در آن وجود دارد.
• – موضوع تداخل فرکانس رادیویی در آن اتفاق می افتد.
• – فرکانس PWM بالا، باعث از بین رفتن سوئیچینگ بالا می‌شود.
• – پهنای باند قابل توجهی برای استفاده در ارتباطات مورد نیازاست.
• – در زمان استفاده در مدار، توان لحظه ای فرستنده دچار تغییر میشود.
• – اگرچه ساخت آن ارزان است، اما محصول نهایی گران است، زیرا سیستم به یک دستگاه نیمه هادی با فرکانس روشن و خاموش نسبتا کم نیازدارد.

————————————————–

9- نتیجه گیری

همانطور که قبلا اشاره‌شد، PWM رایج ترین روش کنترل ولتاژ را نشان‌می‌دهد. در این روش، در سیکل های ثابت، مقدار توان متناسب با توانی که باید در خروجی بدست آید، با سوئیچ شدن برON، از توان ورودی استخراج‌می‌شود.

در نتیجه، نسبت بین روشن و خاموش شدن، یعنی DutyCycle، به عنوان تابعی از توان الکتریکی خروجی مورد نیاز، تغییرمی‌کند. مزیت کنترل PWM این‌است که به دلیل ثابت بودن فرکانس، هر نویز سوئیچینگ ایجاد شده پیش‌بینی میشود و در نتیجه فرآیند فیلتر کردن را تسهیل می‌کند. اما اشکال روش این‌است که همچنین به دلیل فرکانس ثابت، تعداد عملیات سوئیچینگ صرف نظر از کم یا زیاد بودن بار، ثابت می ماند و در نتیجه جریان خود مصرفی تغییر نکرده و ثابت‌می‌ماند.

بنابراین، در زمان بارهای سبک، تلفات سوئیچینگ غالب‌می‌شود که منجر به کاهش قابل توجه راندمان میشود. بنابراین، واضح‌است که چرا این فرآیند رایج ترین مورد استفاده‌است. با پیشرفت تکنولوژی، مطمئناً کاربرد بیشتری در زمینه های مختلف دیگر پیدا خواهد کرد. خوشبختانه، تا آن زمان، معایب از بین خواهدرفت.

————————————————–

مراجع

Pulse Width Modulation[PWM] Working, Applications, Advantages

Advantages and Disadvantages of Pulse-Width Modulation (PWM)

Pulse Width Modulation (PWM), Generation, Applications and Advantages