كيف ترتبط الجهد ونسبة الدورة في التحويل النبضي العرضي (PWM)؟

علاقة الجهد مع نسبة الدورة في التضمين بعرض النبضة (PWM)

التضمين بعرض النبضة (PWM) هو تقنية تنظم الجهد المخرج المتوسط من خلال التحكم في نسبة الدورة لإشارة التحويل. يتم استخدام PWM على نطاق واسع في التطبيقات مثل تحكم المحركات وإدارة الطاقة وتخفيف سطوع الأضواء LED. فهم العلاقة بين الجهد ونسبة الدورة في PWM أمر حاسم لاستخدام وتصميم أنظمة PWM بشكل صحيح.

1. المبدأ الأساسي لـ PWM

• إشارة PWM: هي موجة مربعة دورية ذات تردد ثابت ولكن بنسب متغيرة من المستويات العالية (تشغيل) والمستويات المنخفضة (إيقاف) داخل كل دورة. يُطلق على هذه النسبة نسبة الدورة.

• نسبة الدورة: هي نسبة الوقت الذي تكون فيه الإشارة عالية (تشغيل) إلى إجمالي فترة دورة PWM. عادة ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية أو ككسر بين 0 و1. على سبيل المثال، نسبة دورة 50% تعني أن الإشارة عالية لنصف الدورة ومنخفضة للنصف الآخر؛ نسبة دورة 100% تعني أن الإشارة دائماً عالية؛ ونسبة دورة 0% تعني أن الإشارة دائماً منخفضة.

• تردد PWM: يحدد تردد إشارة PWM مدة كل دورة. تتسبب الترددات الأعلى في دورات أقصر، وتتغير إشارة PWM بشكل أسرع.

2. علاقة الجهد بنسبة الدورة في PWM

• الجهد المتوسط: في PWM، يكون الجهد المخرج المتوسط متناسبًا مع نسبة الدورة. إذا كان الجهد الأقصى لإشارة PWM هو   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax، يمكن حساب الجهد المخرج المتوسط Vavg باستخدام الصيغة التالية:   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; يمكن\; حسابه\; باستخدام\; الصيغة\; التالية:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

حيث:

• Vavg هو الجهد المخرج المتوسط.

• D هي نسبة الدورة (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax هو الجهد الأقصى لإشارة PWM (عادةً الجهد الم alimentador).

• تأثير نسبة الدورة على الجهد المتوسط:

• عندما تكون نسبة الدورة 0٪، تكون إشارة PWM دائمًا منخفضة، والجهد المخرج المتوسط هو 0.

• عندما تكون نسبة الدورة 100٪، تكون إشارة PWM دائمًا عالية، والجهد المخرج المتوسط يساوي الجهد الأقصى Vmax.

• عندما تكون نسبة الدورة بين 0٪ و100٪، يكون الجهد المخرج المتوسط جزءًا من الجهد الأقصى. على سبيل المثال، نسبة دورة 50٪ تعني أن الجهد المخرج المتوسط هو نصف الجهد الأقصى.

3. أمثلة على تطبيقات PWM

أ. تحكم المحركات

• في تحكم المحركات، يتم استخدام PWM لتنظيم سرعة أو عزم المحرك. عن طريق تغيير نسبة الدورة لإشارة PWM، يمكن التحكم في الجهد المتوسط المطبق على المحرك، وبالتالي ضبط قوة خرج المحرك. على سبيل المثال، تقليل نسبة الدورة يقلل من الجهد المتوسط، مما يؤدي إلى تباطؤ المحرك، بينما زيادة نسبة الدورة تزيد من الجهد المتوسط، مما يؤدي إلى تسريع المحرك.

ب. تخفيف سطوع الأضواء LED

• في تطبيقات تخفيف سطوع الأضواء LED، يتم استخدام PWM لضبط سطوع LED. عن طريق تغيير نسبة الدورة لإشارة PWM، يمكن التحكم في التيار المتوسط عبر LED، وبالتالي ضبط سطوعه. على سبيل المثال، نسبة دورة 50٪ تؤدي إلى سطوع LED يساوي نصف السطوع الأقصى، بينما نسبة دورة 100٪ تجعل LED مضيءًا بالكامل.

ج. المحولات DC-DC

• في المحولات DC-DC (مثل المحول buck أو boost)، يتم استخدام PWM لتنظيم الجهد المخرج. عن طريق تعديل نسبة الدورة لإشارة PWM، يمكن التحكم في وقت التشغيل وإيقاف التشغيل للجهاز التحويلي، مما يؤدي إلى ضبط الجهد المخرج. على سبيل المثال، في محول buck، زيادة نسبة الدورة ترفع الجهد المخرج، بينما تقليل نسبة الدورة يخفضه.

4. مزايا PWM

• كفاءة عالية: يتحكم PWM في الجهد من خلال عمليات التحويل بدلاً من التنظيم الخطي (مثل استخدام مقسمات الجهد المقاومة)، مما يؤدي إلى خسائر طاقة أقل وكفاءة أعلى.

• تحكم دقيق: من خلال تعديل نسبة الدورة بدقة، يسمح PWM بمراقبة دقيقة للجهد أو التيار المخرج.

• مرونة: يمكن لـ PWM التكيف بسهولة مع مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل تحكم المحركات وتخفيف سطوع الأضواء LED وإدارة الطاقة.

5. القيود على PWM

• التشتت الكهرومغناطيسي (EMI): بما أن إشارات PWM هي إشارات تحويل عالية التردد، فإنها يمكن أن تولد تشتيتاً كهرومغناطيسياً، خاصة عند الترددات الأعلى. يجب استخدام تقنيات التصفية والدرع المناسبة في تصميم أنظمة PWM.

• الضوضاء: في بعض التطبيقات، قد تقدم إشارات PWM ضوضاء مرئية، خاصة في المعدات الصوتية أو محركات الدفع. يمكن تخفيف هذه المشكلة عن طريق اختيار تردد PWM مناسب.

ملخص

في التضمين بعرض النبضة (PWM)، يكون الجهد المخرج المتوسط متناسبًا بشكل مباشر مع نسبة الدورة. نسبة الدورة تحدد نسبة الوقت الذي تكون فيه الإشارة عالية داخل دورة PWM، مما يؤثر على الجهد المخرج المتوسط. من خلال تعديل نسبة الدورة، يمكن تنظيم الجهد أو التيار المخرج بشكل مرن دون تغيير الجهد المصدر. يتم استخدام تقنية PWM على نطاق واسع في تحكم المحركات وتخفيف سطوع الأضواء LED وإدارة الطاقة وغيرها من التطبيقات، مما يوفر كفاءة عالية ومراقبة دقيقة.