چگونه ولتاژ و دیوتی سایکل در مدولاسیون عرض پالس (PWM) مرتبط هستند؟

بارامترهای ولتاژ و دیوتی سایکل در مدولاسیون عرض پالس (PWM)

مدولاسیون عرض پالس (PWM) تکنیکی است که با کنترل دیوتی سایکل سیگنال سوئیچینگ، ولتاژ خروجی متوسط را تنظیم می‌کند. PWM به طور گسترده‌ای در برنامه‌های کاربردی مانند کنترل موتور، مدیریت توان و تنظیم روشنایی LED استفاده می‌شود. درک رابطه بین ولتاژ و دیوتی سایکل در PWM برای استفاده و طراحی صحیح سیستم‌های PWM حیاتی است.

1. اصول اساسی PWM

• سیگنال PWM: سیگنال PWM یک موج مربعی متناوب با فرکانس ثابت اما نسبت متغیر بین سطوح بالا (روشن) و پایین (خاموش) در هر دوره است. این نسبت به نام دیوتی سایکل شناخته می‌شود.

• دیوتی سایکل: دیوتی سایکل نسبت زمانی است که سیگنال روشن است به مجموع دوره PWM. اغلب به صورت درصد یا کسر بین 0 و 1 بیان می‌شود. برای مثال، دیوتی سایکل 50٪ به معنای آن است که سیگنال نصف دوره روشن و نصف آن خاموش است؛ دیوتی سایکل 100٪ به معنای آن است که سیگنال همیشه روشن است؛ و دیوتی سایکل 0٪ به معنای آن است که سیگنال همیشه خاموش است.

• فرکانس PWM: فرکانس سیگنال PWM مدت هر دوره را تعیین می‌کند. فرکانس‌های بالاتر منجر به دوره‌های کوتاه‌تر می‌شود و سیگنال PWM به طور سریع‌تر تغییر می‌کند.

2. رابطه بین ولتاژ و دیوتی سایکل در PWM

• ولتاژ متوسط: در PWM، ولتاژ خروجی متوسط متناسب با دیوتی سایکل است. اگر ولتاژ قله سیگنال PWM   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax باشد، ولتاژ خروجی متوسط   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; می‌تواند\; با\; استفاده\; از\; فرمول\; زیر\; محاسبه\; شود:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

که در آن:

• Vavg ولتاژ خروجی متوسط است.

• D دیوتی سایکل (0 ≤ D ≤ 1) است.

• Vmax ولتاژ قله سیگنال PWM (معمولاً ولتاژ تغذیه) است.

• اثر دیوتی سایکل بر ولتاژ متوسط:

• وقتی دیوتی سایکل 0٪ است، سیگنال PWM همیشه خاموش است و ولتاژ خروجی متوسط 0 است.

• وقتی دیوتی سایکل 100٪ است، سیگنال PWM همیشه روشن است و ولتاژ خروجی متوسط برابر با ولتاژ قله Vmax است.

• وقتی دیوتی سایکل بین 0٪ و 100٪ است، ولتاژ خروجی متوسط یک نسبت از ولتاژ قله است. برای مثال، دیوتی سایکل 50٪ منجر به ولتاژ خروجی متوسطی می‌شود که نصف ولتاژ قله است.

3. نمونه‌های کاربرد PWM

a. کنترل موتور

• در کنترل موتور، PWM برای تنظیم سرعت یا گشتاور موتور استفاده می‌شود. با تغییر دیوتی سایکل سیگنال PWM، ولتاژ متوسط که به موتور اعمال می‌شود می‌تواند کنترل شود و در نتیجه خروجی توان موتور تنظیم می‌شود. برای مثال، کاهش دیوتی سایکل منجر به کاهش ولتاژ متوسط و کند شدن موتور می‌شود، در حالی که افزایش دیوتی سایکل منجر به افزایش ولتاژ متوسط و سرعت بخشیدن به موتور می‌شود.

b. تنظیم روشنایی LED

• در برنامه‌های تنظیم روشنایی LED، PWM برای تنظیم درخشندگی LED استفاده می‌شود. با تغییر دیوتی سایکل سیگنال PWM، جریان متوسط از طریق LED می‌تواند کنترل شود و در نتیجه درخشندگی آن تنظیم می‌شود. برای مثال، دیوتی سایکل 50٪ منجر به درخشندگی LED که نصف حداکثر آن است می‌شود، در حالی که دیوتی سایکل 100٪ LED را به طور کامل روشن می‌کند.

c. تبدیل‌کننده‌های DC-DC

• در تبدیل‌کننده‌های DC-DC (مانند تبدیل‌کننده‌های بک یا بوست)، PWM برای تنظیم ولتاژ خروجی استفاده می‌شود. با تنظیم دیوتی سایکل سیگنال PWM، زمان روشن و خاموش دستگاه سوئیچینگ می‌تواند کنترل شود که در نتیجه ولتاژ خروجی تنظیم می‌شود. برای مثال، در یک تبدیل‌کننده بک، افزایش دیوتی سایکل منجر به افزایش ولتاژ خروجی می‌شود، در حالی که کاهش دیوتی سایکل منجر به کاهش آن می‌شود.

4. مزایای PWM

• کارایی بالا: PWM با استفاده از عملیات سوئیچینگ ولتاژ را کنترل می‌کند و نه تنظیم خطی (مانند استفاده از تقسیم‌کننده‌های ولتاژ مقاومتی)، که منجر به کاهش ضایعات انرژی و کارایی بالاتر می‌شود.

• کنترل دقیق: با تنظیم دقیق دیوتی سایکل، PWM امکان کنترل دقیق ولتاژ یا جریان خروجی را فراهم می‌کند.

• انعطاف‌پذیری: PWM می‌تواند به راحتی به برنامه‌های مختلفی مانند کنترل موتور، تنظیم روشنایی LED و مدیریت توان تطبیق پیدا کند.

5. محدودیت‌های PWM

• تشویش الکترومغناطیسی (EMI): چون سیگنال‌های PWM سیگنال‌های سوئیچینگ با فرکانس بالا هستند، می‌توانند تشويش الکترومغناطیسی تولید کنند، به ویژه در فرکانس‌های بالاتر. در طراحی سیستم‌های PWM باید از تکنیک‌های فیلترسازی و محافظت صحیح استفاده شود.

• نويز: در برخی برنامه‌ها، سیگنال‌های PWM می‌توانند نویز شنیدنی تولید کنند، به ویژه در تجهیزات صوتی یا موتورهای الکتریکی. این مشکل با انتخاب فرکانس PWM مناسب می‌تواند کاهش یابد.

خلاصه

در مدولاسیون عرض پالس (PWM)، ولتاژ خروجی متوسط مستقیماً متناسب با دیوتی سایکل است. دیوتی سایکل نسبت زمانی را که سیگنال روشن است در یک دوره PWM تعیین می‌کند که در نتیجه ولتاژ خروجی متوسط را تحت تأثیر قرار می‌دهد. با تنظیم دیوتی سایکل، ولتاژ یا جریان خروجی می‌تواند بدون تغییر ولتاژ تغذیه تنظیم شود. تکنولوژی PWM به طور گسترده‌ای در کنترل موتور، تنظیم روشنایی LED، مدیریت توان و برنامه‌های کاربردی دیگر استفاده می‌شود و کارایی بالا و کنترل دقیق را ارائه می‌دهد.