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

رابطه بین ولتاژ و ضریب تکیه در مدولاسیون پهنای پالس (PWM)

مدولاسیون پهنای پالس (PWM) یک روش است که با کنترل ضریب تکیه سیگنال تغییر وضعیت، ولتاژ خروجی متوسط را تنظیم می‌کند. PWM در کاربردهای مختلفی مانند کنترل موتور، مدیریت توان و تنظیم روشنایی LED به طور گسترده استفاده می‌شود. درک رابطه بین ولتاژ و ضریب تکیه در PWM برای استفاده صحیح و طراحی سیستم‌های PWM حیاتی است.

1. اصول اساسی PWM

• سیگنال PWM: سیگنال PWM یک موج مربعی دوره‌ای با فرکانس ثابت اما نسبت متغیر حالت بالا (روشن) و پایین (خاموش) در هر چرخه است. این نسبت به عنوان ضریب تکیه شناخته می‌شود.

• ضریب تکیه: ضریب تکیه نسبت زمانی است که سیگنال در حالت بالا (روشن) است به مجموع زمان یک چرخه PWM. معمولاً به صورت درصد یا کسر بین 0 و 1 بیان می‌شود. به عنوان مثال، ضریب تکیه 50٪ به معنای آن است که سیگنال نیمی از چرخه در حالت بالا و نیمی دیگر در حالت پایین است؛ 100٪ ضریب تکیه به معنای این است که سیگنال همیشه در حالت بالا است؛ و 0٪ ضریب تکیه به معنای این است که سیگنال همیشه در حالت پایین است.

• فرکانس PWM: فرکانس سیگنال PWM مدت زمان هر چرخه را تعیین می‌کند. فرکانس‌های بالاتر منجر به چرخه‌های کوتاه‌تر می‌شود و سیگنال PWM سریع‌تر تغییر می‌کند.

2. رابطه بین ولتاژ و ضریب تکیه در PWM

• ولتاژ متوسط: در PWM، ولتاژ خروجی متوسط متناسب با ضریب تکیه 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 ضریب تکیه (0 ≤ D ≤ 1) است.

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

• اثر ضریب تکیه بر ولتاژ متوسط:

• وقتی ضریب تکیه 0٪ است، سیگنال PWM همیشه در حالت پایین است و ولتاژ خروجی متوسط صفر است.

• وقتی ضریب تکیه 100٪ است، سیگنال PWM همیشه در حالت بالا است و ولتاژ خروجی متوسط برابر با ولتاژ قله Vmax است.

• وقتی ضریب تکیه بین 0٪ و 100٪ است، ولتاژ خروجی متوسط یک نسبت از ولتاژ قله است. به عنوان مثال، ضریب تکیه 50٪ به معنای آن است که ولتاژ خروجی متوسط نصف ولتاژ قله است.

3. مثال‌های کاربردی PWM

الف. کنترل موتور

• در کنترل موتور، PWM برای تنظیم سرعت یا گشتاور موتور استفاده می‌شود. با تغییر ضریب تکیه سیگنال PWM، ولتاژ متوسط که به موتور اعمال می‌شود می‌تواند کنترل شود، بنابراین خروجی توان موتور تنظیم می‌شود. به عنوان مثال، کاهش ضریب تکیه منجر به کاهش ولتاژ متوسط و کند شدن موتور می‌شود، در حالی که افزایش ضریب تکیه منجر به افزایش ولتاژ متوسط و سریع شدن موتور می‌شود.

ب. تنظیم روشنایی LED

• در کاربردهای تنظیم روشنایی LED، PWM برای تنظیم درخشندگی یک LED استفاده می‌شود. با تغییر ضریب تکیه سیگنال PWM، جریان متوسط عبوری از LED می‌تواند کنترل شود، بنابراین درخشندگی آن تنظیم می‌شود. به عنوان مثال، ضریب تکیه 50٪ به معنای آن است که درخشندگی LED نصف حداکثر آن است، در حالی که ضریب تکیه 100٪ LED را به طور کامل روشن می‌کند.

ج. تبدیل‌کننده‌های DC-DC

• در تبدیل‌کننده‌های DC-DC (مانند تبدیل‌کننده‌های بک یا بوست)، PWM برای تنظیم ولتاژ خروجی استفاده می‌شود. با تنظیم ضریب تکیه سیگنال PWM، زمان روشن و خاموش دستگاه تغییر وضعیت می‌تواند کنترل شود، که به نوبه خود ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند. به عنوان مثال، در یک تبدیل‌کننده بک، افزایش ضریب تکیه منجر به افزایش ولتاژ خروجی می‌شود، در حالی که کاهش ضریب تکیه منجر به کاهش آن می‌شود.

4. مزایای PWM

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

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

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

5. محدودیت‌های PWM

• تداخل الکترومغناطیسی (EMI): چون سیگنال‌های PWM سیگنال‌های تغییر وضعیت با فرکانس بالا هستند، می‌توانند تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کنند، به ویژه در فرکانس‌های بالا. در طراحی سیستم‌های PWM باید از تکنیک‌های فیلتر و محافظت مناسب استفاده شود.

• نوسان: در برخی کاربردها، سیگنال‌های PWM ممکن است نویز شنیدنی ایجاد کنند، به ویژه در تجهیزات صوتی یا موتورهای الکتریکی. این مشکل با انتخاب فرکانس PWM مناسب می‌تواند کاهش یابد.

خلاصه

در مدولاسیون پهنای پالس (PWM)، ولتاژ خروجی متوسط مستقیماً متناسب با ضریب تکیه است. ضریب تکیه نسبت زمانی را تعیین می‌کند که سیگنال در حالت بالا است در یک چرخه PWM، که به نوبه خود بر ولتاژ خروجی متوسط تأثیر می‌گذارد. با تنظیم ضریب تکیه، ولتاژ یا جریان خروجی می‌تواند بدون تغییر ولتاژ تغذیه تنظیم شود. فناوری PWM در کنترل موتور، تنظیم روشنایی LED، مدیریت توان و کاربردهای دیگر به طور گسترده استفاده می‌شود و کارایی بالا و کنترل دقیق را ارائه می‌دهد.