वोल्टेज और ड्यूटी साइकल पल्स विस्तार मॉडुलेशन (PWM) में कैसे संबंधित हैं?

पल्स चौड़ाई मॉडुलेशन (PWM) में वोल्टेज और ड्यूटी साइकल के बीच का संबंध

पल्स चौड़ाई मॉडुलेशन (PWM) एक तकनीक है जिसमें एक स्विचिंग सिग्नल के ड्यूटी साइकल को नियंत्रित करके औसत आउटपुट वोल्टेज को नियंत्रित किया जाता है। PWM का उपयोग ऑटोमोटिव कंट्रोल, पावर मैनेजमेंट, और LED डिमिंग जैसे अनेक एप्लिकेशनों में व्यापक रूप से किया जाता है। PWM में वोल्टेज और ड्यूटी साइकल के बीच के संबंध को समझना ठीक से PWM सिस्टम के उपयोग और डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण है।

1. PWM का मूल सिद्धांत

• PWM सिग्नल: एक PWM सिग्नल एक नियमित वर्ग तरंग होती है, जिसकी फ्रीक्वेंसी निश्चित होती है, लेकिन प्रत्येक चक्र में उच्च (ऑन) और निम्न (ऑफ) स्तरों का अनुपात बदलता रहता है। इस अनुपात को ड्यूटी साइकल कहा जाता है।

• ड्यूटी साइकल: ड्यूटी साइकल सिग्नल के उच्च (ऑन) होने के समय और PWM चक्र के कुल समय के अनुपात को दर्शाता है। इसे आमतौर पर प्रतिशत या 0 और 1 के बीच के भिन्न के रूप में व्यक्त किया जाता है। उदाहरण के लिए, 50% ड्यूटी साइकल का अर्थ है कि सिग्नल चक्र के आधे समय उच्च होता है और आधे समय निम्न होता है; 100% ड्यूटी साइकल का अर्थ है कि सिग्नल हमेशा उच्च होता है; और 0% ड्यूटी साइकल का अर्थ है कि सिग्नल हमेशा निम्न होता है।

• PWM फ्रीक्वेंसी: PWM सिग्नल की फ्रीक्वेंसी प्रत्येक चक्र की अवधि को निर्धारित करती है। उच्च फ्रीक्वेंसी छोटे चक्रों का उत्पादन करती है, और PWM सिग्नल तेजी से बदलता रहता है।

2. PWM में वोल्टेज और ड्यूटी साइकल के बीच का संबंध

• औसत वोल्टेज: PWM में, औसत आउटपुट वोल्टेज ड्यूटी साइकल के समानुपाती होता है। यदि PWM सिग्नल का शिखर वोल्टेज Vmax है, तो औसत आउटपुट वोल्टेज Vavg निम्न फार्मूले का उपयोग करके गणना की जा सकती है:   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vavg की गणना निम्न फार्मूले से की जा सकती है:   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; की\; गणना\; निम्न\; फार्मूले\; से\; की\; जा\; सकती\; है:</span>\; }}_{}$

Vavg = D × Vmax

जहाँ:

• Vavg औसत आउटपुट वोल्टेज है।

• D ड्यूटी साइकल (0 ≤ D ≤ 1) है।

• Vmax PWM सिग्नल का शिखर वोल्टेज (आमतौर पर आपूर्ति वोल्टेज) है।

• ड्यूटी साइकल पर औसत वोल्टेज का प्रभाव:

• जब ड्यूटी साइकल 0% होता है, तो PWM सिग्नल हमेशा निम्न होता है, और औसत आउटपुट वोल्टेज 0 होता है।

• जब ड्यूटी साइकल 100% होता है, तो PWM सिग्नल हमेशा उच्च होता है, और औसत आउटपुट वोल्टेज शिखर वोल्टेज Vmax के बराबर होता है।

• जब ड्यूटी साइकल 0% और 100% के बीच होता है, तो औसत आउटपुट वोल्टेज शिखर वोल्टेज का एक अनुपात होता है। उदाहरण के लिए, 50% ड्यूटी साइकल शिखर वोल्टेज का आधा औसत आउटपुट वोल्टेज देता है।

3. PWM के एप्लिकेशन उदाहरण

a. मोटर कंट्रोल

• मोटर कंट्रोल में, PWM का उपयोग मोटर की गति या टोक को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। PWM सिग्नल के ड्यूटी साइकल को बदलकर, मोटर पर लगाए गए औसत वोल्टेज को नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे मोटर का आउटपुट पावर समायोजित होता है। उदाहरण के लिए, ड्यूटी साइकल को कम करने से औसत वोल्टेज कम होता है, जिससे मोटर धीमा हो जाता है, जबकि ड्यूटी साइकल को बढ़ाने से औसत वोल्टेज बढ़ता है, जिससे मोटर तेज हो जाता है।

b. LED डिमिंग

• LED डिमिंग एप्लिकेशन में, PWM का उपयोग LED की चमक को समायोजित करने के लिए किया जाता है। PWM सिग्नल के ड्यूटी साइकल को बदलकर, LED में से गुजरने वाले औसत विद्युत धारा को नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे इसकी चमक समायोजित होती है। उदाहरण के लिए, 50% ड्यूटी साइकल LED की चमक अपनी अधिकतम चमक का आधा होती है, जबकि 100% ड्यूटी साइकल LED को पूरी तरह से चमकाता है।

c. DC-DC कन्वर्टर

• DC-DC कन्वर्टर (जैसे बक कन्वर्टर या बूस्ट कन्वर्टर) में, PWM का उपयोग आउटपुट वोल्टेज को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। PWM सिग्नल के ड्यूटी साइकल को समायोजित करके, स्विचिंग डिवाइस का ऑन-टाइम और ऑफ-टाइम नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे आउटपुट वोल्टेज समायोजित होता है। उदाहरण के लिए, बक कन्वर्टर में, ड्यूटी साइकल बढ़ाने से आउटपुट वोल्टेज बढ़ता है, जबकि ड्यूटी साइकल कम करने से आउटपुट वोल्टेज कम होता है।

4. PWM के फायदे

• उच्च कार्यक्षमता: PWM स्विचिंग ऑपरेशन के माध्यम से वोल्टेज को नियंत्रित करता है, जो लीनियर रेगुलेशन (जैसे, रेझिस्टिव वोल्टेज डिवाइडर का उपयोग) की तुलना में कम ऊर्जा क्षति और उच्च कार्यक्षमता प्रदान करता है।

• सटीक नियंत्रण: ड्यूटी साइकल को सटीक रूप से समायोजित करके, PWM आउटपुट वोल्टेज या धारा पर नियंत्रण की अनुकूलता प्रदान करता है।

• लचीलापन: PWM आसानी से विभिन्न एप्लिकेशनों, जैसे मोटर कंट्रोल, LED डिमिंग, और पावर मैनेजमेंट, में अनुकूलित हो सकता है।

5. PWM की सीमाएं

• विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (EMI): क्योंकि PWM सिग्नल उच्च फ्रीक्वेंसी स्विचिंग सिग्नल होते हैं, वे विशेष रूप से उच्च फ्रीक्वेंसी पर विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप उत्पन्न कर सकते हैं। PWM सिस्टम डिजाइन में उचित फिल्टरिंग और शील्डिंग तकनीकों का उपयोग किया जाना चाहिए।

• शोर: कुछ एप्लिकेशनों में, PWM सिग्नल श्रव्य शोर उत्पन्न कर सकते हैं, विशेष रूप से ऑडियो उपकरण या मोटर ड्राइव में। इस मुद्दे को एक उपयुक्त PWM फ्रीक्वेंसी का चयन करके घटा दिया जा सकता है।

सारांश

पल्स चौड़ाई मॉडुलेशन (PWM) में, औसत आउटपुट वोल्टेज ड्यूटी साइकल के समानुपाती होता है। ड्यूटी साइकल निर्धारित करता है कि एक PWM चक्र के भीतर सिग्नल कितने समय तक उच्च रहता है, जो औसत आउटपुट वोल्टेज पर प्रभाव डालता है। ड्यूटी साइकल को समायोजित करके, आउटपुट वोल्टेज या धारा को लचीले रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, बिना आपूर्ति वोल्टेज को बदले। PWM तकनीक का उपयोग मोटर कंट्रोल, LED डिमिंग, पावर मैनेजमेंट और अन्य एप्लिकेशनों में व्यापक रूप से किया जाता है, जो उच्च कार्यक्षमता और सटीक नियंत्रण प्रदान करता है।