Puls genişliği modülasyonu (PWM) içinde gerilim ve çalışma döngüsü nasıl ilişkilidir?

Pulse Width Modulation (PWM)’de Gerilim ve Duty Cycle Arasındaki İlişki

Pulse Width Modulation (PWM), bir anahtarlama sinyalinin duty cycle'ını kontrol ederek ortalama çıkış gerilimini düzenleyen bir tekniktir. PWM, motor kontrolü, güç yönetimi ve LED aydınlatma gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. PWM sistemlerini doğru bir şekilde kullanmak ve tasarlarken PWM'de gerilim ve duty cycle arasındaki ilişkiyi anlamak çok önemlidir.

1. PWM'nin Temel Prensibi

• PWM Sinyali: Bir PWM sinyali, sabit bir frekansa sahip, ancak her periyotta yüksek (açık) ve düşük (kapalı) seviyelerin değişken bir oranına sahip periyodik kare dalga şeklindedir. Bu oran, duty cycle olarak adlandırılır.

• Duty Cycle: Duty cycle, sinyalın yüksek (açık) olduğu sürenin PWM periyodunun toplam süresine oranı olarak tanımlanır. Genellikle yüzde olarak veya 0 ile 1 arasında bir kesir olarak ifade edilir. Örneğin, %50 duty cycle, sinyalin periyodun yarısında yüksek ve diğer yarısında düşük olduğunu gösterir; %100 duty cycle, sinyalin her zaman yüksek olduğunu; %0 duty cycle ise sinyalin her zaman düşük olduğunu gösterir.

• PWM Frekansı: PWM sinyalinin frekansı, her periyodun süresini belirler. Daha yüksek frekanslar daha kısa periyotlara ve PWM sinyalinin daha hızlı değişmesine neden olur.

2. PWM'de Gerilim ve Duty Cycle Arasındaki İlişki

• Ortalama Gerilim: PWM'de, ortalama çıkış gerilimi duty cycle'a orantılıdır. Eğer PWM sinyalinin zirve gerilimi   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax ise, ortalama çıkış gerilimi   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; aşağıdaki\; formül\; kullanılarak\; hesaplanabilir:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Burada:

• Vavg ortalama çıkış gerilimidir.

• D duty cycle'dır (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax PWM sinyalinin zirve gerilimidir (genellikle besleme gerilimi).

• Duty Cycle'nin Ortalama Gerilim Üzerindeki Etkisi:

• Duty cycle %0 olduğunda, PWM sinyali her zaman düşük olur ve ortalama çıkış gerilimi 0 olur.

• Duty cycle %100 olduğunda, PWM sinyali her zaman yüksek olur ve ortalama çıkış gerilimi zirve gerilimi Vmax'e eşittir.

• Duty cycle %0 ile %100 arasında olduğunda, ortalama çıkış gerilimi zirve geriliminin bir oranıdır. Örneğin, %50 duty cycle, ortalama çıkış geriliminin zirve geriliminin yarısı olmasını sağlar.

3. PWM Uygulama Örnekleri

a. Motor Kontrolü

• Motor kontrolünde, PWM, bir motordanın hızını veya torkunu düzenlemek için kullanılır. PWM sinyalinin duty cycle'ını değiştirerek, motora uygulanan ortalama gerilim kontrol edilebilir ve böylece motordan elde edilen çıkış gücü ayarlanabilir. Örneğin, duty cycle azaltıldığında ortalama gerilim düşer ve motor yavaşlar, duty cycle artırıldığında ortalama gerilim artar ve motor hızlanır.

b. LED Aydınlık Ayarı

• LED aydınlık ayarlaması uygulamalarında, PWM, bir LED'in parlaklığını ayarlamak için kullanılır. PWM sinyalinin duty cycle'ını değiştirerek, LED üzerinden geçen ortalama akım kontrol edilebilir ve böylece LED'in parlaklığı ayarlanabilir. Örneğin, %50 duty cycle, LED'in maksimum parlaklığının yarısı olurken, %100 duty cycle, LED'in tamamen parlak olmasını sağlar.

c. DC-DC Dönüştürücüler

• DC-DC dönüştürücülerde (örneğin, buck dönüştürücüler veya boost dönüştürücüler), PWM, çıkış gerilimini düzenlemek için kullanılır. PWM sinyalinin duty cycle'ını ayarlayarak, anahtar cihazın açık ve kapalı kalma süreleri kontrol edilebilir ve bu da çıkış gerilimini ayarlar. Örneğin, bir buck dönüştürücüde, duty cycle artırıldığında çıkış gerilimi yükselir, azaltıldığında ise düşer.

4. PWM'nin Avantajları

• Yüksek Verimlilik: PWM, doğrusal düzenleme (örneğin, dirençsel gerilim bölücüleri) yerine anahtar işlemleri aracılığıyla gerilim kontrolü yapar, bu da daha düşük enerji kaybına ve daha yüksek verimliliğe neden olur.

• Kesin Kontrol: Duty cycle'ı hassas bir şekilde ayarlayarak, PWM çıkış gerilimi veya akımı üzerinde ince kontrol sağlar.

• Esneklik: PWM, motor kontrolü, LED aydınlık ayarlama ve güç yönetimi gibi çeşitli uygulamalara kolayca uyarlanabilir.

5. PWM'nin Kısıtlamaları

• Elektromanyetik Engel (EMI): PWM sinyalleri yüksek frekansta anahtarlama sinyalleri olduğundan, özellikle daha yüksek frekanslarda elektromanyetik engel oluşturabilir. PWM sistem tasarımı sırasında uygun filtreleme ve ekranlama teknikleri kullanılmalıdır.

• Gürültü: Bazı uygulamalarda, PWM sinyalleri sesli ekipmanlarda veya motor sürücülerinde duyulabilir gürültüye neden olabilir. Bu sorun, uygun bir PWM frekansı seçilerek azaltılabilir.

Özet

Pulse Width Modulation (PWM)’de, ortalama çıkış gerilimi duty cycle'la doğrudan orantılıdır. Duty cycle, bir PWM periyodunda sinyalin yüksek kaldığı sürenin oranını belirler, bu da ortalama çıkış gerilimi üzerinde etkili olur. Duty cycle'ı ayarlayarak, besleme gerilimini değiştirmeden çıkış gerilimi veya akımı esnek bir şekilde düzenlenir. PWM teknolojisi, motor kontrolü, LED aydınlık ayarlama, güç yönetimi ve diğer uygulamalarda yüksek verimlilik ve kesin kontrol sunarak yaygın olarak kullanılmaktadır.