مدولاسیون پهنای پالس یا PWM چیست ؟

مدولاسیون پهنای پالس یا PWM   به معنای تغییر دادن درصد دیوتی سایکل یک سیگنال به منظور  تنظیم مقدار توان ارسالی به بار یا ارسال اطلاعات در یک کانال مخابراتی  است.  PWM مخفف کلمات Pulse Width Modulation مدولاسیون عرض پالس یا Pulse Duration Modulation مدولاسیون پهنای پالس هست.

مدولاسیون پهنای پالس چیست؟

مدولاسیون پهنای پالس یک اصطلاح  تخصصی برای توصیف یک نوع سیگنال دیجیتال است. برای کاربردهای  زیادی مانند مدارهای کنترلی پیچیده از مدولاسیون پهنای پالس استفاده می­‌شود. دو کاربرد رایج از PWM که در اینجا بررسی کردیم کنترل شدت روشنایی LEDهای RGB و یا کنترل جهت یک Servo motor (سروو موتور) است. در هر دو کاربرد با تغییر PWM نتایج مختلفی حاصل می­‌شود زیرا مدولاسیون پهنای باند این امکان را برای ما فراهم می‌­کند تا مدت زمانی که سیگنال آنالوگ در حالت High (معمولاً 5ولت) قرار دارد را تغییر دهیم.

در حالتی که سیگنال فقط می­تواند High و یا Low (زمین) باشد می­توانیم نسبت مدت زمانی که سیگنال در حالت high به زمانی که در حالت low است را در یک فاصله­‌ی زمانی ثابت تغییر دهیم. در ادامه به برسی این موضوع تحت عنوان زمان وظیفه،زمان کار یا دیوتی سایکل می‌پردازیم.

دیوتی سایکل یا Duty Cycle

وقتی­که سیگنال High است به این حالت “on time”   می­گویند برای توصیف این مدت زمان از اصطلاح زمان کار (Duty Cycle) استفاده می‌­شود. زمان کار برحسب درصد بیان می­‌شود. درصد زمان کار به صورت دقیق درصد زمانی که یک سیگنال دیجیتال در حالت On است را در یک دوره تناوب نشان می­‌دهد. این دوره تناوب عکس فرکانس موج است.

اگر سیگنال دیجیتالی نصف زمان را در حالت On و نصف دیگر آن را در حالت Off باشد می­‌گوییم سیگنال دیجیتال زمان کاری برابر با 50% دارد و یک موج مربعی ایده­آل را نشان می­دهد.

اگر درصد زمان کار از 50% بیشتر باشد سیگنال دیجیتال مدت زمان بیشتری را در حالت high یا روشن و مدت کمتری در حالت خاموش خواهد بود، برعکس این حالت در زمان کار کمتر از 50% رخ می­دهد. نمودار زیر نشان­دهنده این سه حالت از درصد زمان کاری است:

زمان کار 100% درواقع معادل با تنظیم ولتاژ روی 5ولت (High) است. هم­چنین زمان کار 0% به معنای زمین کردن سیگنال است.

تعریف مدولاسیون عرض پالس یا PWM با یک مثال

حال که با دیوتی سایکل آشنا شدید بیایید باهم از نگاهی دیگر PWM را تعریف و برسی کنیم. مدولاسیون پهنای پالس یا مدولاسیون عرض پالس، استفاده از یک روش کنترل میزان توان به بار است. در واقع PWM تکنیکی است که به کمک آن می‌توانیم مقدار ولتاژ پایه‌های خروجی کنترلر (مثلاً  ای سی درایو موتور ) و فرکانس آن را کنترل کنیم.

تصور کنید بار یک لامپ ‍۱۰ وات از باتری تأمین می‌گردد. در این حالت باتری ۱۰ وات از قدرت را تأمین می‌کند، و لامپ این ۱۰ وات را به نور و گرما تبدیل می‌کند. تلفات توان در هیچ جای دیگر در مدار نداریم.

اگر ما یه کم نور لامپ می‌خواستیم، پس آن فقط ۵ وات از توان را جذب می‌کند، ما می‌توانیم یک مقاومت سری قرار دهیم تا ۵ وات توان را جذب کند، سپس لامپ می‌تواند ۵ وات دیگر را جذب کند. این کار می‌کند، اما اتلاف توان در مقاومت نه تنها باعث می‌شود که آن بسیار داغ شود، بلکه باعث اتلاف توان خواهد شد در حالیکه باتری هنوز ۱۰ وات را تأمین می‌کند.

راه حل این مشکل تغییر دوره کاری با استفاده از سوئیچ روشن و خاموش سریع لامپ است به طوری که آن را تنها در نیمی از زمان روشن و خاموش می‌کند. آنگاه به طور متوسط توان گرفته شده توسط لامپ تنها ۵ وات است، و توان متوسط تأمین شده توسط باتری تنها ۵ وات خواهد بود.

اگر ما می‌خواستیم ۶ وات توان در لامپ اعمال شود، ما می‌توانیم سوئیچ را برای زمان بیشتری روشن بگذاریم نسبت به زمانی که خاموش است، آنوقت توان کمی بیشتر به طور متوسط به لامپ تحویل داده خواهد شد. این (on-off switching)روشن-خاموش کردن سوئیچ، PWM نامیده می‌شود. مقدار توان انتقال یافته به بار متناسب با درصدی از زمان است که بار روشن است.

نمونه­‌های کاربرد PWM

میزان روشنایی یک LED را می­توان با تنظیم درصد زمان کار کنترل کرد.با استفاده از یک RGB LED  می­توان میزان استفاده از هررنگ را برای رسیدن به ترکیب رنگ مطلوب کنترل کرد. این کار با تنظیم میزان روشنایی انجام می­شود.

اگر میزان روشنایی هر سه رنگ به یک میزان باشد نتیجه یک نور سفید با روشنایی متغیر خواهد بود. اگر رنگ آبی و سبز به یک اندازه ترکیب شوند نتیجه نوری به رنگ سبز کله غازی است. به عنوان یک مثال پیچیده­‌تر فرض کنید رنگ قرمز را در حالت کاملاً روشن (زمان کار 100%) ، سبز را با زمان کار 50% و آبی در حالت کاملاً خاموش قرار دهیم در این صورت نتیجه نوری به رنگ نارنجی خواهد بود.

فرکانس موج مربعی در زمان کنترل LED باید به اندازه کافی در حالت high قرار گیرد تا میزان تیرگی مطلوب حاصل شود. یک موج با زمان کار 20% در فرکانس 1هرتز در همان حال که خاموش و روشن می­شود از دید چشمان شما کاملاً واضح خواهد بود. یک موج با زمان کار 20% و فرکانس 100هرتز یا بیشتر فقط مقداری تیره‌­تر از حالت کاملاً روشن دیده می‌­شود. در حقیقت اگر داشتن LED کم نور هدف شما باشد دوره تناوب و یا فاصله زمانی نباید خیلی زیاد باشد.

کنترل زاویه­‌ی سروو موتور یک ربات بازو با PWM

علاوه بر کاربرد بالا از مدولاسیون پهنای پالس می­توان برای کنترل زاویه­‌ی موتورهای Servo متصل به یک قطعه­‌ی مکانیکی مانند یک بازوی رباتیکی استفاده کرد. در این موتورها یک شفت (محور متحرک) وجود دارد که براساس خط کنترل خود تغییر زاویه می­دهد.

کنترل هر موتور Servo یک فرکانس یا دوره تناوب کاری خاص دارد. یک موتور Servo معمولی در هر ms 20 با پالس بین 1تا ms2 یا به عبارت دیگر زمان کار بین 5تا 10% و فرکانس موج 50هرتز تکرار می‌­شود. در پهنای پالس 1.5ms این موتور در حالت زوایه 90درجه قرار می­گیرد.  به همین ترتیب در پهنای پالس 1ms موتور در حالت صفر درجه و در پهنای پالس ms2 در زاویه 180درجه قرار خواهد گرفت. برای آن­که تمام زوایای حرکت را داشته باشیم موتور باید در مدت زمانی مابین مدت پالس تکرار شود.

همچنین برای کنترل موتورهای DC نیز از PWM استفاده میکنیم. برای تولید فرکانس های سینوسی در اینورتر ها، داخل منابع تغذیه سوئیچینگ، کنترل روشنایی یک لامپ و جاهای مختلفی که بعدا با هم یاد میگیریم. کمی هم روی عکس زیر فکر کنید، نحوه تولید مدولاسیون پهنای پالس را میتوانید ببینید. البته امروزه درون میکروکنترلرها واحدی وجود دارد که این کار را انجام می‌دهد.

نوآوری و آینده

مدولاسیون پهنای پالس برای کنترل قطعات و کاربردهای متنوعی استفاده می‌­شود. همان­طور که گفته شد برای کم­‌کردن روشنایی LED و هم­چنین کنترل زاویه موتورهای Servo مورد استفاده قرار می­گیرد. اکنون می­توانید کاربردهای بیشتری از PWM را با مطالعه­‌ی بیشتر پیدا کنید. برای آشنایی با یک نمونه از کاربردهای PWM توصیه میکنم پروژه راه اندازی موتور DC با آردوینو را بخوانید.همچنین لطفا سوالات و نظرات خودتان را در قسمت نظرات، با ما به اشتراک بگذارید و مطالب آموزشی درخواستی خودتان را نیز در قسمت نظرات بنویسید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.