Darbe genişliği modülasyonu (PWM), darbe süresinin (görev faktörünün) değiştiği ancak frekansın sabit kaldığı bir sinyal dönüştürme yöntemidir. İngilizce terminolojide buna PWM (darbe genişliği modülasyonu) denir. Bu yazımızda PWM'nin ne olduğuna, nerelerde kullanıldığına ve nasıl çalıştığına detaylı bir şekilde bakacağız.

Uygulama alanı

Mikrodenetleyici teknolojisinin gelişmesiyle birlikte PWM için yeni fırsatlar açıldı. Bu prensip temel oldu elektronik aletler hem çıktı parametrelerinin ayarlanmasını hem de bunların belirli bir seviyede tutulmasını gerektirir. Darbe genişliği modülasyonu yöntemi, ışığın parlaklığını, motorların dönüş hızını değiştirmek ve ayrıca darbe tipi güç kaynaklarının (PSU'lar) güç transistörünü kontrol etmek için kullanılır.

LED parlaklık kontrol sistemlerinin yapımında darbe genişliği (PW) modülasyonu aktif olarak kullanılmaktadır. Düşük atalet nedeniyle LED'in onlarca kHz frekansta geçiş yapma (yanıp sönme ve sönme) zamanı vardır. Darbe modunda çalışması insan gözü tarafından sürekli bir parlaklık olarak algılanır. Buna karşılık, parlaklık darbe süresine bağlıdır ( açık durum LED) bir süreliğine. Darbe süresi duraklama süresine eşitse, yani görev döngüsü% 50 ise, LED'in parlaklığı nominal değerin yarısı olacaktır. Popülerleşme ile Led lambalar 220V'de, kararsız bir giriş voltajıyla çalışmalarının güvenilirliğini arttırma sorusu ortaya çıktı. Çözüm, darbe genişliği veya darbe frekansı modülasyonu ilkesine göre çalışan bir güç sürücüsü olan evrensel bir mikro devre biçiminde bulundu. Bu sürücülerden birine dayanan bir devre ayrıntılı olarak anlatılmıştır.

Sürücü çipinin girişine sağlanan şebeke voltajı sürekli olarak devre içi referans voltajıyla karşılaştırılır ve çıkışta parametreleri harici dirençler tarafından ayarlanan bir PWM (PWM) sinyali üretilir. Bazı mikro devrelerde analog veya dijital kontrol sinyali sağlamak için bir pin bulunur. Böylece darbe sürücüsünün çalışması başka bir PHI dönüştürücü kullanılarak kontrol edilebilir. LED'in yüksek frekanslı darbeler almaması, ancak bu tür devrelerin zorunlu bir unsuru olan indüktör tarafından düzeltilen bir akım alması ilginçtir.

PWM'nin geniş ölçekli kullanımı, LED arka aydınlatmalı tüm LCD panellere yansıtılmaktadır. Maalesef LED monitörlerde çoğu PWB dönüştürücü yüzlerce Hertz frekansında çalışıyor ve bu da PC kullanıcılarının görüşünü olumsuz etkiliyor.

Arduino mikrodenetleyicisi aynı zamanda PWM denetleyici modunda da çalışabilir. Bunu yapmak için AnalogWrite() işlevini çağırın ve parantez içinde 0 ila 255 arasındaki değeri belirtin. Sıfır, 0V'ye ve 255 ila 5V'ye karşılık gelir. Ara değerler orantılı olarak hesaplanır.

PWM prensibiyle çalışan cihazların yaygınlaşması, insanlığın doğrusal tip transformatör güç kaynaklarından uzaklaşmasına olanak sağladı. Sonuç, verimlilikte bir artış ve güç kaynaklarının ağırlığında ve boyutunda birkaç kat azalmadır.

PWM denetleyicisi modernin ayrılmaz bir parçasıdır darbe bloğu beslenme. Darbe transformatörünün birincil devresinde bulunan güç transistörünün çalışmasını kontrol eder. Bir geri besleme devresinin varlığı nedeniyle, güç kaynağının çıkışındaki voltaj her zaman sabit kalır. Çıkış voltajındaki en ufak sapma geri bildirim kontrol darbelerinin görev döngüsünü anında düzelten bir mikro devre ile sabitlenir. Ek olarak, modern bir PWM denetleyicisi bir dizi sorunu çözer ek görevler güç kaynağının güvenilirliğini artırmaya yardımcı olur:

• mod sağlar yumuşak başlangıç dönüştürücü;
• kontrol darbelerinin genliğini ve görev döngüsünü sınırlar;
• giriş voltajı seviyesini kontrol eder;
• karşı önlemler kısa devre ve güç anahtarının aşırı sıcaklığı;
• gerekirse cihazı bekleme moduna geçirir.

PWM kontrol cihazının çalışma prensibi

PWM denetleyicinin görevi, kontrol darbelerini değiştirerek güç anahtarını kontrol etmektir. Anahtarlama modunda çalışırken, transistör iki durumdan birindedir (tamamen açık, tamamen kapalı). Kapalı durumda, p-n bağlantısından geçen akım birkaç μA'yı aşmaz, bu da güç dağılımının sıfıra yöneldiği anlamına gelir. Açık durumda, yüksek akıma rağmen pn bağlantısının direnci son derece düşüktür ve bu da önemsiz termal kayıplara neden olur. En büyük miktar bir durumdan diğerine geçiş anında ısı açığa çıkar. Ancak geçiş süresinin modülasyon frekansına göre kısa olması nedeniyle anahtarlama sırasındaki güç kayıpları önemsizdir.

Darbe genişliği modülasyonu iki türe ayrılır: analog ve dijital. Her tipin kendine has avantajları vardır ve devre tasarımında farklı şekillerde uygulanabilir.

Analog PWM

Analog PWM modülatörünün çalışma prensibi, frekansları birkaç büyüklük düzeyinde farklılık gösteren iki sinyalin karşılaştırılmasına dayanır. Karşılaştırma elemanı bir işlemsel yükselteçtir (karşılaştırıcı). Girişlerinden birine yüksek sabit frekanslı bir testere dişi voltajı verilir ve diğerine değişken genlikli düşük frekanslı bir modülasyon voltajı sağlanır. Karşılaştırıcı her iki değeri karşılaştırır ve çıktıyı üretir kare darbeler süresi modülasyon sinyalinin mevcut değeri tarafından belirlenir. Bu durumda PWM frekansı testere dişi sinyalinin frekansına eşittir.

Dijital PWM

Dijital yorumlamada darbe genişliği modülasyonu, bir mikro denetleyicinin (MCU) birçok işlevinden biridir. Yalnızca dijital verilerle çalışan MK, çıkışlarında yüksek (%100) veya düşük (%0) voltaj seviyesi üretebilir. Ancak çoğu durumda bunun için Etkili yönetim yük, MC çıkışındaki voltajın değiştirilmesi gerekir. Örneğin motor devrinin ayarlanması, LED'in parlaklığının değiştirilmesi. Mikrodenetleyici çıkışında %0 ila %100 aralığında herhangi bir voltaj değeri elde etmek için ne yapmalıyım?

Sorun, darbe genişliği modülasyonu yöntemi kullanılarak ve belirtilen anahtarlama frekansı, kontrol edilen cihazın tepkisinden birkaç kat daha yüksek olduğunda aşırı örnekleme olgusu kullanılarak çözülür. Darbelerin görev döngüsünü değiştirerek çıkış voltajının ortalama değeri değişir. Kural olarak, tüm süreç onlarca ila yüzlerce kHz frekansta gerçekleşir ve bu da düzgün ayarlamaya olanak tanır. Teknik olarak bu, herhangi bir cihazın "kalbi" olan özel bir mikro devre olan bir PWM kontrol cihazı kullanılarak gerçekleştirilir. dijital sistem yönetmek. PWM tabanlı denetleyicilerin aktif kullanımı yadsınamaz avantajlarından kaynaklanmaktadır:

• yüksek sinyal dönüştürme verimliliği;
• işin istikrarı;
• yükün tükettiği enerjiden tasarruf etmek;
• düşük maliyetli;
• tüm cihazın yüksek güvenilirliği.

Mikrodenetleyici pinlerinden PWM sinyalini iki şekilde alabilirsiniz: donanım ve yazılım. Her MK'de belirli pinlerde PWM darbeleri üretebilen yerleşik bir zamanlayıcı bulunur. Donanım uygulaması bu şekilde sağlanır. Kullanarak bir PWM sinyali alma program komutlarıçözünürlük açısından daha fazla yeteneğe sahiptir ve daha fazla sayıda pin kullanmanıza olanak tanır. Fakat programatik yöntem MK üzerinde yüksek bir yüke yol açar ve çok fazla bellek kaplar.

Dijital PWM'de dönem başına darbe sayısının farklı olabileceği ve darbelerin kendilerinin dönemin herhangi bir yerine yerleştirilebileceği dikkat çekicidir. Çıkış sinyali seviyesi, dönem başına tüm darbelerin toplam süresine göre belirlenir. Her ek darbenin, güç transistörünün açık durumdan kapalı duruma geçişi olduğu ve bunun da anahtarlama sırasında kayıpların artmasına yol açtığı anlaşılmalıdır.

PWM regülatörü kullanma örneği

PWM'yi uygulama seçeneklerinden biri basit regülatör daha önce de anlatılmıştı. Bir mikro devre temelinde inşa edilmiştir ve küçük bir koşum takımına sahiptir. Ancak devrenin basit tasarımına rağmen regülatör oldukça geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir: LED'lerin parlaklığını kontrol etmek için devreler, LED şeritler, motorların dönüş hızını ayarlamak doğru akım.

Ayrıca okuyun

Sevgili Bobot, bize dürtülerden biraz daha bahsedebilir misin?

Sorduğun iyi oldu dostum Bibot. Darbeler dijital elektronikte bilginin ana taşıyıcıları olduğundan, darbelerin farklı özelliklerini bilmek çok önemlidir. Belki tek bir dürtüyle başlayalım.

Elektrik darbesi, belirli ve sonlu bir zaman diliminde voltaj veya akım dalgalanmasıdır.

Bir darbenin her zaman bir başlangıcı (yükselen kenar) ve bir sonu (düşen kenar) vardır.
Dijital elektronikte tüm sinyallerin yalnızca iki voltaj seviyesiyle temsil edilebileceğini muhtemelen zaten biliyorsunuzdur: "mantıksal bir" ve "mantıksal sıfır". Bunlar sadece geleneksel voltaj değerleridir. "Mantıksal olana", genellikle yaklaşık 2-3 volt gibi yüksek bir voltaj seviyesi atanırken, "mantıksal sıfır", sıfıra yakın bir voltaj olarak kabul edilir. Dijital darbeler grafiksel olarak dikdörtgen veya yamuk şeklinde temsil edilir:

Tek bir darbenin ana miktarı uzunluğudur. Darbe uzunluğu, söz konusu mantık seviyesinin tek bir kararlı duruma sahip olduğu sürenin uzunluğudur. Şekilde Latin harfi t darbe uzunluğunu göstermektedir yüksek seviye yani mantıksal "1". Darbe uzunluğu saniye cinsinden ölçülür, ancak daha yaygın olarak milisaniye (ms), mikrosaniye (μs) ve hatta nanosaniye (ns) cinsinden ölçülür. Bir nanosaniye çok kısa bir zaman dilimidir!
Hatırlamak: 1 ms = 0,001 sn.
1 µs = 0,000001 sn
1 ns = 0,000000001 sn
İngilizce kısaltmalar da kullanılır: ms - milisaniye, μs - mikrosaniye, ns - nanosaniye.

Bir nanosaniye içinde ses çıkaracak zamanım bile kalmayacak!
Söylesene Bobot, çok fazla dürtü olursa ne olacak?

Güzel soru Beebot! Ne kadar çok dürtü olursa, o kadar fazla bilgi iletebilirler. Birçok dürtünün birçok özelliği vardır. En basiti darbe tekrarlama oranıdır.
Darbe tekrarlama oranı, birim zaman başına düşen tam darbe sayısıdır. Birim zaman başına bir saniye almak gelenekseldir. Frekans birimi, adını Alman fizikçi Heinrich Hertz'den alan hertz'dir. Bir hertz, bir tam darbenin bir saniyede kaydedilmesidir. Saniyede bin titreşim meydana gelirse 1000 hertz yani 1 kilohertz yani 1 kHz'e eşit olan 1000 Hz olacaktır. Ayrıca İngilizce kısaltmasını da bulabilirsiniz: Hz - Hz. Sıklık harfle gösterilir F.

Yalnızca iki veya daha fazla dürtünün katılımıyla ortaya çıkan birkaç özellik daha vardır. Bunlardan biri önemli parametreler darbe dizisi periyottur.
Darbe periyodu, iki bitişik darbenin iki karakteristik noktası arasındaki zaman aralığıdır. Tipik olarak periyot, bitişik darbelerin iki yükselişi veya iki düşüşü arasında ölçülür ve büyük harfle gösterilir. Latince harf T.

Darbe tekrarlama periyodu doğrudan darbe dizisinin frekansıyla ilişkilidir ve şu formül kullanılarak hesaplanabilir: T=1/F
Darbe uzunluğu ise T tam olarak periyodun yarısına eşit T, o zaman böyle bir sinyale genellikle " denir kıvrımlı".

Darbelerin görev döngüsü, darbe tekrarlama periyodunun sürelerine oranıdır ve S harfi ile gösterilir: S=T/t Görev faktörü boyutsuz bir miktardır ve ölçü birimi yoktur ancak yüzde olarak ifade edilebilir. Görev döngüsü terimi genellikle İngilizce metinlerde bulunur; buna görev döngüsü denir.
Görev döngüsü D, görev döngüsünün tersidir. Doldurma faktörü genellikle yüzde olarak ifade edilir ve şu formülle hesaplanır: D=1/S

Sevgili Bobot, basit dürtülerin o kadar farklı ve ilginç şeyleri var ki! Ama yavaş yavaş kafam karışmaya başlıyor.

Arkadaşım Bibot, doğru fark ettin, dürtüler o kadar basit değil! Ama çok az kaldı.

Beni dikkatlice dinlediyseniz, darbe uzunluğunu artırıp azalttığınızda ve aynı zamanda darbeler arasındaki duraklamayı aynı miktarda azaltırsanız veya artırırsanız, darbe tekrarlama periyodunun ve sıklığının değişmeyeceğini fark etmişsinizdir! Bu gelecekte birden fazla kez ihtiyaç duyacağımız çok önemli bir gerçektir.

Ama şimdi yine de dürtüleri kullanarak bilgi aktarmanın başka yollarını eklemek istiyorum.
Örneğin, birkaç dürtü gruplar halinde birleştirilebilir. Aralarında belirli bir uzunlukta duraklamaların bulunduğu bu tür gruplara patlama veya paket adı verilir. Bir grupta farklı sayıda darbe üreterek ve bunu değiştirerek, herhangi bir bilgiyi de iletebilirsiniz.

Dijital elektroniklerde (aynı zamanda ayrık elektronik olarak da adlandırılır) bilgi iletmek için, farklı özelliklere sahip iki veya daha fazla iletken veya kanal kullanabilirsiniz. darbe sinyalleri. Bu durumda bilgiler belirli kurallar dikkate alınarak iletilir. Bu yöntem, bilgi aktarım hızını önemli ölçüde artırmanıza olanak tanır veya farklı devreler arasındaki bilgi akışını kontrol etme yeteneği ekler.

Darbeleri kullanarak bilgi aktarımı için listelenen olasılıklar, tek başına veya birbirleriyle kombinasyon halinde kullanılabilir.
Ayrıca darbeleri kullanarak bilgi aktarımı için I2C, SPI, CAN, USB, LPT gibi birçok standart vardır.

Tüm mikroişlemciler çalışır dijital sinyaller yani mantıksal sıfır (0 V) veya mantıksal bir (5 V veya 3,3 V) ile. Bu nedenle mikroişlemci çıkışta ara voltaj üretemez. Bu amaçlar için harici DAC'lerin () kullanılması zordur ve aynı anda birçok mikroişlemci ayağını kullanır, bu da sakıncalıdır. Bu durumlarda, darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanılır - darbelerin görev döngüsünü sabit bir frekansta değiştirerek yüke sağlanan gücü kontrol etme işlemi. Darbe genişliği modülasyonu periyodik bir darbe sinyalidir.
Dijital ve analog PWM vardır. Çalışma prensibi, yürütmeden bağımsız olarak aynı kalır ve iki tür sinyalin karşılaştırılmasından oluşur:
Uop – referans (testere dişi, üçgen) voltajı;
Ucontrol – giriş sabit voltajı.
Sinyaller bir karşılaştırıcıya gönderilir, burada karşılaştırılır ve kesiştiklerinde PWM çıkışında bir sinyal görünür/kaybolur (veya negatif olur).
Uout PWM çıkış voltajı darbe biçimindedir; sürelerini değiştirerek PWM çıkışındaki ortalama voltaj değerini (Ud) ayarlarız:

Tek kutuplu PWM ile sinyal görev döngüsü

Tek kutuplu modülasyon, yalnızca pozitif darbelerin üretildiği ve sıfır voltaj değerinin olduğu anlamına gelir

Darbe görev döngüsü

Bu şekilde üretilen bir sinyal, filtreleme özelliklerine sahip bir nesneye (örneğin bir DC motor veya akkor lamba) uygulanırsa, nesne ortalama sinyal gücünü kullanacaktır.
Onlar. Kontrol nesnesi tarafından tüketilen güç, PWM darbelerinin periyodunun nesnenin minimum zaman sabitinden daha küçük bir büyüklük sırası olması koşuluyla, PWM sinyalinin görev döngüsüyle orantılıdır.
PWM, mikroişlemcinin yerleşik bir çıkışı olabilir veya düzenli bir dijital çıkışla mikroişlemcinin çıkışında ayrı olarak düzenlenebilir.
PWM kullanmanın avantajı voltaj değerini minimum kayıpla değiştirme kolaylığıdır.

PWM parametreleri

Saat periyodu T Darbelerin hangi zaman aralıklarında gönderileceğini belirler.

Darbe süresi- sinyalin verildiği süreyi gösteren değer t, s;

Görev faktörü- Darbe uzunluğunun (τ) saat periyoduna (T) oranı; modülasyon değeriyle orantılıdır. Doldurma faktörü genellikle yüzde (%) olarak görüntülenir.

Görev faktörü D– görev döngüsünün karşılıklı değeri.
Görev döngüsü ve görev döngüsü aynı bağlamda kullanılabilse de fiziksel anlamları farklıdır.
Bu büyüklükler boyutsuzdur.