مدولاسیون عرض پالس (PWM) یک تکنیک کنترل توان است که خروجی موثر سیگنال های الکترونیکی را با سوئیچینگ سریع آنها در یک فرکانس ثابت تنظیم می کند. با تنظیم نسبت زمان «رسانایی» به کل سیکل، منبع سیگنال دیجیتال میتواند سطوح ولتاژ آنالوگ دائماً در حال تغییر را شبیهسازی کند و در نتیجه میانگین انرژی ارائه شده به بار را کنترل کند.
به طور گسترده تر، فناوری مدولاسیون به تغییر شکل موج الکتریکی یا رمزگذاری اطلاعات به شکل موج الکتریکی برای تأثیرگذاری بر رفتار مدارها یا سیستم ها اشاره دارد. در محصولات الکترونیکی عملی، این به معنای شکل دادن به سیگنال است تا آن را قادر به انتقال داده یا مدیریت مقدار ولتاژ یا جریانی است که به دستگاه می رسد. این اصل به طور گسترده در درایوهای موتور، کاهش نور، سیستمهای صوتی، و همچنین مدارهای تبدیل نیرو یا شارژ باتری به کار گرفته شده است.
اگرچه PWM، مدولاسیون دامنه (AM) و مدولاسیون فرکانس (FM) استراتژی های اصلی برای کنترل درک سیگنال از دامنه یا فرکانس هستند، این مقاله به طور خاص PWM را مورد بحث قرار می دهد.
اصول PWM - چرخه وظیفه و فرکانس سوئیچینگ
همانطور که قبلا ذکر شد، PWM با تنظیم ولتاژ موثر و جریان تحویلی به بار، شکل موج را تشکیل می دهد. این امر با راندن سریع دستگاه های سوئیچینگ (معمولاً ترانزیستورها) برای سوئیچ کردن بین حالت های کاملاً روشن و کاملاً خاموش به دست می آید. با تغییر زمان نگهداری دستگاه سوئیچینگ در هر حالت، سیستم اطلاعات را از طریق مدت زمان نسبی بازه های سطح بالا و سطح پایین رمزگذاری می کند.
در واقع، PWM توان الکتریکی خالص خود را با تغییر زمان لازم برای دستیابی دستگاه به ولتاژ کامل منبع تغذیه در هر سیکل سوئیچینگ محدود می کند. افزایش "زمان هدایت" ولتاژ متوسط خروجی را افزایش می دهد، در حالی که کاهش "زمان هدایت" سطح ولتاژ موثر بار را کاهش می دهد. این رفتار را می توان با دو پارامتر اصلی توصیف کرد: چرخه وظیفه و فرکانس سوئیچینگ.
چرخه وظیفه نشان دهنده نسبت زمانی است که یک سیگنال در یک حالت فعال یا سطح بالا در یک چرخه کامل شکل موج قرار دارد. این نسبت معمولاً به صورت درصد (%) بیان میشود و نشان میدهد که خروجی چه مدت در حالت روشن (موثر) در طول هر چرخه باقی میماند. به عنوان مثال، اگر شکل موج دیجیتال یک سطح بالا را برای 3 میلی ثانیه و سطح پایین را برای 1 میلی ثانیه حفظ کند، کل دوره 4 میلی ثانیه، چرخه کار 75٪ و فرکانس سوئیچینگ مربوطه 250 هرتز است.
از آنجایی که چرخه وظیفه مستقیماً مدت زمان هر بخش با انرژی پالس را تعیین می کند، اصلاح چرخه وظیفه می تواند توان موثر تحویلی به بار را با تغییر نسبت زمان سطح بالا به زمان سطح پایین بدون تغییر ولتاژ منبع تغذیه واقعی کنترل کند. در بسیاری از سیستم ها، ولتاژ و فرکانس پارامترهای ثابتی هستند و چرخه وظیفه اصلی ترین متغیر کنترل قابل تنظیم است. در کاربردهایی مانند المنت های گرمایشی PWM، نظارت بر چرخه کار می تواند به عنوان یک شاخص قابل اعتماد برای تعیین سطح توان مورد انتظار ارائه شده توسط سیستم عمل کند.
فرکانس سوئیچینگ تعداد دفعات تکرار یک رویداد در یک بازه زمانی معین را توصیف می کند. در اینجا، به تعداد چرخه های "روشن خاموش" انجام شده در هر ثانیه توسط دستگاه سوئیچینگ که سیگنال PWM را هدایت می کند، اشاره دارد. این فرکانس بر حسب هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود و نشان دهنده سرعت چرخه سطح توان در کل چرخه عملیاتی است.
برای اطمینان از عملکرد مورد انتظار بار، لازم است فرکانس سوئیچینگ PWM مناسب انتخاب شود. اگر فرکانس تنظیم شده برای یک برنامه خاص خیلی زیاد باشد، اجزای مکانیکی مانند رله ها یا انواع خاصی از محرک ها ممکن است نتوانند به سرعت سوئیچینگ سریع دست یابند که منجر به خرابی زودرس می شود. در مقابل، فرکانس سوئیچینگ پایین ممکن است اثرات نامطلوبی مانند نویز، لرزش یا ناپایداری دستگاه های کنترل شده داشته باشد. برای مثال، اگرچه فرکانسهای نسبتاً پایین برای موتورهای محرک قابل قبول هستند، بارهای حالت جامد مانند LEDها معمولاً به فرکانسهای سوئیچینگ بسیار بالاتری نیاز دارند تا بدون لرزش و روان کار کنند.