قبل از توضیح مبحث pwm باید مروری بر دو مفهوم زیر داشته باشیم:
- فرکانس
- شکل موج الکتریکی
فرکانس
فرکانس به معنی تعداد بارهای تکرار شونده یک پدیده در یک واحد زمان است. به عبارت دیگر، فرکانس نشان دهنده تعداد بارهای چرخش، تکانه، ارتعاش یا دوره‌ای که یک پدیده در یک ثانیه تکرار میشود، می‌باشد. واحد اندازه گیری فرکانس هرتز (Hz) می‌باشد، که یک هرتز به معنی یک چرخش یا تکانه در هر ثانیه است. به عنوان مثال، اگر یک سیگنال صوتی با فرکانس 440 هرتز داشته باشیم، این به معنی این است که یک دوره از این سیگنال (یعنی یک دوره از ارتعاشات آن) در هر ثانیه 440 بار تکرار میشود.
برای محاسبه‌ی نسبت فرکانس با دوره تناوب از رابطه‌ی زیر استفاده میشود:
f = 1/T
در این رابطه، f نمایانگر فرکانس سیگنال و T نمایانگر دوره‌ی تناوب آن است. برای مثال، اگر دوره‌ی تناوب یک سیگنال برابر با 0.01 ثانیه باشد، نسبت فرکانس آن به صورت زیر خواهد بود:
f = 1/0.01 = 100
بنابراین فرکانس این سیگنال برابر با 100 هرتز است.
شکل موج الکتریکی
شکل موج الکتریکی به شکلی که سیگنال الکتریکی در طول زمان به نمایش در می‌آید، گفته میشود. برخی از انواع شکل موج الکتریکی عبارتند از:
سینوسی (Sine Wave): این نوع موج الکتریکی به شکل یک نمودار سینوسی با فرکانس و دامنه ثابت است.
مستقیم (DC) : این نوع موج الکتریکی دارای مقدار ثابت است و در طول زمان تغییر نمی‌کند.
مربعی (Square Wave): این نوع موج الکتریکی به شکل یک مربع با فرکانس و دامنه ثابت است.
مثلثی (Triangle Wave): این نوع موج الکتریکی به شکل یک مثلث با فرکانس و دامنه ثابت است.
صدایی (Noise): این نوع موج الکتریکی به شکل یک سیگنال تصادفی با فرکانس‌های مختلف است.
پالسی (Pulse Wave): این نوع موج الکتریکی به شکل یک سیگنال با فرکانس بسیار بالا اما با زمان بسیار کوتاهی با دامنه ثابت است.
دندان اره‌ای (Sawtooth wave) یک شکل موج الکتریکی است که در آن مقدار سیگنال به صورت پیوسته و با نرخ تغییر سریع، افزایش یافته و سپس به صورت ناگهانی کاهش می‌یابد. این شکل موج به طور قابل توجهی شبیه به دندانه‌های یک اره است که به همین دلیل به نام “دندان اره‌ای” شناخته میشود. (منبع)
مفهوم PWM
PWM مخفف عبارت Pulse Width Modulation است و به یک تکنیک کنترل سیگنال‌های دیجیتالی گفته میشود. در این تکنیک، سیگنال خروجی مدار به صورت پالسی با فرکانس ثابت تولید میشود و فاصله زمانی (عرض پالس) بین دو پالس پشت سر هم تغییر داده میشود. با تغییر عرض پالس، میزان میانگین سیگنال خروجی نیز تغییر می‌کند که این امر برای کنترل سرعت موتورها، روشنایی LED ها و دیگر دستگاه‌های الکترونیکی بسیار مفید است.
با استفاده از PWM، می‌توان میزان قدرت یک سیگنال را کنترل کرد. به عنوان مثال، اگر دوره فعالی به دوره غیر فعالی یک PWM بیشتر باشد، میزان قدرت سیگنال خروجی بیشتر خواهد بود. این ویژگی PWM ، در کنترل سرعت موتورهای DC و سیستم‌های روشنایی LED بسیار مفید است.
تفاوت موج ساده با موج PWM
PWM (Pulse Width Modulation) و موج ساده دو نوع موج هستند.
موج ساده یک سیگنال تکراری با فرکانس ثابت است که روی یک محور زمان قرار دارد. به عبارت دیگر، مقدار این سیگنال در طول زمان تغییر نمی‌کند.
اما PWM یک سیگنال نوسانی است که شامل دوره‌های فعالی و غیر فعالی است. در دوره فعالی، سیگنال بصورت یک پالس با باریکه و حداکثر مقدار ارسال میشود و در دوره غیرفعالی، سیگنال به صفر می‌رسد.
مفهوم Duty Cycle
در PWM ، دیوتی‌سایکل (Duty Cycle) به نسبت زمانی اشاره دارد که سیگنال پالسی فعال است در مقایسه با کل طول یک دوره. به عبارت دیگر، دیوتی‌سایکل به مقدار فعال بودن سیگنال PWM در زمان هر دوره اشاره دارد.
به طور مثال، فرض کنید یک سیگنال PWM با دوره ۱۰۰۰ میکروثانیه و دیوتی‌سایکل ۵۰٪ داریم. این به این معناست که سیگنال PWM در مدت ۵۰۰ میکروثانیه از دوره فعال خواهد بود و در مدت ۵۰۰ میکرو ثانیه دیگر خاموش خواهد شد. در واقع، در این حالت، میانگین ولتاژ خروجی این سیگنال PWM، نصف حداکثر ولتاژ خروجی است.
به عنوان مثال دیگر، در مدارات الکترونیکی ساده، برای کاهش ولتاژ خروجی یک سیگنال PWM، می‌توان دیوتی‌سایکل را کم کرد. به عبارتی، با کاهش دیوتی‌سایکل، میزان زمانی که سیگنال PWM فعال است را کمتر می‌کنیم و در نتیجه، میانگین ولتاژ خروجی نیز کاهش می‌یابد.
برای مثال، اگر دیوتی‌سایکل ۷۵٪ باشد، سیگنال PWM در مدت ۷۵۰ میکروثانیه از دوره فعال و در مدت ۲۵۰ میکروثانیه خاموش است. اگر دیوتی‌سایکل را به ۶۰٪ کاهش دهیم، سیگنال PWM در مدت ۶۰۰ میکروثانیه فعال و در مدت ۴۰۰ میکروثانیه خاموش است. در این حالت، میانگین ولتاژ خروجی سیگنال PWM کاهش می‌یابد و می‌توان از این خاصیت برای کنترل ولتاژ یک بارگیر الکترونیکی، روشنایی LED یا سرعت موتور استفاده کرد.
در آردوینو برای استفاده از موج PWM برای ساخت ولتاژ مورد نظر از دستورات ورودی و خروجی آنالوگ استفاده میشود برای مشاهده آموزش این دستورات و نمونه برنامه و تست عملی اینجا کلیک کنید.
کاربرد PWM و محاسبات
در کنترل موتورها، دیوتی‌سایکل برای کنترل سرعت موتور استفاده میشود. با تغییر دیوتی‌سایکل، سرعت موتور افزایش یا کاهش می‌یابد. همچنین، در قطعات الکترونیکی دیگر نیز از PWM برای کنترل روشنایی LED و یا خروجی صوتی استفاده میشود و دیوتی‌سایکل در این حالات نیز به عنوان پارامتر کنترلی عمل می‌کند.
دیوتی سایکل (%) = (زمانی که سیگنال PWM فعال است / کل طول دوره) × 100
به عنوان مثال، اگر دوره یک سیگنال PWM برابر با ۲۰۰۰ میکروثانیه و زمانی که سیگنال فعال است برابر با ۴۰۰ میکروثانیه باشد، می‌توانیم دیوتی سایکل را به صورت زیر محاسبه کنیم:
دیوتی سایکل (%) = (۴۰۰ / ۲۰۰۰) × 100 = ۲۰٪
بنابراین، در این حالت، دیوتی سایکل برابر با ۲۰٪ است که به معنی این است که سیگنال PWM در ۲۰٪ زمان دوره فعال است. (منبع)
درود
در اخرین فرمول در پایانِ صفحه ، به چه صورت عدد ۵۰۰ منتج به ۲۰درصد شد؟ آیا درست نوشته شده؟
سلام وقت بخیر، فرض مسئله مدت زمان پالس 2000 میکرو ثانیه در نظر گرفته شده است که مقدار 400 میکرو ثانیه تایم روشن و طبیعتا 1600 میکرو ثانیه تایم خاموش پالس PWM مسئله هست. با یک تناسب ساده میتونید نسبت 400 به 2000 بر حسب درصد رو محاسبه کنید که برابر با 20% میشود!