ما هو PWM ، وكيفية قياسه

يرمز PWM إلى تعديل عرض النبضة والذي يشير إلى الطبيعة المتغيرة لعروض النبضة التي قد تتولد من مصدر معين مثل IC أو MCU أو دائرة ترانزستور.

ما هو PWM

بعبارات بسيطة ، لا تعد عملية PWM سوى تشغيل وإيقاف جهد إمداد بمعدل معين بنسب توقيت تشغيل / إيقاف مختلفة ، وهنا قد يكون طول مفتاح التشغيل للجهد أكبر أو أصغر أو مساويًا لطول إيقاف التشغيل.

على سبيل المثال ، قد يتكون PWM من جهد ثابت للتبديل بين التشغيل والإيقاف بمعدل 2 ثانية ON 1 ثانية OFF ، 1 ثانية ON 2 ثانية OFF أو 1 ثانية ON ، 1 ثانية OFF.

عندما يتم تحسين معدل التشغيل / الإيقاف لجهد الإمداد بشكل مختلف ، فإننا نقول إن الجهد هو PWM أو عرض النبض المعدل.

يجب أن تكون جميعًا على دراية بكيفية ظهور جهد تيار مستمر ثابت على الرسم البياني الزمني للجهد v / s كما هو موضح أدناه:

في الصورة أعلاه يمكننا أن نرى خطًا مستقيمًا عند مستوى 9V ، وقد تحقق ذلك لأن مستوى 9V لا يتغير فيما يتعلق بالوقت وبالتالي يمكننا أن نشهد خطًا مستقيمًا.

الآن إذا تم تشغيل 9V وإيقاف تشغيله بعد كل ثانية واحدة ، فسيبدو الرسم البياني أعلاه كما يلي:

يمكننا أن نرى بوضوح الآن أن خط 9V لم يعد خطًا مستقيمًا في شكل كتل بعد كل ثانية واحدة ، حيث يتم تشغيل 9V وإيقاف تشغيله بعد كل ثانية بالتناوب.

تبدو الآثار المذكورة أعلاه ككتل مستطيلة لأنه عند تشغيل 9V وإيقاف تشغيله ، تكون العمليات فورية مما يجعل 9V ينتقل فجأة إلى مستوى الصفر ثم فجأة إلى المستوى 9V وبالتالي تشكيل الأشكال المستطيلة على الرسم البياني.

تؤدي الحالة المذكورة أعلاه إلى جهد نابض يحتوي على معلمتين ليتم قياسهما وهما: ذروة الجهد ومتوسط ​​الجهد أو جهد RMS.

الذروة ومتوسط ​​الجهد

في الصورة الأولى ، من الواضح أن ذروة الجهد هي 9 فولت ، ومتوسط ​​الجهد هو أيضًا 9 فولت لمجرد أن الجهد ثابت دون أي فواصل.

ومع ذلك ، في الصورة الثانية ، على الرغم من تشغيل / إيقاف الجهد بمعدل 1 هرتز (1 ثانية تشغيل ، 1 ثانية إيقاف) ، ستظل الذروة مساوية لـ 9 فولت ، لأن الذروة تصل دائمًا إلى علامة 9 فولت أثناء فترات التشغيل. لكن متوسط ​​الجهد هنا ليس 9 فولت بدلاً من 4.5 فولت لأن صنع وانقطاع الجهد يتم بمعدل 50٪.

في مناقشات PWM ، يُطلق على معدل التشغيل / الإيقاف هذا دورة عمل PWM ، وبالتالي فهي في الحالة المذكورة أعلاه دورة عمل بنسبة 50٪.

عندما تقيس PWM بمقياس رقمي متعدد على نطاق DC ، ستحصل دائمًا على متوسط ​​قيمة القراءة على العداد.

غالبًا ما يتم الخلط بين الهواة الجدد وبين هذه القراءة ويعتبرونها قيمة الذروة ، وهو أمر خاطئ تمامًا.

كما هو موضح أعلاه ، فإن قيمة الذروة لـ PWM ستكون في الغالب مساوية لجهد الإمداد الذي يتم تغذيته للدائرة ، في حين أن متوسط ​​الجهد على العداد سيكون متوسط ​​فترات التشغيل / الإيقاف الخاصة بـ PWM.

تبديل موسفيت بـ PWM

لذلك إذا كنت تقوم بتبديل mosfet باستخدام PWM ووجدت أن جهد البوابة يكون ، على سبيل المثال 3V ، فلا داعي للذعر لأن هذا قد يكون مجرد متوسط ​​الجهد الذي يشير إليه العداد ، فقد يكون الجهد الأقصى مرتفعًا مثل إمداد دائرتك الجهد االكهربى.

لذلك ، من المتوقع أن يكون جهاز mosfet يعمل بشكل جيد وكامل من خلال قيم الذروة هذه وسيؤثر متوسط ​​الجهد فقط على فترة التوصيل الخاصة به ، وليس مواصفات التحويل الخاصة بالجهاز.

كما ناقشنا في الأقسام السابقة ، يتضمن PWM بشكل أساسي تغيير عرض النبض ، وبعبارة أخرى فترتي ON و OFF للتيار المستمر.

لنفترض على سبيل المثال أنك تريد إخراج PWM مع وقت تشغيل أقل بنسبة 50٪ من وقت التشغيل.

لنفترض أن وقت التشغيل المحدد هو 1/2 ثانية ، ثم وقت إيقاف التشغيل سيكون مساويًا لثانية واحدة ، وهذا من شأنه أن يؤدي إلى دورة عمل تبلغ 1/2 ثانية تشغيل و 1 ثانية إيقاف ، كما هو موضح في الرسم البياني التالي .

تحليل دورة عمل PWM

في هذا المثال ، تم تحسين PWMs لإنتاج جهد ذروة يبلغ 9 فولت ولكن متوسط ​​الجهد البالغ 3.15 فولت منذ وقت التشغيل هو 35 ٪ فقط من دورة تشغيل / إيقاف كاملة كاملة.

تشير الدورة الكاملة الواحدة إلى الفترة الزمنية التي تسمح للنبضة المعينة بإكمال وقت التشغيل الكامل ووقت إيقاف التشغيل مرة واحدة.

وبالمثل ، قد ينوي المرء تحسين عرض النبضة للتردد بالبيانات التالية:

هنا يمكن رؤية وقت التشغيل أعلى من وقت إيقاف التشغيل بنسبة 65٪ عبر دورة كاملة واحدة ، وبالتالي يصبح متوسط ​​قيمة الجهد هنا 5.85 فولت.

يُطلق على متوسط ​​الجهد الذي تمت مناقشته أعلاه أيضًا RMS أو القيمة التربيعية للمتوسط ​​الجذري للجهد.

نظرًا لأن هذه كلها نبضات مستطيلة أو مربعة ، يمكن حساب RMS ببساطة بضرب النسبة المئوية لدورة العمل بجهد الذروة.

تحسين PWM لمحاكاة الموجة الجيبية

ومع ذلك ، في الحالات التي يتم فيها تحسين PWM لمحاكاة نبضة التيار المتردد ، يصبح حساب RMS معقدًا بعض الشيء.

لنأخذ مثال PWM التالي الذي تم تحسينه لتغيير عرضه المطابق للسعة المتغيرة أو مستوى إشارة التيار المتردد الجيبية.

يمكنك معرفة المزيد عن هذا من خلال إحدى مقالاتي السابقة حيث شرحت كيف يمكن استخدام IC 555 توليد خرج PWM مكافئ لموجة جيبية .

كما نرى في الصورة أعلاه ، يتغير عرض النبضات فيما يتعلق بالمستوى اللحظي للموجة الجيبية. عندما تميل الموجة الجيبية إلى الوصول إلى القمة ، يصبح العرض المقابل للنبضة أوسع والعكس صحيح.

باستخدام SPWM

يشير هذا إلى أنه نظرًا لأن مستوى جهد الموجة الجيبية يتغير باستمرار بمرور الوقت ، فإن PWM تتغير أيضًا بمرور الوقت من خلال تغيير عروضها باستمرار. يشار إلى PWM أيضًا باسم SPWM أو تعديل عرض النبض الجيبي.

وبالتالي في الحالة المذكورة أعلاه ، فإن النبضات ليست ثابتة أبدًا ، بل إنها تغير عرضها بشكل مختلف مع مرور الوقت.

هذا يجعل RMS أو حساب متوسط ​​القيمة معقدًا بعض الشيء ولا يمكننا ببساطة مضاعفة دورة العمل بجهد الذروة هنا لتحقيق RMS.

على الرغم من أن الصيغة الفعلية لاشتقاق تعبير RMS معقدة للغاية ، إلا أنه بعد الاشتقاقات المناسبة ، يصبح التنفيذ النهائي سهلاً للغاية.

حساب جهد RMS لـ PWM

وبالتالي لحساب RMS لجهد PWM متغير استجابة لموجة جيبية يمكن الحصول عليها بضرب 0.7 (ثابت) بجهد الذروة.

لذلك بالنسبة إلى ذروة 9 فولت ، نحصل على 9 × 0.7 = 6.3 فولت ، وهذا هو جهد RMS أو متوسط ​​قيمة ذروة 9 فولت إلى ذروة PWM التي تحاكي موجة جيبية.

دور PWM في الدوائر الإلكترونية؟

ستجد أن مفهوم PWM مرتبط بشكل أساسي بـ
تصميمات الدوائر التي تحتوي على محاثات تشارك بشكل خاص طبولوجيا تعزيز باك مثل العاكسات ، SMPS ، MPPT ، دوائر تشغيل LED إلخ.

بدون محث ، قد لا يكون لميزة PWM قيمة حقيقية أو دور في دائرة معينة ، وذلك لأن المحرِّض هو الوحيد الذي يمتلك الميزة الكامنة في تحويل عرض النبضة المتغير إلى مقدار مكافئ من التصعيد (المعزز) أو التنحي (التراجع) الجهد أو التيار ، والذي يصبح الفكرة الكاملة والوحيدة لتقنية PWM.

استخدام PWM مع المحاثات

لفهم كيفية تأثير PWM على خرج المحرِّض من حيث الجهد والتيار ، سيكون من المهم أولاً معرفة كيف يتصرف مغو في تأثير الجهد النابض.

في إحدى مشاركاتي السابقة شرحت بخصوص كيف تعمل دارة دفعة باك ، هذا مثال كلاسيكي لتوضيح كيف يمكن استخدام PWM أو عرض النبضة المتغير لأبعاد إخراج المحرِّض.

من المعروف جيدًا أن المحرِّض بطبيعته يعارض دائمًا التطبيق المفاجئ للجهد عبره ولا يسمح له بالمرور إلا بعد فترة زمنية معينة اعتمادًا على مواصفات لفه ، وخلال هذه العملية يخزن كمية مكافئة من الطاقة في هو - هي.

الآن ، إذا تم إيقاف تشغيل الجهد فجأة أثناء العملية المذكورة أعلاه ، فلن يتمكن المحث مرة أخرى من التعامل مع هذا الاختفاء المفاجئ للجهد المطبق ويحاول موازنة ذلك عن طريق إطلاق التيار المخزن فيه.

رد فعل المحرِّض على PWM

وبالتالي ، سيحاول مغوٍ معارضة تبديل الجهد الكهربائي عن طريق تخزين التيار ومحاولة التعادل استجابةً لإيقاف التشغيل المفاجئ للجهد عن طريق 'إعادة' الطاقة المخزنة إلى النظام.

يُطلق على هذه الارتداد اسم EMF الخلفي للمحث وسيعتمد محتوى هذه الطاقة (الجهد والتيار) على مواصفات لف المحرِّض.

يحدد عدد الدورات بشكل أساسي ما إذا كان يجب أن يكون الجهد الكهرومغناطيسي أعلى في الجهد من جهد الإمداد أو أقل من جهد الإمداد ، ويقرر سمك السلك مقدار التيار الذي يمكن للمحث تقديمه.

هناك جانب آخر للمحث أعلاه ، وهو توقيت فترات تشغيل / إيقاف الجهد.

هذا هو المكان الذي يصبح فيه استخدام PWM أمرًا بالغ الأهمية.

على الرغم من أن عدد المنعطفات يحدد بشكل أساسي قيم المخرجات لنوع معين ، إلا أنها يمكن أن تتنوع أيضًا حسب الرغبة عن طريق تغذية مقدمة PWM محسّنة.

من خلال PWM المتغير يمكننا إجبار مغوٍ على توليد / تحويل الفولتية والتيارات بأي معدل مرغوب فيه ، إما كجهد متصاعد (تيار منخفض) ، أو تيار متصاعد (جهد مخفض) أو العكس.

في بعض التطبيقات ، يمكن استخدام PWM حتى بدون محث ، مثل تعتيم ضوء LED ، أو في دوائر مؤقت MCU ، حيث يمكن تحسين الإخراج لتوليد الفولتية عند مفتاح تشغيل مختلف ، وفترات إيقاف التشغيل للتحكم في الحمل حسب مواصفات العمل المقصودة.