خانه » مفاهیم پایه الکترونیک » مدارهای متفرقه » مدولاسیون پهنای پالس یا PWM

مدولاسیون پهنای پالس یا PWM

بازدید: 739

pwm چیست
pwm چیست
  1. خانه
  2. »
  3. مفاهیم پایه الکترونیک
  4. »
  5. مدارهای متفرقه
  6. »
  7. مدولاسیون پهنای پالس یا PWM

مدولاسیون پهنای پالس یا PWM

بازدید: 739

راه­های مختلفی برای کنترل سرعت موتورهای DC وجود دارد، اما یک راه بسیار ساده و آسان استفاده از مدولاسیون پهنای پالس یا PWM است.

قبل از اینکه به بررسی ورودی و خروجی مدولاسیون پهنای پالس (Pulse Width Modulation) بپردازیم، باید کمی بیشتر در مورد نحوه عملکرد یک موتور DC بدانیم.

در کنار موتورهای پله‌­ای یا استپ موتورها (stepper)، موتور DC آهنربای دائم (PMDC) متداول‌­ترین نوع موتور کوچک جریان مستقیم است که سرعت چرخش پیوسته‌­ای را تولید می­‌کند که به راحتی قابل کنترل است. موتورهای DC کوچک برای استفاده در برنامه‌­هایی که کنترل سرعت مورد نیاز است مانند اسباب بازی‌­های کوچک، مدل­‌ها، ربات­‌ها و سایر مدارهای الکترونیکی از این قبیل، ایده‌­آل هستند.

یک موتور DC اساساً از دو قسمت تشکیل شده است، بدنه ثابت موتور به نام “استاتور (Stator)” و قسمت داخلی که با چرخش، حرکت را تولید می­‌کند و “روتور (Rotor)” نامیده می­‌شود. برای ماشین­‌های D.C، روتور معمولا “آرمیچر (Armature)” نامیده می‌شود.

به طور کلی، در موتورهای DC سبک کوچک، استاتور از یک جفت آهنربای ثابت دائمی تشکیل شده است که یک شار مغناطیسی ثابت و یکنواخت را در داخل موتور ایجاد می‌­کند و به این نوع موتورها نام موتورهای “جریان مستقیم آهنربای دائم” (PMDC) را می‌­دهد.

آرمیچر موتورها شامل سیم­‌پیچ‌های الکتریکی است که به صورت دایره‌ای در اطراف بدنه فلزی آن به هم متصل شده‌اند و یک قطب شمال و سپس یک قطب جنوب و بعد یک قطب شمال و غیره نوع پیکربندی سیستم میدان را ایجاد می‌کنند.

جریانی که در این سیم پیچ‌­های روتور جریان دارد، میدان الکترومغناطیسی لازم را تولید می­‌کند. میدان مغناطیسی دایره‌ای تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های آرمیچر، هر دو قطب شمال و جنوب را در اطراف آرمیچر ایجاد می‌کند که توسط آهنرباهای دائمی استاتور دفع یا جذب می‌شوند و حرکت چرخشی حول محور مرکزی موتور ایجاد می‌کنند.

موتور آهنربای دائم دوقطبی

موتور آهنربای دائم دوقطبی

با چرخش آرمیچر، جریان الکتریکی از پایانه‌های موتور به مجموعه بعدی سیم‌پیچ‌های آرمیچر از طریق جاروبک های کربنی (carbon brushes) واقع در اطراف کموتاتور (commutator)، منتقل می‌شود و میدان مغناطیسی دیگری تولید می‌کند و هر بار که آرمیچر می‌چرخد، مجموعه جدیدی از سیم‌پیچ‌های آرمیچر نیرو می‌گیرد و آرمیچر را مجبور می‌کند تا بیشتر و بیشتر بچرخد.

بنابراین، سرعت چرخش یک موتور DC به بر هم کنش بین دو میدان مغناطیسی بستگی دارد، که یکی توسط آهنرباهای ثابت دائمی استاتور و دیگری توسط آهنرباهای الکتریکی چرخان آرمیچر ایجاد می­‌شود و با کنترل این بر هم کنش، می‌­توانیم سرعت چرخش را کنترل کنیم.

میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای دائمی استاتور ثابت است و بنابراین نمی­توان آن را تغییر داد، اما اگر قدرت میدان مغناطیسی آرمیچرها را با کنترل جریان عبوری از سیم ­پیچ ­ها تغییر دهیم، شار مغناطیسی کم و بیش تولید می‌شود که در نتیجه بر هم کنش قوی­‌تر یا ضعیف‌­تر شده و سرعت بیشتر یا کمتر می‌­شود.

بنابراین، سرعت چرخش یک موتور DC (N)، متناسب است با emf برگشتی (Vb) موتور تقسیم بر شار مغناطیسی (که برای آهنربای دائم ثابت است) و یک ثابت الکترومکانیکی که به ماهیت سیم‌پیچ‌های آرمیچر (Ke) بستگی داشته و معادله N ∝ V/KeΦ را نتیجه می‌­دهد.

بنابراین چگونه می­‌توانیم جریان عبوری از موتور را کنترل کنیم؟ بسیاری از افراد سعی می‌کنند سرعت یک موتور DC را با استفاده از یک مقاومت متغیر بزرگ (Rheostat) به صورت سری با موتور کنترل کنند.

در حالی که این ممکن است کار کند، همانطور که در مسابقات اتومبیلرانی Scalextric slot انجام می‌­شود، گرما و توان تلف شده زیادی در مقاومت تولید می­‌کند. یک راه ساده و آسان برای کنترل سرعت موتور، تنظیم مقدار ولتاژ در پایانه‌­های آن است و این امر را می‌­توان با استفاده از “مدولاسیون پهنای پالس” یا PWM به دست آورد.

همانطور که از نام آن پیداست، کنترل سرعت مدولاسیون پهنای پالس با به حرکت درآوردن موتور با یک سری پالس‌های روشن و خاموش و تغییر چرخه کاری پالس­‌ها (کسری از زمان که ولتاژ خروجی روشن است در مقایسه با زمانی که خاموش است) در حالی که فرکانس را ثابت نگه می دارد، کار می­‌کند.

توان اعمال شده به موتور را می‌­توان با تغییر پهنای این پالس ­های اعمال شده و در نتیجه تغییر میانگین ولتاژ DC اعمال شده به پایانه ­های موتور کنترل کرد. با تغییر یا تعدیل زمان این پالس­‌ها، می­‌توان سرعت موتور را کنترل کرد، یعنی هرچه پالس طولانی­‌تر باشد، موتور سریع‌­تر می‌چرخد و به همین ترتیب، هرچه پالس به مدت کوتاه­‌تری روشن باشد، موتور کندتر خواهد چرخید.

به عبارت دیگر، هرچه پهنای پالس بازتر باشد، متوسط ​​ولتاژ اعمال شده به ترمینال­‌های موتور بیشتر بوده، شار مغناطیسی داخل سیم‌­پیچ‌­های آرمیچر قوی­‌تر است و موتور سریع­تر می‌­چرخد ​​که در زیر نشان داده شده است.

شکل موج مدوله شده با پهنای پالس

شکل موج مدوله شده با پهنای پالس

استفاده از مدولاسیون پهنای پالس برای کنترل یک موتور کوچک این مزیت را دارد که تلفات برق در ترانزیستور سوئیچینگ کم است زیرا ترانزیستور یا کاملاً روشن یا کاملاً خاموش است. در نتیجه، ترانزیستور سوئیچینگ دارای اتلاف توان بسیار کمتری است که به آن یک نوع کنترل خطی می‌­دهد که منجر به پایداری سرعت بهتر می‌­شود.

همچنین دامنه ولتاژ موتور ثابت می­‌ماند. بنابراین موتور همیشه در توان کامل است. نتیجه این است که موتور می­‌تواند بسیار آهسته‌تر بچرخد بدون اینکه متوقف شود. چگونه می­‌توانیم سیگنال مدولاسیون پهنای پالس را برای کنترل موتور تولید کنیم؟ آسان است، مانند شکل زیر از مدار اسیلاتور ناپایدار 555 استفاده کنید:

مدار اسیلاتور ناپایدار 555

این مدار ساده مبتنی بر تراشه تایمر آشنا NE555 یا 7555 برای تولید سیگنال مدولاسیون پهنای پالس مورد نیاز در یک فرکانس خروجی ثابت استفاده می‌شود. همانطور که در مقاله تایمر 555 به آن پرداختیم، خازن زمان­بندی C با جریانی که از شبکه‌­های زمان­بندی RA و RB می­گذرد، شارژ و تخلیه می­‌شود.

سیگنال خروجی در پین 3 تایمر 555، برابر با ولتاژ تغذیه است که ترانزیستورها را کاملاً روشن می­‌کند. زمان صرف شده برای شارژ یا تخلیه C به مقادیر RA، RB بستگی دارد.

خازن از طریق شبکه RA شارژ می‌­شود اما در اطراف شبکه مقاومتی RB و از طریق دیود D1 منحرف می‌­شود. به محض اینکه خازن شارژ می­‌شود، بلافاصله از طریق دیود D2 و شبکه RB به پین 7، تخلیه می­‌شود. در طول فرآیند تخلیه، خروجی در پین 3 در 0 ولت است و ترانزیستور خاموش می­‌شود.

بنابراین، زمان صرف شده برای خازن C برای گذراندن یک چرخه شارژ-تخلیه کامل به مقادیر RA، RB و C بستگی دارد و زمان T برای یک سیکل کامل به صورت زیر داده می‌شود:

زمان TH که خروجی “روشن” است: TH = 0.693(RA).C

زمان، TL، که خروجی “خاموش” است: TL = 0.693 (RB).C

کل زمان چرخه روشن – خاموش به صورت: T = TH + TL با فرکانس خروجی ƒ = 1/T داده می­‌شود

با مقادیر مؤلفه نشان داده شده، چرخه کاری شکل موج را می‌­توان از حدود 8.3٪ (0.5 ولت) تا حدود 91.7٪ (5.5 ولت) با استفاده از منبع تغذیه 6.0 ولتی تنظیم کرد. فرکانس مولتی ویبراتور ناپایدار در حدود 256 هرتز ثابت است و موتور با این سرعت “روشن” و “خاموش” می‌­شود.

مقاومت R1 به علاوه قسمت “بالایی” پتانسیومتر VR1، نشان دهنده شبکه مقاومتی RA است. در حالی که قسمت “پایین” پتانسیومتر به اضافه R2 نشان دهنده شبکه مقاومتی RB در شکل بالا است.

این مقادیر را می­‌توان برای کاربردها و موتورهای DC مختلف تغییر داد، و به شرط اینکه مدار ناپایدار 555 به اندازه کافی سریع در حداقل چند صد هرتز کار کند، نباید خللی در چرخش موتور وجود داشته باشد.

دیود D3 دیود فلایویل (flywheel diode) مورد علاقه قدیمی است که برای محافظت از مدار الکترونیکی در برابر بارگیری القایی موتور استفاده می­‌شود. همچنین اگر بار موتور زیاد است یک گرماگیر روی ترانزیستور سوئیچینگ یا ماسفت قرار می­‌گیرد.

مدولاسیون پهنای پالس یا PWM یک روش عالی برای کنترل مقدار توان تحویلی به یک بار بدون پخش شدن نیروی تلف شده است. مدار فوق همچنین می‌­تواند برای کنترل سرعت فن یا کاهش روشنایی لامپ­‌های DC یا LED استفاده شود. اگر نیاز به کنترل این موارد دارید، از مدولاسیون پهنای پالس برای انجام آن استفاده کنید.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 8 نظر

مدولاسیون پهنای پالس یا PWM

با ثبت نظر و نوشتن کامنت، تیم ما را در راستای بهبود و افزایش کیفیت محتوا یاری خواهید کرد :)

فهرست مطالب

مقالات مرتبط

مشاهده محصولات

بروزترین مقالات

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

6 + 18 =

فروشگاه