توضیح مدولاسیون عرض پالس (PWM)

در مدارهای الکتریکی، می‌توان میزان جریان تحویلی به قطعات را کنترل کرد، حتی اگر تنها کنترلی که داریم روشن و خاموش کردن منبع تغذیه باشد. با سوئیچ کردن سریع منبع تغذیه در یک الگوی مشخص، می‌توان مقدار جریان تحویلی به دستگاه را تنظیم کرد.

• اگر مدت زمان روشن بودن بیشتر از مدت زمان خاموش بودن باشد، توان متوسط افزایش می‌یابد.
• اگر مدت زمان خاموش بودن بیشتر از مدت زمان روشن بودن باشد، توان متوسط کاهش می‌یابد.

به این ترتیب، می‌توان سرعت متغیری (مانند یک سیگنال آنالوگ) برای موتورها و عملگرها تولید کرد، درحالی‌که در واقعیت تنها بین دو وضعیت روشن (۱) و خاموش (۰) جابه‌جا می‌شویم. این همان سیگنال PWM است.

یک مثال ساده: درک PWM با کنترل سرعت پنکه

فرض کنید یک پنکه سقفی دارید که فقط دو حالت روشن و خاموش دارد. اما شما می‌خواهید سرعت آن را روی 50٪ نگه دارید. می‌توان این کار را با روش زیر انجام داد:

1. پنکه را روشن کنید و اجازه دهید به 50٪ سرعت برسد.
2. آن را خاموش کنید.
3. مجدداً آن را روشن کنید قبل از اینکه کاملاً متوقف شود.

این کار در عمل توصیه نمی‌شود، اما دقیقاً مشابه عملکرد PWM است. با تغییر مدت زمان روشن بودن، می‌توان سرعت یا توان را تنظیم کرد.

نکته مهم: اگر این کار را به‌طور مداوم انجام دهیم، پنکه مقدار زیادی جریان خواهد کشید که ممکن است به مدار آسیب برساند. به همین دلیل، انجام این روش در عمل توصیه نمی‌شود، اما این مثال به خوبی نحوه عملکرد PWM را نشان می‌دهد.

مدولاسیون عرض پالس (PWM) چگونه کار می‌کند؟

در تکنیک PWM، روشن و خاموش کردن متناوب یک سیگنال پالس نامیده می‌شود.

• عرض پالس: مدت زمانی که پالس در وضعیت بالا (روشن) باقی می‌ماند.
• دوره تناوب (T): مدت زمان لازم برای تکمیل یک چرخه روشن و خاموش.
• مدولاسیون: به معنی تغییر و تنظیم سیگنال اولیه برای دستیابی به سیگنال مطلوب است.

در PWM، ما سیگنال را طوری تغییر می‌دهیم که مدت زمان “روشن بودن” (عرض پالس) مطابق نیاز ما تنظیم شود. بنابراین، این تکنیک را مدولاسیون عرض پالس (Pulse-Width Modulation) می‌نامیم.

مفهوم چرخه کاری (Duty Cycle) در PWM

چرخه کاری (Duty Cycle) مشخص می‌کند که یک سیگنال دیجیتال در یک دوره تناوب مشخص چه مدت در وضعیت روشن (1) قرار دارد. مقدار چرخه کاری به‌صورت درصد بیان می‌شود:

مثال‌های عددی:

• چرخه کاری 50٪: اگر زمان روشن بودن و خاموش بودن برابر باشد، میانگین توان خروجی 50٪ توان کل خواهد بود.
• چرخه کاری 75٪: اگر سیگنال 75٪ زمان را روشن باشد، میانگین توان خروجی 75٪ خواهد بود.
• چرخه کاری 25٪: در این حالت، تنها 25٪ توان کل منتقل می‌شود.

چرخه کاری بالا باعث افزایش توان خروجی می‌شود، درحالی‌که چرخه کاری پایین توان کمتری تحویل می‌دهد.

فرکانس در PWM و تأثیر آن

بازه فرکانس PWM تعداد دفعاتی است که یک سیگنال روشن و خاموش می‌شود که تأثیر مهمی بر عملکرد PWM دارد:

• فرکانس پایین (1Hz – 100Hz): مناسب برای کاربردهایی که نیاز به تغییرات کند دارند (مثلاً تنظیم نور LED).
• فرکانس بالا (1kHz – 100kHz): مناسب برای کنترل دقیق موتورها و پردازش سیگنال‌های صوتی.

اگر فرکانس خیلی پایین باشد، ممکن است چشم انسان چشمک زدن نور LED را متوجه شود. اما در فرکانس‌های بالا، این تغییرات نامحسوس خواهند شد.

که در آن:

• D = چرخه کاری (به درصد)
• Tₒₙ = مدت زمانی که سیگنال در وضعیت “روشن” است
• Period = کل زمان یک چرخه کامل (Tₒₙ + Tₒff)

فرمول محاسبه ولتاژ میانگین (Vavg):

که در آن:

• Vavg = ولتاژ میانگین سیگنال
• D = چرخه کاری (به صورت اعشاری یا درصد)
• Vmax = حداکثر ولتاژ سیگنال

نتیجه‌گیری:

✅ با افزایش چرخه کاری، ولتاژ میانگین افزایش می‌یابد و بالعکس.
✅ کنترل دقیق چرخه کاری، امکان کنترل دقیق سرعت موتورها، شدت نور LEDها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی را فراهم می‌کند.

فرکانس در PWM

علاوه بر چرخه کاری، فرکانس نیز یکی از اجزای اصلی در تعیین رفتار یک سیگنال PWM است.

تعریف فرکانس

فرکانس، تعداد دفعاتی است که یک سیگنال در هر ثانیه تکرار می‌شود و با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود.

تأثیر فرکانس در PWM

فرکانس موردنیاز به کاربرد موردنظر بستگی دارد. به عنوان مثال:

کنترل نور LED:

• اگر فرکانس پایین باشد (مثلاً 1Hz)، و چرخه کاری 20٪ باشد، چشم انسان می‌تواند خاموش و روشن شدن LED را به وضوح ببیند.
• اما اگر فرکانس را به 100Hz یا بالاتر افزایش دهیم، چشم دیگر خاموش و روشن شدن را تشخیص نمی‌دهد و به‌جای آن، اثر کم‌نور شدن (Dimming) یکنواختی را مشاهده می‌کنیم.

✅ نتیجه‌گیری:
 فرکانس بالا باعث ایجاد اثر یکنواخت‌تر در دستگاه‌هایی مانند LED می‌شود.
 فرکانس مناسب بسته به نوع کاربرد (موتور، LED، بلندگو و غیره) باید انتخاب شود.

کاربردهای PWM

PWM به دلیل سادگی و کارایی بالا، در بسیاری از حوزه‌ها استفاده می‌شود: ✅ کنترل سرعت موتورهای DC و سروو موتورها

• تنظیم دقیق سرعت و گشتاور در انواع موتورها
• کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر موتور ✅ تنظیم روشنایی LED و نمایشگرهای نوری
• کنترل شدت نور در نمایشگرها و چراغ‌های LED
• ایجاد جلوه‌های نوری متنوع مانند کم و زیاد شدن تدریجی نور ✅ ایجاد افکت‌های صوتی در اسپیکرها
• تولید فرکانس‌های مختلف برای کنترل بلندی و کیفیت صدا
• به‌کارگیری در تولید موسیقی دیجیتال و افکت‌های صوتی خاص ✅ انتقال داده در سیستم‌های مخابراتی
• استفاده در مدولاسیون سیگنال‌های ارتباطی برای انتقال اطلاعات
• افزایش کیفیت و پایداری سیگنال‌های مخابراتی ✅ کنترل دما در سیستم‌های گرمایشی و خنک‌کننده
• تنظیم سرعت فن‌های خنک‌کننده در سیستم‌های کامپیوتری و صنعتی
• کنترل المنت‌های گرمایشی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی

✅ PWM به دلیل انعطاف‌پذیری و کارایی بالا، در طیف وسیعی از صنایع و کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.