ממירים, ממירים, מעגלי SMPS ובקרי מהירות…. דבר נפוץ בכל המעגלים הללו הוא שהוא מורכב ממתגים אלקטרוניים רבים בתוכו. מתגים אלה אינם אלא מכשירים אלקטרוניים חשמליים כמו MOSFET, IGBT, TRIAC וכו 'על מנת לשלוט על מתגים אלקטרוניים חשמליים כאלה אנו משתמשים בדרך כלל במשהו הנקרא אותות PWM (Modulation Width Modulation). מלבד זאת, אותות PWM משמשים גם להנעת מנועי סרוו וגם למשימות פשוטות אחרות כמו שליטה על בהירות הנורית.
במאמר הקודם למדנו על ADC, בעוד ש- ADC משמש לקריאת אותות אנלוגיים על ידי מכשיר דיגיטלי כמו מיקרו-בקר. PWM יכול להיחשב כהיפך ממנו, PWM משמש לייצור אותות אנלוגיים ממכשיר דיגיטלי כמו מיקרו-בקר. במאמר זה נלמד מה הם אותות PWM, PWM וכמה פרמטרים המשויכים אליו, כך שנהיה בטוחים להשתמש בהם בתכנונים שלנו.
מהו PWM (Modulation Width Modulation)?
PWM מייצג אפנון רוחב דופק; ניכנס לסיבה לשם כזה בהמשך. אבל, בינתיים להבין את ה- PWM כסוג של אות שניתן להפיק מ- IC דיגיטלי כמו מיקרו-בקר או טיימר 555. האות המופק כך יכלול רכבת פולסים ופולסים אלה יהיו בצורת גל מרובע. כלומר, בכל רגע נתון של זמן הגל יהיה גבוה או יהיה נמוך. כדי להקל על ההבנה הבה נבחן אות PWM 5V, במקרה זה אות PWM יהיה 5V (גבוה) או בגובה הקרקע 0V (נמוך). משך הזמן בו האותות נשארים גבוה נקרא " בזמן " ומשך הזמן בו האות נשאר נמוך נקרא " זמן ההפסקה ".
עבור אות PWM עלינו לבחון שני פרמטרים חשובים המשויכים אליו האחד הוא מחזור החובה של PWM והשני הוא תדר ה- PWM.
מחזור חובה של ה- PWM
כפי שנאמר קודם, אות PWM נשאר למשך זמן מסוים ואז נשאר מחוץ למשך שארית התקופה. מה שהופך את אות ה- PWM הזה למיוחד ושימושי יותר הוא שנוכל להגדיר כמה זמן הוא אמור להישאר על ידי שליטה על מחזור החובה של אות ה- PWM.
אחוז הזמן בו אות ה- PWM נשאר HIGH (בזמן) נקרא כמחזור חובה. אם האות תמיד פועל הוא במחזור חובה של 100% ואם הוא תמיד כבוי הוא מחזור חובה של 0%. הנוסחאות לחישוב מחזור החובה מוצגות להלן.
מחזור עבודה = הפעל זמן / (הפעל זמן + כיבוי זמן)
התמונה הבאה מייצגת אות PWM עם מחזור חובה של 50%. כפי שאתה יכול לראות, בהתחשב בפרק זמן שלם (בזמן + זמן הפסקה) אות ה- PWM נשאר דולק רק 50% מתקופת הזמן.
תדר = 1 / תקופת זמן תקופת זמן = זמן זמן + זמן כיבוי
בדרך כלל אותות ה- PWM הנוצרים על ידי המיקרו-בקר יהיו סביב 500 הרץ, תדרים גבוהים כאלה ישמשו בהתקני מיתוג מהירים כמו ממירים או ממירים. אך לא כל היישומים דורשים תדירות גבוהה. לדוגמא כדי לשלוט על מנוע סרוו אנו צריכים לייצר אותות PWM בתדר 50 הרץ, כך שתדר של אות PWM נשלט גם על ידי תוכנית לכל המיקרו-בקרים.
כמה שאלות שעולות לרוב על PWM
מה ההבדל בין מחזור החובה לתדירות של אות PWM?
מחזור החובה והתדירות של אותות PWM מתבלבלים לעיתים קרובות. כידוע, אות PWM הוא גל מרובע עם זמן מסוים וזמן. סכום זה בזמן ובזמן הפסקה נקרא כתקופת זמן אחת. ההיפוך של תקופת זמן אחת נקרא תדירות. משך הזמן שאות PWM אמור להישאר דולק בפרק זמן אחד נקבע לפי מחזור החובה של ה- PWM.
במילים פשוטות, כמה מהר אמור להפעיל ולכבות את אות ה- PWM נקבע על ידי תדר אות ה- PWM ובמהירות זו כמה זמן שאות ה- PWM צריך להישאר מופעל נקבע על ידי מחזור החובה של אות ה- PWM.
כיצד להמיר אותות PWM למתח אנלוגי?
ליישומים פשוטים כמו בקרת מהירות של מנוע DC או התאמת בהירות של נורית LED עלינו להמיר את אותות ה- PWM למתח אנלוגי. ניתן לעשות זאת בקלות על ידי שימוש במסנן RC ונמצא בשימוש נפוץ במקום בו נדרשת תכונת DAC. המעגל עבור אותו מוצג להלן
בגרף המוצג לעיל, הצבע הצהוב הוא אות ה- PWM והצבע הכחול הוא המתח האנלוגי המוצא. ניתן לחשב את ערך הנגד R1 והקבל C1 בהתבסס על תדר אות ה- PWM, אך בדרך כלל משתמשים בנגד 5.7K או 10K ובקבל 0.1u או 1u.
כיצד לחשב את מתח המוצא של אות ה- PWM?
מתח המוצא של אות PWM לאחר המרתו לאנלוגי יהיה אחוז מחזור העבודה. לדוגמא אם מתח ההפעלה הוא 5 וולט אז גם לאות ה- PWM יהיה 5 וולט כשהוא גבוה. במקרה כזה עבור מחזור עבודה של 100% מתח המוצא יהיה 5 וולט עבור מחזור עבודה של 50% הוא יהיה 2.5 וולט.
מתח יציאה = מחזור עבודה (%) * 5
דוגמאות:
בעבר השתמשנו ב- PWM עם מיקרו-בקר שונים ברבים מהפרויקטים שלנו:
- אפנון רוחב הדופק עם ATmega32
- PWM עם Arduino Uno
- יצירת PWM באמצעות מיקרו-בקר PIC
- מדריך PWM של פטל פי
- בקרת מנוע סרוו עם פטל פי
- אפנון רוחב הדופק (PWM) באמצעות MSP430G2
- אפנון רוחב הדופק (PWM) ב- STM32F103C8
- בקרת מנוע סרוו עם פטל פי
- בקרת מנוע DC עם פטל פי
- דימר לד 1 וואט
- דימר LED מבוסס Arduino באמצעות PWM
בדוק עוד את כל הפרויקטים הקשורים ל- PWM כאן.