Pulse Width Modulation (Darbe genişlik modülasyonu )
PWM üretilecek olan darbelerin, genişliklerini kontrol ederek, çıkışta üretilmek istenen analog elektriksel değerin veya sinyalin elde edilmesi tekniğidir.
Üretilen kare dalga darbe sinyallerinin genişliklerinin oratalaması, çıkışta üretilecek olan analog değerin elde edilmesini sağlar.
PWM’in en önemli avantajlarından birisi sayılsal’dan analog’a dönüştürme işlemini oldukça basit bir yapı ile sağlamasıdır.
Burada darbe genişlik sinyali değiştiğinde, lambanın ışık şiddeti de değişecektir. PWM ile üretilebilecek olan çeşitli oranlar aşağıda verilmiştir. Bu sayede mikro denetleyici tarafından kontrol edilen basit bir analog sistem elde edilmiş olur.
Elbette üretilen siyalin frekansıda göz ardı edilmemelidir. Çok düşük bir frekans ile üretilen darbe sinyalleri ve bunlarla kontrol edilen bir lambada, lambanın yanma ve sönme zamanları hissedilebilecektir. Bu durum size ışığın şiddetinin değişikliğinden daha çok, titreme şeklinde görünecektir.
Bunu engellemek için anahtarlama frekansı yükseltilmelidir. Genellikle uygulamalarda, 1kHz – 200kHz arasındaki frekanslarda çalışılır. LCD flouresan devrelerinde frekans yüksektir ve titreme hissedilemez.
PWM Tekniğinin Prensipleri
PWM tekniğinin temeli kare dalga üretmekte yatıyor. Bu kare dalga da genellikle referans olarak aldığı dalganın ortalaması kadar büyüklüğe sahip oluyor. Bunun yanı sıra sistemdeki dalganın büyüklüğü ise görev döngüsünün büyüklüğü ile doğru orantılıdır.
PWM dalgasını elde etme yöntemlerinden bazıları
Delta: Delta modülasyonlu PWM sinyali, integral alıcı ve limitleyici devre yapıları ile elde edilir. İntegral sonucunun limitlere değmesi “off”, diğer durumlarda “on” durumu oluştuğu için kare dalga oluşur.
Sigma – Delta: Bu modülasyonda ise çıkış sinyali, referans alınan sinyalden çıkartılır. Böylece hata sinyali elde edilmiş olur. Hata sinyalinin integralinin sonucuna göre eğer limite değiyorsa “off”, değmiyorsa “on” durumu oluşturularak kare dalga elde edilir.
Boşluk – Vektör: 3 fazlı AC uygulamalar için algoritma kullanılarak kare dalga elde edilir.
Direkt Tork Kontrol (DTC): AC motorlarda kullanılmak üzere geliştirilen bir PWM tekniğidir. Delta modülasyon tekniğinden üretilmiştir. Motora gönderilen sinyal belirli bir filtreden geçirilir ve motorun torku ile manyetik akı kontrol altında tutulur.
Zaman Bölücü: Özellikle mikroişlemcilerin PWM çıkışları tarafından kullanılırlar. Değişken görev döngüsüne sahip devrelerde de kullanılabilirler.
PWM Uygulama Alanları
Haberleşme Sistemleri:
Telekomünikasyon sistemlerinde sinyallerin önemi çok büyük ve bu sinyallerin kontrol edilmesi ve modülasyon tekniğine uygun olması gibi kabiliyetler de çok önemli. “0” ve “1”lerden oluşan lojik haberleşme devrelerinde kare dalga ve PWM en sık kullanılan 2 unsur olarak görülüyor.
Güç Aktarımı ve Elektrik Makineleri:
Güç kontrolü ve aktarılan güç miktarının ayarlanması da elektrik-elektronik dünyasında önemli unsurların başında geliyor. Yüksek frekanslı devrelerde PWM sinyal kontrolü sayesinde bu durum gerçekleşebiliyor.
Çeşitli devre yapılarına göre MOSFET veya IGBT kullanılabilirken giriş gücünü ayarlamak için de Varyak kullanılabiliyor. Ancak bazı devrelerde ise bu elemanlar istenilen fonksiyonu yerine getiremediğinde PWM kontrolüne başvuruluyor. Özellikle motor devir kontrolü için PWM tekniği sık sık karşımıza çıkıyor.
Voltaj Regülatör Devreleri:
Voltaj regülatör devrelerinde de PWM tekniğine başvurulabilir. Uygun görev döngüsüne anahtarlama yaparak voltajı kesme ve düzenleme işlemleri ile regüle edebilen PWM tekniği sonucunda bir takım elektronik gürültü oluşuyor. Ancak LC filtre ile bu durumu aşmak mümkün.
Ses Efektleri ve Yükselticiler:
Osilatörler ile birlikte bazı ses efektlerini elde etmek için PWM tekniği kullanılabiliyor. Aynı zamanda yükseltici devrelerinde ve amfilerde kontrol amacıyla da PWM tekniğine başvuru yapılabiliyor.
Diğer Elektriksel Alanlar:
Güneş enerji sistemlerinde ve rüzgar enerjisi sistemlerinde kullanılan mikro inverterlerin dizaynları PWM tekniğine uygun olarak gerçekleştirilir. Aynı zamanda PWM sinyali FET tipi transistörlere iletilir. Ayrıca PWM tekniği robotik devrelerde ve servo motor devrelerinde yine kontrol amacıyla kullanılabilir.
Sık Sorulan Sorular
PWM nedir ?
PWM (Darbe Genişlik Modülasyonu veya Pulse Width Modulation ) Dijital sinyalleri çok hızlı bir şekilde açıp kapatarak analog cihazlara güç aktarılmasını sağlayan bir kontrol tekniğidir
PWM Sinyali Nedir?
PWM sinyali, iki ana parametreye sahiptir: frekans ve darbe genişliği. Frekans, PWM sinyalinin ne kadar sıklıkla tekrarladığını belirtirken, darbe genişliği sinyalin “açık” olduğu süreyi ifade eder. Darbe genişliği, yüzde (%) cinsinden ifade edilir. Örneğin, %50 darbe genişliğine sahip bir PWM sinyali, her döngüde yarı süre boyunca açıktır.
PWM’nin Avantajları nelerdir?
PWM, birçok avantaj sunan etkili bir kontrol yöntemidir:
Enerji Verimliliği: PWM, güç kontrolünde daha yüksek verimlilik sağlar. Motorlar ve diğer yükler üzerinde, güç kayıplarını en aza indirerek enerji tasarrufu yapar.
Hassas Kontrol: PWM, hızlı ve hassas kontrol imkanı sunar. Bu özellik, özellikle motor hız kontrolü ve aydınlatma sistemlerinde büyük bir avantaj sağlar.
Düşük Isı Üretimi: PWM, sürekli bir güç kaynağına kıyasla daha az ısı üretir. Bu, özellikle güç elektroniği uygulamalarında önemli bir faktördür.
Düşük Maliyet: PWM devreleri genellikle daha düşük maliyetli ve daha az karmaşık tasarımlar gerektirir.
PWM Temel Çalışma Mantığı Nedir ?
Kare Dalga: Sinyal sabit bir frekansta sürekli “AÇIK” (HIGH) ve “KAPALI” (LOW) durumları arasında geçiş yapar.
Görev Döngüsü (Duty Cycle): Sinyalin bir periyot boyunca ne kadar süre “AÇIK” kaldığının yüzde cinsinden ifadesidir. Örneğin; %50 görev döngüsü, sinyalin yarı yarıya açık ve kapalı olduğu anlamına gelir.
Ortalama Güç: Açık kalma süresi uzadıkça cihaza iletilen ortalama enerji artar; açık kalma süresi kısaldıkça enerji düşer. İnsan gözü veya mekanik sistemler bu çok hızlı geçişleri yakalayamadığı için sonuçta düz bir analog etki görülür.
PWM Yaygın Kullanım Alanları Nelerdir ?
Motor Hız Kontrolü: DC veya fırçasız motorların hızını ve torkunu ayarlamak.
LED Parlaklık Ayarı: LED’lerin ışık şiddetini titreşim yaratmadan kısmak veya açmak.
Bilgisayar Fanları: Anakartların, Corsair gibi markaların 4-pinli fanlarının hızını sıcaklığa göre dinamik kontrol etmesi.
Güç Kaynakları ve Sürücüler: Enerji kaybını ve ısı üretimini en aza indirerek verimli voltaj regülasyonu sağlamak
