Darbe genişlik modülasyonu (PWM), mikrodenetleyicilerin sinyalleri yüksek hızda açıp kapatarak gücü kontrol etmek için kullandıkları yöntemdir. LED'lerde, motorlarda, servolarda, ses ve güç sistemlerinde kullanılır. Bu makalede PWM'nin temelleri, görev döngüsü, zamanlayıcı çalışması, modlar, frekans, çözünürlük ve gelişmiş teknikler net ayrıntılarla açıklanmaktadır.
Darbe Genişliği Modülasyonuna (PWM) Genel Bakış
PWM zamanlayıcıları, ayarlanabilir görev döngülerine sahip dijital darbe sinyalleri üreten mikro denetleyicilerin içindeki yerleşik donanım modülleridir. Mikrodenetleyici, işlem gücünü tüketen ve zamanlama titreşimi riski taşıyan pinleri değiştirmek için yazılıma güvenmek yerine, bu işi donanım zamanlayıcısına aktarır. Bu, CPU'yu diğer görevleri yerine getirmesi için serbest bırakırken doğruluğu korumasına olanak tanır. Sonuç, verimli çoklu görev, azaltılmış gecikme süresi ve motor kontrolü, LED karartma, ses modülasyonu ve sinyal üretimi gibi gerçek uygulamalarda daha iyi performanstır. PWM'nin verimliliği ve hassasiyeti, onu modern gömülü sistemlerin omurgası haline getirerek dijital kontrol ile analog davranış arasındaki boşluğu dolduruyor.
Darbe Genişliği Modülasyonu Görev Döngüsü
Dalga formu, 0V ile 5V arasında geçiş yapan tekrar eden bir sinyal gösterir. Süre, bir tam döngünün süresini temsil eden 10 ms olarak işaretlenmiştir. Bu süre içinde sinyal, darbe genişliği olarak bilinen 5 ms boyunca yüksek (3V) kalır. Görev döngüsü daha sonra yüksek sürenin toplam süreye oranı olarak hesaplanır ve bu durumda %30 verir. Bu, sinyalin döngü başına zamanın yalnızca %30'unda güç sağladığı anlamına gelir. Frekans ayrıca 1 ÷ 10 ms = 100 Hz olarak hesaplanan periyottan türetilir.
Mikrodenetleyici Zamanlayıcılarında Görev Döngüsü Hesaplaması
Görev döngüsü bize, dalga formunun tam döngüsüne kıyasla bir sinyalin toplam sürenin ne kadarının açık olduğunu söyler. Bir mikrodenetleyicide bu önemlidir çünkü her döngüde bir cihaza ne kadar güç gönderileceğine karar verir.
Bunu hesaplamak için basit bir formül kullanırsınız: Görev Döngüsü (%) = (Darbe Genişliği ÷ Periyodu) × 100. Sinyal aktif YÜKSEK ise, görev döngüsü, sinyalin YÜKSEK kaldığı sürenin kesridir. Sinyal aktif DÜŞÜK ise, görev döngüsü DÜŞÜK kaldığı sürenin oranıdır.
Darbe Genişliği Modülasyon Zamanlayıcısı
Bu resim, voltaj çıkışını bir sayaca bağlayarak bir PWM zamanlayıcının nasıl çalıştığını gösterir. Sayaç tekrar tekrar 0'dan 9'a kadar sayar, ardından sıfırlanarak sinyalin periyodunu oluşturur. Sayaç ayarlanmış bir eşleşme değerine ulaştığında (burada, 2), çıktı yükselir ve sayaç taşana kadar yüksek kalır, bu da darbe genişliğini tanımlar. Taşma noktası döngüyü sıfırlayarak yeni bir dönem başlatır.
Zamanlayıcı, çıkışın ne zaman açılacağını (eşleşeceğini) ve ne zaman sıfırlanacağını (taşma) kontrol ederek görev döngüsünü belirler. Eşleşme değerinin ayarlanması, yüksek sinyalin genişliğini değiştirerek PWM'nin bir yüke ne kadar güç sağladığını doğrudan kontrol eder.
Kenar Hizalı ve Merkeze Hizalı PWM Modları
Kenar Hizalama Modu
Kenar hizalı PWM'de, sayaç yalnızca sıfırdan belirli bir maksimuma kadar sayar ve anahtarlama döngünün başında veya sonunda gerçekleşir. Bu, çoğu mikrodenetleyici ve zamanlayıcı bunu yerel olarak desteklediğinden, uygulamayı basit ve oldukça verimli hale getirir. Tüm anahtarlama kenarları periyodun bir tarafına hizalandığından, eşit olmayan akım dalgalanmasına ve daha yüksek elektromanyetik girişime (EMI) yol açabilir.
Ortaya Hizalanmış (Faz Düzeltme) Modu
Merkeze hizalanmış PWM'de, sayaç her döngüde yukarı ve sonra tekrar aşağı sayar. Bu, anahtarlama kenarlarının dalga formunun merkezi etrafında dağıtılmasını sağlayarak daha dengeli bir çıkış oluşturur. Simetri, harmonikleri, motorlardaki tork dalgalanmasını ve güç sistemlerindeki EMI'yi azaltır. Frekans kullanımı açısından biraz daha karmaşık ve daha az verimli olmasına rağmen, çok daha temiz çıktı kalitesi sağlar.
Doğru PWM Frekansını Seçmek
• LED karartma, görünür titremeyi ortadan kaldırmak için 200 Hz'in üzerindeki frekansları gerektirirken, ekran arka aydınlatması ve yüksek kaliteli aydınlatma sistemleri, insan algısının ötesinde kalmak ve gürültüyü en aza indirmek için genellikle 20-40 kHz kullanır.
• Elektrik motorları en iyi 2–20 kHz arasındaki PWM frekanslarında çalışır ve anahtarlama kayıplarını tork düzgünlüğü ile dengeler; Daha düşük değerler daha yüksek görev döngüsü çözünürlüğü sağlarken, daha yüksek değerler duyulabilir gürültüyü ve dalgalanmayı azaltır.
• Standart hobi servoları, açısal konumu frekansın değil darbe genişliğinin belirlediği 50 Hz (20 ms'lik periyot) civarındaki sabit kontrol sinyallerine dayanır.
• Ses üretimi ve dijitalden analoğa dönüştürme, paraziti önlemek ve sinyallerin temiz filtrelenmesine izin vermek için duyulabilir spektrumun çok üzerinde, 22 kHz'in üzerinde PWM gerektirir.
• Güç elektroniğinde frekans seçimi genellikle verimlilik, anahtarlama kayıpları, elektromanyetik girişim ve spesifik yükün dinamik tepkisi arasında gidip gelir.
PWM Çözünürlüğü ve Adım Boyutu
Çözünürlük (adımlar)
Ayrık görev döngüsü seviyelerinin sayısı, zamanlayıcının dönem sayısı (N) ile ayarlanır. Örneğin, bir sayaç 0 ile 1023 arasında çalışıyorsa, bu 1024 farklı görev döngüsü adımı verir. Daha yüksek sayımlar, çıktının daha hassas kontrolü anlamına gelir.
Bit derinliği
Çözünürlük genellikle log₂(N) olarak hesaplanan bit cinsinden ifade edilir. 1024 adımlı bir sayaç 10 bit çözünürlüğe, 65536 adımlı bir sayaç ise 16 bit çözünürlüğe karşılık gelir. Bu, görev döngüsünün ne kadar hassas bir şekilde ayarlanabileceğini tanımlar.
Zaman adımı
Sistem saati, 1 ÷ fClock'a eşit olan en küçük artışı belirler. Daha yüksek saat hızları, daha kısa sürelere ve daha yüksek PWM frekanslarına izin verirken aynı zamanda iyi çözünürlüğü korur.
Takaslar
Çözünürlüğü artırmak, daha fazla zamanlayıcı sayısı gerektirir ve bu da belirli bir saat için maksimum PWM frekansını düşürür. Tersine, daha yüksek frekanslar mevcut çözünürlüğü azaltır.
PWM Ön Ölçekleyici ve Periyot Kurulum Örneği
| Adım | Hesaplama | Sonuç | Açıklama Detayları |
|---|---|---|---|
| MCU saati | - | 24 MHz | Zamanlayıcıyı çalıştıran temel frekans. |
| Ön ölçekleyiciyi uygulayın ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Zamanlayıcı saati, yönetilebilir bir sayma aralığına düşürüldü. |
| Zamanlayıcı periyodu | 3 MHz × 0,020 sn | 60.000 sayım | Otomatik yeniden yükleme/periyot kaydının 60.000 olarak ayarlanması 20 ms'lik bir çerçeve verir. |
| Tik başına çözünürlük | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Her zamanlayıcı artışı \~0,33 mikrosaniyeye eşittir. |
| Servo darbe kontrolü | 1–2 ms darbe genişliği = 3000–6000 tik | 20 ms çerçeve içinde düzgün açısal kontrol sağlar. | - |
Gelişmiş PWM Kanal Teknikleri
Ölü Zaman Ekleme
Ölü zaman, yarım köprü veya tam köprü devresinde tamamlayıcı transistörlerin anahtarlanması arasına eklenen küçük, kontrollü bir gecikmedir. Bu olmadan, hem yüksek hem de alçak taraftaki cihazlar anlık olarak aynı anda iletim yapabilir ve bu da geçiş olarak bilinen bir kısa devreye neden olabilir. Donanım, birkaç on veya yüzlerce nanosaniyelik ölü zaman ekleyerek güvenli geçişler sağlayarak MOSFET'leri veya IGBT'leri hasardan korur.
Tamamlayıcı Çıktılar
Tamamlayıcı çıkışlar, birbirinin mantıksal zıttı olan iki sinyal üretir. Bu, özellikle bir transistörün diğeri açıldığında tam olarak kapanması gereken itme-çekme devrelerinde, motor sürücülerinde ve invertör aşamalarında kullanışlıdır. Tamamlayıcı PWM çiftlerinin kullanılması sürücü devresini basitleştirir ve simetri sağlayarak verimliliği artırır ve bozulmayı azaltır.
Senkron Güncellemeler
Birden fazla PWM kanalına sahip sistemlerde, senkron güncellemeler tüm çıkışların aynı anda yenilenmesini sağlar. Bu özellik olmadan, küçük zamanlama uyumsuzlukları (çarpıklık) meydana gelebilir ve bu da düzensiz çalışmaya yol açabilir. Üç fazlı motor sürücülerinde veya çok fazlı dönüştürücülerde senkronize PWM denge, sorunsuz performans ve azaltılmış elektromanyetik parazit sağlar.
Çapraz Tetikleme
Çapraz tetikleme, zamanlayıcıların birbirleriyle etkileşime girmesini sağlar, böylece bir PWM olayı başka bir zamanlayıcıyı başlatabilir, sıfırlayabilir veya ayarlayabilir. Bu özellik, gelişmiş kontrol sistemlerinde güçlüdür ve birden fazla sinyalin hassas koordinasyonuna olanak tanır. Uygulamalar arasında kanallar arasındaki zamanlama ilişkilerinin kritik olduğu kademeli motor sürücüleri, aralıklı güç dönüştürücüler ve senkronize sensör örneklemesi yer alır.
PWM Sinyalleri ile Servo Hareketi
| Darbe Genişliği | Servo Hareketi |
|---|---|
| \~1.0 ms | Tam sola döner veya tam hızda saat yönünde döner |
| \~1,5 ms | Ortada kalır veya hareket etmeyi durdurur |
| \~2.0 ms | Tam hızda tamamen sağa döner veya saat yönünün tersine döner |
Sonuç
PWM, dijital sistemlerin analog cihazları doğruluk ve verimlilikle kontrol etmesini sağlayan ana araçtır. Görev döngülerini, zamanlayıcı kurulumunu, frekans seçimlerini, çözünürlük ödünleşimlerini ve ölü zaman veya gama düzeltmesi gibi gelişmiş yöntemleri öğrenerek güvenilir sistemler tasarlayabilirsiniz. PWM, aydınlatma, hareket, ses ve güç uygulamalarında modern elektronikleri desteklemeye devam ediyor.
Sıkça Sorulan Sorular (SSS]
PWM güç verimliliğini artırır mı?
Evet. PWM, cihazları tamamen AÇIK veya KAPALI konuma getirerek analog voltaj kontrolüne kıyasla ısı kaybını en aza indirir.
PWM elektromanyetik girişim (EMI) yaratır mı?
Evet. Hızlı anahtarlama, EMI'ye neden olan harmonikler üretir. Merkeze hizalanmış PWM bunu azaltır ve filtreler gürültüyü bastırmaya yardımcı olur.
Neden PWM'li alçak geçiren filtre kullanmalısınız?
Alçak geçiren filtre, kare dalgayı ses, analog çıkışlar ve sensör simülasyonu için yararlı olan ortalama bir DC voltajına dönüştürür.
PWM ısıtma elemanlarını kontrol edebilir mi?
Evet. Isıtıcılar yavaş tepki verir, bu nedenle düşük PWM frekansları (10–100 Hz) bile sabit sıcaklık kontrolü sağlar.
Faz kaydırmalı PWM ne için kullanılır?
Çok fazlı dönüştürücülerde ve motor sürücülerinde yaygın olan akım artışlarını azaltmak ve yükleri dengelemek için kanallar arasında zamanlamayı değiştirir.
Mikrodenetleyiciler PWM titreşimini nasıl önler?
Çift arabellekli kayıtlar ve senkronize güncellemeler kullanırlar, böylece görev döngüsü değişiklikleri her döngünün başında temiz bir şekilde uygulanır.