Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM)

Çeviren  Mete ÇAKIR : Elektrik Mühendisi

Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM ) bir işlemcinin sayısal çıktılarının kontrol edilmesinde kullanılan etkili bir yöntemdir. PWM elektriksel gücün kontrol ve dönüştürülmesinden ölçüm ve iletişime kadar pek çok alanda kullanılır.

Analog Elektronik

Analog bir sinyal, sonsuz bir çözünürlükte ve hem zaman hem de şiddeti sürekli değişen bir değere sahiptir. 9 voltluk bir pil analog bir cihaz kabul edilebilir zira çıkış gerilimi her zaman 9 volt olmayıp sürekli değişmektedir ve herhangi bir zamanda belli değerlere sahiptir. Buna benzer şekilde pilden çekilen akım miktarı sonlu bir değerler öbeğiyle sınırlı olmayacaktır. Analog sinyaller sayısal sinyallerden ayırdedilebilirler çünkü sayısal sinyaller belli değerler öbeğine sahiptir. (0 Volt, 5 Volt vs ..)

Analog gerilim ve akımlar bir araba radyosunun sesini kontrol etmede olduğu gibi doğrudan kontrol sağlayabilirler. Basit bir analog radyoda sesi kısıp yükselten döner düğme değişken bir dirence bağlıdır. Bu düğmeyi çevirdiğinizde direnç yükselir ve alçalır. Bu olurken aynı şekilde akım da azalıp artar. Bu akım değişimi hoparlörlerdeki sürücü akımı değiştirmiş ve sesin büyüklüğünü değiştirmiş olır. Analog devre , radyoda olduğu gibi çıkışı girişiyle doğrusal olarak orantılı değişen devredir.

Analog control her ne kadar ilk bakışta uygun ve basit bir yapıya sahip olsa da her zaman ekonomik yönden cazip ve kullanışlı değildir. Birincisi analog devreler zamanla sürüklenmeye müsait olup bu yüzden de bu devrelerde ince ayar yapılması zordur. Hassas analog devreler şe bu problemin üstesinden gelinebilse de bu çözümler hem çok büyük ve ağır hem de pahalı bir donanım gerektirir. Analog devreler çok fazla ısınmaya maruz kalabilir ve ortaya çıkan bu ısı aktif devre elemanları üzerinden geçen akım ile gerilimin çarpımı kadardır. Analog devreler gürültüye karşı hassastırlar. Sonsuz çözünürlükleri yüzünden bu devrelerdeki akım değeri bu gürültülerden muhakkak etkilenirler.

Sayısal Kontrol

Analog devrelerin sayısal olarak kontrol edilmesi ile , sistem maliye ve güç tüketimleri çok büyük öçüde azaltılabilir. Dahası pek çok işlemci ve DSP donanım, uygulamayı kolaylaştıran “çip üzerine montaj” lı bir PWM kontrolör yapısını zaten üzerinde bulundurmaktadır.

Kısaca ,PWM analog sinyal seviyelerinin sayısal olarak kodlanmasıdır. Yüksek çözünürlüklü sayıcıların kullanımı ile , kare dalga sinyalinin çalışma çevrimi (lojik 1 seviyesinde geçen süre / 1 peryot ) belirli bir analog sinyal seviyesini kodlaması için kiplenir. PWM sinyali herhangi bir zaman aralığı içerisinde halen sayısal olup tüm doğru akım beslemesi o anda ya açık ya da kapalıdır. Gerilim ya da akım kaynağı analog yüke sürekli tekrar eden açık ve kapalı darbeleri ile aktarılarak yük beslenir. Yeterli bir bant genişliği verildiğinde herhangi bir analog sinyal PWM ile kodlanır.

Aşağıdaki şekil değişil PWM sinyallerini göstermektedir. Şekil 1 a yüzde 10 çalışma çevriminde bir çıktıyı gösterir. Yani sinyal peryotun yüzde 10 'unda lojik 1 yüzde 90 ında 0 dır. (lojik 1 : dc akım akıyor, lojik 0 : dc akım akmıyor.).Şekil 1b ve 1c de ise sırası ile %50 ve % 90 çalışma çevrimleri gösterilmektedir. Bu 3 şekle bakarak 9 volt bir beslemeden bahsedecek olursak mesela % 10 çalışma çevriminde analog sinyal seviyesinin 0,9 volt olduğu görülebilir.

                         Şekil 1 Değişken Çalışma Çevrimlerinde PWM İşaretleri

Şekil 2'de PWM kullanarak sürülen bir devre gösterilmiştir. Şekide 9 voltluk bir batarya akkor telli bir lambayı enerjilendirmektedir. Batarya ve lambadan oluşan devre üzerindeki anahtarı 50 ms için kapatırsak bu ikilisi 50 ms için 9 volt bir gerilim altında bulunur.Diğer bir 50 ms için anahtarı açar isek lambaya gerilim uygulanmamış olur. Bu çevrimi bu şekilde sürekli devam ettirir isek, bu besleme veya sürme şekli sanki bataryadan lambaya ortalama 4,5 volt sürekli uygulanıyormuşçasına bir etki gösterir. Bu durumda çalışma çevrimi % 50 olarak verilir.

                                                       Şekil 2: Basit bir PWM devresi

Pek çok yük , endüktif ya da kapasitif olsun 10 hz den çok daha büyük bir frekansa ihtiyaç duyarlar. Lambamızı 5 saniye açık 5 saniye kapalı olacak şekilde sürdüğümüzü düşünelim. Bu durumda çalışma çevrimi % 50 olurken lamba 5 saniye açık 5 saniye kapalı olacaktır. (pratikte gereksiz bir durum olacaktır.)

Lambanın 4,5 volt görebilmesi için , yüke anahtarlama durumunda değişime gösterdiği cevap süresine göre çok daha kısa bir süreye karşılık gelen çalışma süresi uygulanmalıdır. Dimmer lamba etkisinin gerçekleşebilmesi , modülasyon frekansının artırılması ile mümkündür. Bu durum PWM uygulamalarında da geçerlidir. Genel frekans aralığı 1 khz -200 khz dir.

PWM Kontrolörler

Pek çok mikroişlemci üzerinde  PWM kontrolörler bulunmaktadır. Örneğin Microchip PIC16C67 üzerinde her biri  devre-kapalı süresi ve peryot seçme özelliğine sahip   iki adet PWM kontrolör bulunmaktadır. 

Çalışma süresi devre kapalı süresinin toplam çalışma süresine olan oranıdır. Böylelikle çalışma frekansı toplam çalışma süresi (peryot (T)) nin tersidir (1/T). PWM çalışma yapılabilmesi için başlangıçta yazılımın yapması gerekenler hakkında  ürüne ait bilgi kitapçığında :

• Modüle eden kare dalganın, devre üzerindeki zamanlayıcı/sayıcıya ait peryot büyüklüğünü ayarlayabilmesi
• PWM kontrol kütüğü(register)nde ki  devrede-kalma süresini ayarlayabilmesi
• Genel kullanım amaçlı giriş/çıkış bacağı olan PWM çıkışının yönünü ayarlayabilmesi zamanlayıcıyı başlatabilmesi
• PWM kontrolörünü çalıştırabilmesi

şart koşulmaktadır.

Bazı PWM kontrolörler proramlama detaylarında değişkenlik gösterse de temel mantık hepsinde aynıdır.

Haberleşme ve Kontrol

PWM sistemlerinin üstünlükleri arasında, işlemciden kontrol edilen sisteme dek sinyalin tamamen sayısal kalması, böylelikle sayısal analog dönüşümüne gerek kalmaması bulunmaktadır. Sayısal sinyalin korunması sayesinde parazit etkiler minimize edilir. Bir parazit sayısal bir sinyali lojik 1 den sıfıra ya da sıfırdan lojik 1 e çekebiliyor ise etkiliş olabilir.Analogdan ziyade PWM kullanmanın bir diğer faydası parazit bağışıklılığının artırılabilmesidir. Analog sinyalden PWM tekniğine geçiş haberleşme kanalının büyük ölçüde artmasına yol açar. Alıcı tarafta uygun bir RC (direnç-kapasitör) ya da LC (endüktans kapasitans) devre, yükse modülasyon frekansının filtrelenmesi ile asıl sinyalin elde edilmesini sağlar.

PWM pek çok uygulamaya sahiptir. Somut bir örnek olması açısından, PWM kontrollü freni ele alalım. Basitçe , frende uygulanan kuvveti yaratan basınç etkisi analog bir sinyal kullanarak elde edilir. Ne kadar çok voltaj / akım uygulanırsa o kadar çok basınç yani fren kuvveti elde edilir.

PWM kontrolörünün çıkışı kaynak ile devre arasında bulunan bir anahtara etki ettirilir. Daha fazla bir durdurma kuvveti üretebilmek için, yazılım PWM çıkışının çalışma çevrimini  artırmalıdır. Belli bir fren kuvvetinin meydana getirilebilmesi isteniyor ise,çalışma çevirimi ile basınç arasındaki ilişkinin kurulabilmesi amacıyla gerekli matematiksel hesaplamalarda kullanılmak üzere ölçümler yapılmalıdır.(Sonuç olarak elde edilen formül veya tablolarda çalışma sıcaklığı, yüzey aşınması vs hesaba katılmalıdır.)

Meslea frene uygulanacak basınç  100 birim olarak değiştirilir ise  , yazılım gerekli kuvveti oluşturacak çalışma çevrimini ilgili tablodan hesaplayacaktır. Bu sayede PWM kontrolör çalışma çevrimini yeni değerine getirecek fren de aynı şekilde etki edecektir. Sistemde bir algılayıcı bulunur ise çalışma çevrimi istenilen basınç ya da kuvvet elde edilinceye dek, kapalı çevrim kontrolü altında ayara tabi tutulur.

Kısaca PWM tekniği ekonomiktir, hacim ve alandan tasarruf ettirir ve parazit bağışıklığına sahiptir. 

Kaynakça :

://www.barrgroup.com/Embedded-Systems/How-To/PWM-Pulse-Width-Modulation