Darbe genişlik modülasyonu (PWM), elektronik sinyallerin etkin çıkışını, bunları sabit bir frekansta hızlı bir şekilde değiştirerek ayarlayan bir güç kontrol tekniğidir. Dijital sinyal kaynağı, "İletim" süresinin toplam döngüye oranını ayarlayarak sürekli değişen analog voltaj seviyelerini simüle edebilir, böylece yüke sağlanan ortalama enerjiyi kontrol edebilir.
Daha genel anlamda modülasyon teknolojisi, devrelerin veya sistemlerin davranışını etkilemek için elektrik dalga formunu değiştirmeyi veya bilgiyi bir elektrik dalga formuna kodlamayı ifade eder. Pratik elektronik ürünlerde bu, sinyalin veri iletebilmesini veya cihaza ulaşan voltajın veya akımın büyüklüğünü yönetebilmesini sağlayacak şekilde şekillendirilmesi anlamına gelir. Bu prensip, motor sürücüleri, aydınlatma karartma, ses sistemlerinin yanı sıra güç dönüştürme veya pil şarj devrelerinde yaygın olarak uygulanmaktadır.
Her ne kadar PWM, genlik modülasyonu (AM) ve frekans modülasyonu (FM), genlik veya frekansın sinyal algısını kontrol etmeye yönelik ana stratejiler olsa da, bu makale özellikle PWM'yi tartışacaktır.
PWM Temelleri - Görev Döngüsü ve Anahtarlama Frekansı
Daha önce de belirtildiği gibi PWM, yüke iletilen etkin voltajı ve akımı ayarlayarak dalga formları oluşturur. Bu, tamamen açık ve tamamen kapalı durumlar arasında geçiş yapmak için anahtarlama cihazlarının (genellikle transistörler) hızlı bir şekilde çalıştırılmasıyla elde edilir. Her durumda anahtarlama cihazının tutma süresini değiştirerek sistem, yüksek seviyeli ve düşük seviyeli aralıkların göreceli süresi boyunca bilgiyi kodlar.
Aslında PWM, cihazın her anahtarlama döngüsünde tam güç kaynağı voltajı elde etmesi için gereken süreyi değiştirerek net elektrik gücünü sınırlar. 'İletim süresini' arttırmak ortalama çıkış voltajını artıracak, 'iletim süresini' azaltmak ise yükün etkin voltaj seviyesini düşürecektir. Bu davranış iki ana parametreyle açıklanabilir: görev döngüsü ve anahtarlama frekansı.
Görev döngüsü, bir sinyalin tam bir dalga biçimi döngüsü içinde aktif veya yüksek seviye durumunda olduğu sürenin oranını temsil eder. Bu oran genellikle yüzde (%) olarak ifade edilir ve her döngü sırasında çıkışın ne kadar süre açık (etkili) durumda kaldığını gösterir. Örneğin, dijital dalga formu 3 milisaniye boyunca yüksek seviyeyi ve 1 milisaniye boyunca düşük seviyeyi korursa, toplam süre 4 milisaniye, görev döngüsü %75 ve karşılık gelen anahtarlama frekansı 250 Hz olur.
Görev döngüsü, darbeyle enerji verilen her bölümün süresini doğrudan belirlediğinden, görev döngüsünün değiştirilmesi, gerçek güç kaynağı voltajını değiştirmeden yüksek seviyeli zamanın düşük seviyeli zamana oranını değiştirerek yüke iletilen etkin gücü kontrol edebilir. Birçok sistemde voltaj ve frekans sabit parametrelerdir ve görev döngüsü ayarlanabilir ana kontrol değişkenidir. PWM ile çalıştırılan ısıtma elemanları gibi uygulamalarda görev döngüsünün izlenmesi, sistem tarafından sağlanan beklenen güç seviyesinin belirlenmesinde güvenilir bir gösterge olarak da hizmet edebilir.
Anahtarlama sıklığı, bir olayın belirli bir zaman dilimi içinde kaç kez tekrarlandığını tanımlar. Burada, PWM sinyalini çalıştıran anahtarlama cihazının saniyede gerçekleştirdiği "açma-kapama" çevrimlerinin sayısını ifade eder. Bu frekans Hertz (Hz) cinsinden ölçülür ve tüm çalışma döngüsü boyunca güç seviyesinin döngü hızını temsil eder.
Yükün beklenen performansını sağlamak için uygun bir PWM anahtarlama frekansının seçilmesi gerekir. Belirli bir uygulama için frekans ayarı çok yüksekse, röleler veya belirli aktüatör türleri gibi mekanik bileşenler hızlı anahtarlama hızına ulaşamayabilir ve bu da erken arızaya neden olabilir. Aksine, düşük anahtarlama frekansının gürültü, titreşim veya kontrollü cihazların kararsızlığı gibi olumsuz etkileri olabilir. Örneğin, motorları sürmek için nispeten düşük frekanslar kabul edilebilir olsa da, LED'ler gibi katı hal yükleri, titreme olmadan sorunsuz bir şekilde çalışmak için tipik olarak önemli ölçüde daha yüksek anahtarlama frekanslarına ihtiyaç duyar.