Elektronik, sinyal işleme veya kare dalga dendiğinde genelde akıllara ilk olarak PWM (Pulse Width Modulation) tekniği gelir. Modülasyon işlemi gerçekleştiren bu tekniğin asıl amacı cihazlara verilen elektriğin gücünü kontrol altında tutmaktır. Peki bu teknik ne işe yarar? Nerelerde kullanılır?
Açılımı Pulse Width Modulation yani Sinyal Genişlik Modülasyonu olan bu teknik, sinyal işleme veya sinyal aktarma gibi daha çok elektronik devrelerin yanı sıra Arduino veya elektrik makineleri gibi özel uygulama alanlarında da yer alan bir tekniktir.
En basit haliyle bir sinyal modülasyon tekniği olarak tanımlanabilir. Sinyal bilgisinin aktarım için uygun hale çevirilmesi amacının yanı sıra güç kontrolü sağlamak ve elektrik makineleri, güneş pili şarj üniteleri gibi özel devrelere destek olmak amacı da taşır.
Bu kontrolde tamamen anahtarlama ile sağlanır. Anahtarlama ne kadar hızlı yapılırsa, PWM ile aktarılan sinyalin gücü o kadar da artar. Örneğin bir lambaya gönderilen sinyalde PWM tekniğine ihtiyaç duyuluyorsa, bu teknik 120 Hz frekans değerinde uygulandığında maksimum verim elde edilebilir.
"Duty Cycle" yani görev döngüsü olarak tanımlanan bir kavram bulunuyor ve PWM tekniğinde de sıkça karşımıza çıkıyor. Görev döngüsü kavramı aslında yapılan işlemin periyodunu belirtiyor. Bu döngü düşük seviyelerde ise aktarılan güç düşük olurken, döngünün yüksek seviyelerinde yüksek güç aktarılıyor.
PWM Tekniğinin Avantajları
Peki PWM tekniği ile sinyallere işlemler uygulamanın avantajı ne? Öncelikle anahtarlama kaybı düşük seviyede. Anahtar kapalı olduğunda pratik olarak hiç akım akmıyor iken, anahtar açık olduğunda anahtar üzerindeki gerilim düşümü yok denecek kadar az.
Bu sayede güç kaybının az olmasının yanı sıra, PWM tekniği dijital kontrol üniteleri ile büyük bir uyum içerisinde. Sistem, açık-kapalı anahtarlama değişimlerine bu sayede çok daha rahat uyum sağlayabiliyor.
Ayrıca iletişim ve haberleşme teknolojilerinde kullanılan sinyallerin görev döngüleri ile ilgili düzenlemelerde de PWM tekniği sık sık kullanılıyor. Böylece kanal üzerinde çeşitli ayarlamalar ile istenilen sinyaller elde edilebiliyor.
Arduino ve PWM
Arduino bünyesinde de PWM tekniği kullanılabiliyor. Arduino bünyesinde kullanılan PWM tekniği ile dijital sonuçlardan analog sonuçlar elde edilebiliyor. Bunun yanı sıra özellikle kontrol için ihtiyaç olan kare dalga üretimi de gerçekleşiyor. Kare dalga, bilindiği gibi "on" ve "off" konumlarını sağlıyor.
Böylece kare dalga gönderildiğinde "on" konumunda 5V uygulanırken, "off" konumunda 0V uygulanmış oluyor. İşte bu "on" kısmının aktif olduğu genişliğe "Pulse Width" yani "Sinyal Genişliği" adı veriliyor. Bu doğrultuda istenilen sinyal genişliği elde etmek için de modülasyon tekniği uygulamanız gerekiyor ki bu da PWM'in temel mantığıdır.
Arduino ile yanıp sönen bir LED devresi kurmak veya Arduino ile DC motor kontrolü gerçekleştirmek için PWM tekniğini kullanmamız gerekiyor. Bu teknik de Arduino'ya gömülen yazılımda yatıyor. "analogWrite(...)" fonksiyonu ile görev döngüsünün miktarı belirleniyor ve kare dalga elde ediliyor.
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 etmenin birden fazla yöntemi bulunuyor. Bunları listelersek:
♦ 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.
Kaynak:
► Wikipedia
► Arduino
► Embedded
► ElektrikPort
Açılımı Pulse Width Modulation yani Sinyal Genişlik Modülasyonu olan bu teknik, sinyal işleme veya sinyal aktarma gibi daha çok elektronik devrelerin yanı sıra Arduino veya elektrik makineleri gibi özel uygulama alanlarında da yer alan bir tekniktir.
En basit haliyle bir sinyal modülasyon tekniği olarak tanımlanabilir. Sinyal bilgisinin aktarım için uygun hale çevirilmesi amacının yanı sıra güç kontrolü sağlamak ve elektrik makineleri, güneş pili şarj üniteleri gibi özel devrelere destek olmak amacı da taşır.
Bu kontrolde tamamen anahtarlama ile sağlanır. Anahtarlama ne kadar hızlı yapılırsa, PWM ile aktarılan sinyalin gücü o kadar da artar. Örneğin bir lambaya gönderilen sinyalde PWM tekniğine ihtiyaç duyuluyorsa, bu teknik 120 Hz frekans değerinde uygulandığında maksimum verim elde edilebilir.
"Duty Cycle" yani görev döngüsü olarak tanımlanan bir kavram bulunuyor ve PWM tekniğinde de sıkça karşımıza çıkıyor. Görev döngüsü kavramı aslında yapılan işlemin periyodunu belirtiyor. Bu döngü düşük seviyelerde ise aktarılan güç düşük olurken, döngünün yüksek seviyelerinde yüksek güç aktarılıyor.
PWM Tekniğinin Avantajları
Peki PWM tekniği ile sinyallere işlemler uygulamanın avantajı ne? Öncelikle anahtarlama kaybı düşük seviyede. Anahtar kapalı olduğunda pratik olarak hiç akım akmıyor iken, anahtar açık olduğunda anahtar üzerindeki gerilim düşümü yok denecek kadar az.
Bu sayede güç kaybının az olmasının yanı sıra, PWM tekniği dijital kontrol üniteleri ile büyük bir uyum içerisinde. Sistem, açık-kapalı anahtarlama değişimlerine bu sayede çok daha rahat uyum sağlayabiliyor.
Ayrıca iletişim ve haberleşme teknolojilerinde kullanılan sinyallerin görev döngüleri ile ilgili düzenlemelerde de PWM tekniği sık sık kullanılıyor. Böylece kanal üzerinde çeşitli ayarlamalar ile istenilen sinyaller elde edilebiliyor.
Arduino ve PWM
Arduino bünyesinde de PWM tekniği kullanılabiliyor. Arduino bünyesinde kullanılan PWM tekniği ile dijital sonuçlardan analog sonuçlar elde edilebiliyor. Bunun yanı sıra özellikle kontrol için ihtiyaç olan kare dalga üretimi de gerçekleşiyor. Kare dalga, bilindiği gibi "on" ve "off" konumlarını sağlıyor.
Böylece kare dalga gönderildiğinde "on" konumunda 5V uygulanırken, "off" konumunda 0V uygulanmış oluyor. İşte bu "on" kısmının aktif olduğu genişliğe "Pulse Width" yani "Sinyal Genişliği" adı veriliyor. Bu doğrultuda istenilen sinyal genişliği elde etmek için de modülasyon tekniği uygulamanız gerekiyor ki bu da PWM'in temel mantığıdır.
Arduino ile yanıp sönen bir LED devresi kurmak veya Arduino ile DC motor kontrolü gerçekleştirmek için PWM tekniğini kullanmamız gerekiyor. Bu teknik de Arduino'ya gömülen yazılımda yatıyor. "analogWrite(...)" fonksiyonu ile görev döngüsünün miktarı belirleniyor ve kare dalga elde ediliyor.
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 etmenin birden fazla yöntemi bulunuyor. Bunları listelersek:
♦ 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.
♦ 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.
Kaynak:
► Wikipedia
► Arduino
► Embedded
► ElektrikPort