התפקיד של אפנון רוחב פולס באלקטרוניקה

אפנון רוחב פולס (PWM) היא טכניקת בקרת הספק המייצבת את היציאה האפקטיבית של אות חשמלי על ידי הפעלה וכיבוי מהירים שלו בתדר קבוע. על ידי כוונון היחס בין זמן "מצב-מופעל" לבין זמן המחזור הכולל, מקור דיגיטלי יכול לדמות רמות מתח אנלוגיות משתנות, ובכך לבקר את האנרגיה הממוצעת המסופקת לעומס.

באופן רחב יותר, אפנון מתייחס לשינוי או קידוד מידע על צורת גל חשמלית כדי להשפיע על התנהגות המעגל או המערכת. באלקטרוניקה מעשית, משמעות הדבר היא עיצוב אות כך שיוכל להעביר נתונים או לנהל את כמות המתח או הזרם המגיעים להתקן. עיקרון זה מיושם באופן נרחב בדחיפת מנועים, תאורה ניתנת-לעמעום, מערכות שמע והמרת הספק או טעינת סוללות.

בעוד ש-PWM, אפנון אמפליטודה (AM) ואפנון תדר (FM) הן האסטרטגיות העיקריות לטיפול בגודל או תדר נתפסים של אות, מאמר זה יתמקד במיוחד ב-PWM.

יסודות PWM - יחס מחזור (Duty Cycle) ותדר מיתוג

כפי שצוין קודם לכן, PWM מעצב את צורת הגל על ידי התאמת המתח והזרם האפקטיביים המסופקים לעומס. זה מושג על ידי דחיפה מהירה של התקן מיתוג - בדרך כלל טרנזיסטור - בין מצבים מופעל-במלואו וכבוי-במלואו. על ידי שינוי משך הזמן שבו המתג נשאר בכל מצב, המערכת מקודדת מידע באמצעות משך הזמן היחסי של המרווחים הגבוהים והנמוכים.

מבחינה מעשית, PWM מגביל את ההספק החשמלי נטו המסופק להתקן על ידי שינוי משך הזמן שהוא מקבל את מתח ההספקה המלא שלו במהלך כל מחזור מיתוג. הגדלת "זמן מצב-מופעל" מעלה את מתח המוצא הממוצע, בעוד שהקטנתו מורידה את הרמה האפקטיבית הנראית על ידי העומס. שני פרמטרים עיקריים מאפיינים התנהגות זו: יחס המחזור ותדר המיתוג.

יחס המחזור מייצג את החלק היחסי של משך צורת גל מלא שבמהלכה אות נמצא במצב פעיל, או גבוה. זה בדרך כלל ניתן כאחוז (%) ומציין כמה זמן בכל מחזור היציאה נשארת במצב מופעל. לדוגמה, אם צורת גל דיגיטלית נשארת גבוה למשך 3 מילישניות ונמוכה למשך מילישנייה אחת, משך הזמן הכולל הוא 4 מילישניות, וכתוצאה מכך יחס המחזור הוא 75% ותדר המיתוג המתאים הוא Hz‏ 250‏.

מכיוון שיחס המחזור מגדיר ישירות את משך החלק המופעל של כל פולס, שינויו מאפשר בקרה על ההספק האפקטיבי המסופק לעומס על ידי שינוי היחס בין משך הזמן הגבוה לנמוך - מבלי לשנות את מתח ההספקה בפועל. במערכות רבות, מתח ותדר הם פרמטרים קבועים, מה שמשאיר את יחס המחזור כמשתנה הבקרה המתכוונן העיקרי. ביישומים כגון גופי חימום הנדחפים על ידי PWM, ניטור יחס המחזור יכול לשמש גם כאינדיקטור אמין לכך שהמערכת מספקת את רמת ההספק המיועדת.

תדר המיתוג מתאר כמה פעמים אירוע חוזר על עצמו במהלך פרק זמן נתון. בהקשר שלנו זה מספר מעברי ההפעלה-כיבוי בשנייה שבוצעו על ידי התקן המיתוג הדוחף את אות ה-PWM. קצב זה נמדד בהרץ (Hz), המציין את המהירות שבה דרגת ההספק עוברת את פרק זמן הפעולה המלאה שלה.

בחירת תדר מיתוג PWM מתאים היא קריטית להבטחת התנהגות העומס כמיועד. אם התדר מוגדר גבוה מדי עבור יישום נתון, רכיבים מכניים - כגון ממסרים או סוגים מסוימים של מפעילים (Actuators‏) - עלולים לא להיות מסוגלים לעמוד בקצב המעברים המהירים ועלולים להיכשל בטרם עת. לעומת זאת, תדר מיתוג נמוך מדי עלול לגרום להשפעות לא-רצויות כגון רעש נשמע, רעידות או חוסר יציבות בהתקן המבוקר. לדוגמה, בעוד שתדרים נמוכים יחסית מקובלים להנעת מנועים חשמליים, עומסי מצב-מוצק כמו נורות LED דורשים לעתים קרובות קצב מיתוג גבוה משמעותית כדי להשיג פעולה חלקה וללא ריצוד.

יתרונות וחסרונות של PWM

היתרון העיקרי של PWM הוא הנצילות יוצאת-הדופן שלו, בעיקר משום שהתקני מיתוג מפזרים מעט מאוד הספק. כאשר המתג כבוי, כמעט ולא זורם זרם, וכאשר הוא דלוק במלואו, מפל המתח על פני ההתקן הוא מינימלי. התוצאה היא הפסדי הולכה ומיתוג מופחתים משמעותית בהשוואה לשיטות בקרה ליניאריות. יתרונות נוספים של PWM כוללים:

• פיזור חום נמוך יותר מאשר מייצבים ליניאריים, הודות לפעולה של מופעל-במלואו/מופסק-במלואו
• אינטגרציה חלקה עם לוגיקה דיגיטלית, מכיוון שאות הבקרה הוא מטבעו בינארי
• נצילות אנרגטית כוללת גבוהה יותר בעת ויסות מנועים, תאורה או ממירי הספק
• בקרה מדויקת במתח או זרם אפקטיביים פשוט על ידי כוונון יחס המחזור
• מעגלים פשוטים, אשר לעתים קרובות דורשים פחות רכיבים אנלוגיים או חוגי משוב
• יישומיות רחבה על פני מערכות אלקטרוניות רבות, החל מספקי כוח ועד למפעילים (Actuators‏)

למרות ש-PWM היא טכניקה רב-תכליתית ויעילה, היא מציגה מספר אתגרים הנדסיים. כמה מהחסרונות העיקריים כוללים:

• הפסדי מיתוג מוגברים בתדרי פעולה גבוהים ביותר
• פוטנציאל לחריגה ממתח או טרנזיינטים
• יצירת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והרמוניות העשויות לדרוש סינון
• מורכבות תכן גדולה יותר במערכות בהספק גבוה שבהן רכיבי מיתוג ושיקולי פריסה הופכים תובעניים יותר

תדרי מיתוג ויחסי מחזור בפועל

מכיוון שהתנהגות PWM מוגדרת הן על ידי יחס המחזור והן על ידי תדר המיתוג, יש לבחור כל פרמטר כך שיתאים למאפיינים החשמליים והמכניים של עומס המטרה. הדוגמאות הבאות של יישומי מוצרים - כולן נתמכות על ידי Same Sky - ממחישות כיצד ערכים אלה משתנים בדרך כלל על-פני סוגי התקנים שונים. להלן המלצות עבור הרכיבים האלקטרוניים הבאים:

• מאווררים: רוב מאווררי הקירור פועלים בצורה הטובה ביותר עם תדרי PWM בתחום של kHz‏ 20‏ עד kHz‏ 25‏ בשילוב עם חלון יחס-מחזור של 0% עד 100% כדי לווסת את המהירות ממצב של כיבוי מלא ועד זרימת אוויר מקסימלית. קצבי מיתוג גבוהים יותר עוזרים לבטל רעש נשמע ולייצר סיבוב חלק יותר. יצרנים מציינים בדרך כלל פרמטרי PWM מועדפים כדי להבטיח התנהגות פעולה תקינה, יציבות מהירות ואקוסטיקה. חברת Same Sky מספקת מבחר רחב של חומרת מאווררי AC ו-DC.
• זמזמים: עבור זמזמים פיאזו-אלקטריים או מגנטיים, תדרי PWM הם בדרך כלל בתחום של kHz‏ 1‏ עד kHz‏ 10‏, בהתאם לספקטרום הנשמע האנושי (Hz‏ 20‏ עד kHz‏ 20‏). שינוי יחס המחזור מכוונן את עוצמת הצליל, אך יחס מחזור של 50% מניב בדרך כלל יציאה חזקה עם עיוותים מינימליים. מכיוון שזמזמים רבים מכוונים לתדר תהודה צר, חיוני לבדוק את גיליון הנתונים. חברת Same Sky מציעה מבחר רחב של זמזמי אודיו.

איור 1: זמזם המופעל עם יחס מחזור של כ-15% יפיק צליל שקט יותר באופן ניכר מאשר זמזם המופעל ב-50%, אפילו באותו תדר. (מקור התמונה: Same Sky)

• חיישנים אולטרסוניים: מתמרים אולטרסוניים מסתמכים בדרך כלל על תדרי PWM בתחום של kHz‏ 20‏ עד kHz‏ 400‏, עם יחס מחזור של 50% שבשימוש נפוץ עבור יצירת פרץ (Burst‏) אולטרסוני סימטרי ונקי. הערכים המדויקים תלויים במידה רבה בתכן החיישן הספציפי, לכן יש תמיד לפעול לפי הנחיות היצרן. חברת Same Sky מציעה פורטפוליו שלם של רכיבי חישה אולטרסוניים.

   

• התקני פלטייר (Peltier‏): כאשר מבקרים מודולים תרמואלקטריים עם PWM‏, תדרי מיתוג בין Hz‏ 300‏ ו-kHz‏ 3‏ הם הטיפוסיים המומלצים. כוונון יחס המחזורקובע את תפוקת הקירור או החימום, מה שמאפשר ויסות תרמי מדויק. שוב, ההמלצות בגיליון הנתונים הן חיוניות עבור השגת אמינות מודול לטווח ארוך. חברת Same Sky מספקת מגוון רחב של התקני Peltier, כולל מכללי קירור דרגה-אחת, רבי-דרגות ומשולבים.

סיכום

אפנון מתייחס לשינוי או לבקרת ההתנהגות של התקן או מערכת באמצעות עיצוב אות מבוקר. PWM, באופן ספציפי, היא טכניקה יעילה ביותר עבור ייצוב הספקת-כוח ביישומים אלקטרוניים רבים. על ידי שינוי יחס המחזור של צורת גל דיגיטלית, PWM מספק בקרה מדויקת בסגנון אנלוגי תוך שמירה על פיזור הספק נמוך, מה שהופך אותו לגישה מועדפת עבור כל דבר, החל מדוחפי מנועים ועד לתאורה, חישה ומערכות ניהול תרמי.