مسابقات ملی روباتیک خوارزمی (دانش‌آموزی و دوره‌های کاردانی)

PWM چیست؟

PWM سرنام کلمه لاتین Pulse Width Modulation است. در این روش هدف کنترل سرعت موتور با استفاده از دریافت پالس یا سیگنال است.

در این روش، سرعت موتور هنگام حرکت را؛ با کنترل عرض لبه‏ی پالس، می‏شود کم یا زیاد کرد.

موتورها در شکل‏ها و اندازه‏ها و مشخصات مختلفی در بازار یافت می‏شوند؛ که به تبع آن درایور مربوط به سرعت آن‏ها نیز متفاوت است. سرعت دور یا چرخش یک موتور DC وابسته به تغذیه آن است. به طور مثال اگر یک موتوری (که می‏تواند ولتاژ ۱۲ ولت را تحمل کند) را به تغذیه ۱۲ ولت متصل کنید و سپس ولتاژ تغذیه آنرا تا مقدار ۶ ولت پایین بیاورید؛ سرعت چرخش آن نصف حالتی خواهد بود که شما به آن ولتاژ ۱۲ ولت را می‏دادید.

در حالت PWM کنترل موتور به صورت دستی انجام نمی‏شود بلکه این میانگین ولتاژهای فرستاده شده توسط مدار درایور موتور است که سرعت موتور را کننترل (کم و زیاد) می‏کند.  
هنگامی‏که یک فیلم را مشاهد می‏کنید، در واقع شاهد هزاران عکس ثابت هستید، که با یک فرکانس بالا آنرا می‏بینید. سرعت پخش‏شدن عکس‏ها آنقدر زیاد است که مغز شما فواصل زمانی بین پخش شدن و عدم پخش شدن را نمی‎تواند تشخیص دهد.  
در واقع مغز شما میانگین این عکس‏ها را مشاهده می‏کند. در کنترل PWM نیز همین وضعیت وجود دارد. آنقدر سرعت روشن و خاموش‏شدن موتور DC، زیاد است که شما متوجه آن نمی‏شوید. هرچه فرکانس کاری بالاتر باشد، موتور سریع‏تر روشن و خاموش می‏شود و در واقع میانگین چیزی که شما به‏دست می‏آورید؛ سرعت بیشتر موتور و زمانی‏که فرکانس پایین باشد، فواصل زمانی روشن و خاموش‏شدن موتور کمتر می‏شود که شما میانگین آنرا به‏شکل سرعت کمتر موتور مشاهده خواهید کرد.

در زیر دو نمونه عملی و ساده یک مدار کنترل دور موتور با استفاده از پهنای پالس را مشاهده می کنید:

قطعات مورد نیاز برای حالتی که از MosFET استفاده می‏کنید:

1. ۱ عدد آی‏سی ۴۰۹۳
2. ۱ عدد پتانسیومتر ۱۰۰ کیلو اهم
3. ۱ عدد خازن ۱۰۳
4. ۱ عدد مقاومت ۱ کیلو اهم
5. ۲ عدد دیود ۱N۴۱۴۸
6. ۱ عدد دیود ۱N۴۰۰۷
7. ۱ عدد ترانزیستور اثر میدان(MOS FET) به‏شماره BUZ۸۰
8. ۱ عدد موتور DC با تغذیه‏ی دلخواه بین ۵ تا ۱۸ ولت
9. برد بورد یا برد مسی سوراخدار
10. سیم تلفنی در صورت استفاده از برد بورد

نقشه مدار به همراه توضیحات

قبل از هر چیز لازم است بدانید که: دیود موجود در MOS FET یک دیود داخلی است، آن‏را به عنوان یک المانِ مجزا در نظر نگیرید.
آی سی ۴۰۹۳ دارای ۴ عدد گیت NAND با ورودی‏هایی است که به صورت اشمیت تریگر عمل می‏کند. ورودی‏های آن هم می‏توانند ولتاژهای مثبت و هم ولتاژهای منفی باشند و میزان ولتاژهای ورودی آن دارای محدوده بیشتری از لحاظ حداقل و حداکثر نسبت به ۴۰۱۱ است.  
برای تجسم بهتر عملکرد مدار، در کنار نقشه مدار؛ ساختمان داخلی آی سی ۴۰۹۳ را نیز مشاهده می‏کنید.

همانطور که در نقشه مشاهده می‏شود، تمامی ورودی‏های آی‏سی ۴۰۹۳، بجز پایه‏های ۲ و ۱ به یکدیگر متصل شده‏اند و تمامی این ورودی‏ها به پایه خروجی ۳ (که نتیجه ورودی ۱ و ۲ آی سی ۴۰۹۳ است) به صورت مشترک وصل شده‏اند. 
مقاومت ۱ کیلو اهم به همراه پتانسیومتر ۱۰۰ کیلو اهم و خازن ۱۰۳، کارِ تولید پالس را در اولین گیت آی‏سی ۴۰۹۳ به عهده دارد. این گیت با توجه به سیم‏بندی مدار، گِیت‏های دیگر را نیز تحت تاثیر قرار می‏دهد. 
با پیچاندن پتانسیومتر نیز می‏توانید سرعت موتور را کم یا زیاد کنید. در واقع با پیچاندن پتانسیومتر مدار RC را که از حاصل‏ضرب مقاومت ۱ کیلو اهم به همراه پتانسیومتر ۱۰۰ کیلو اهم در خازن۱۰ نانو فاراد ایجاد می‏شود، را کم و زیاد می‏کنید. با پیچاندن پتانسیومتر تا انتهای یک سمت؛ سرعت موتور حداکثر و با پیچاندن پتانسیومتر تا انتهای سمت دیگر، سرعت آن حداقل می‏شود تا اینکه به صفر برسد (البته با وجود مقاومت ۱ کیلو اهم در مدار، حتی اگر با پیچاندن پتانسیومتر، مقاومت ایجاد شده را به صفر برسانی، مقاومتی که در پایه ۲ موجود است به مقدار حداقل یک کیلواهم خواهد رسید) بنابراین، مقدار فرکانس پالس مربعی ایجاد شده در پایه ۱و ۲ که از حاصلضرب مجموع مقاومت یک کیلو اهم و پتانسیومتر ۱۰۰ کیلو اهم در خازن ۱۰ نانو فاراد بدست می‏آید، هرگز صفر نخواهد شد.

البته حالت‏های زیادی در اثر پیچاندن پتانسیومتر و تغییر مقاومت کل مجموع بدست می‏آید، که شما نیز به راحتی می‏توانید این حالت‏ها را محاسبه کنید. 
حالتی را در نظر بگیرید که پتانسیومتر، مقاومت ۱۰۰ کیلو اهم را داشته‏باشد. در این حالت مجموع دو مقاومت ۱۰۱ کیلو اهم می‏شود که حاصلضرب مقاومت ۱۰۱ کیلو اهمی در خازن ۱۰ نانو فارادی معادل ۱۰ به توان منفی ۳ می‏شود.

برای بدست آوردن فرکانس بایست این حاصل‏ضرب را برعکس کنید که نتیجه معادل یک کیلو هرتز خواهد شد.

در حالتی که پتانسیومتر مقدار ۰ را داشته باشد، فرکانس کاری مدار از حاصل‏ضرب مقاومت ۱ کیلو اهم در خازن ۱۰ نانو فاراد به‏دست می‏آید، که این مقدار معادل ۱۰۰ کیلو هرتز می‏شود. به یاد داشته باشید.که کیلو معادل ۱۰۰۰ و نانو معادل ۱۰ به توان منفی ۹ است. 
با تعویض جای دیودهای متصل به پایه‏های پتانسیومتر، می‏توانید جهت حداکثر و حداقل شدن سرعت را با انتهای پتانسیومتر تنظیم کنید. یعنی اینکه در چه سمت که پتانسیومتر را بپپیچانید تا سرعت زیاد یا کم شود. این دیودها همچنین مکان ورود پالس‏های مثبت و منفی از پایه ۳ نیز هستند. 
تمامی خروجی‏های ۴، ۱۰و ۱۱ از آی‏سی ۴۰۹۳ به یکدیگر وصل شده و به پایه‏ی G(گیت) BUZ۸۰ متصل می‏شوند.

زمانی‏که در MOS FET ولتاژ در گیت از ولتاژ آستانه هدایت (که در اینجا Vth نام دارد) بیشتر شود، جریانی از پایه‏ی S(سورس) به سمت D(درین) خواهیم داشت. 
(در واقع، در این وضعیت MOS FET روشن می‏شود. در ترانزیستورهای اثر میدان (MOS FET) پایه‏ی D (دِرِین) دارای قطبیت مثبت و S (سورس) دارای قطبیت منفی است. به‏کمک ولتمتر می‏توانید بدون مراجعه به دیتاشیت، کتاب، یا ...، ترتیب پایه‏ها را به‏راحتی پیدا کنید. ولت‏متر را در حالت تست دیود قرار دهید. در ترانزیستورهای اثر میدان این درین است که به سورس راه می دهد و سورس به درین راه نمی‏دهد. اگر به این MOS FET و سمت نوشته‏های روی آن نیز دقت کنید، اولین پایه از سمت چپِ گیت، دومین پایه درین و پایه سوم سورس خواهد بود.)
همانطور که در نقشه مشاهده می‏کنید، یک سمت موتور به صورت مستقیم به مثبت ولتاژ متصل است. بنابراین موتور برای حرکت احتیاج به زمین دارد که این زمین، توسط سورس MOS FET بر روی درین و از آنجا بر روی یک سمت موتور ایجاد می‏شود. 
در واقع موتور برای حرکت احتیاج به اختلاف پتانسیل دارد؛ که این اختلاف پتانسیل توسط آی‏سی ۴۰۹۳ به همراه BUZ۸۰ در موتور ایجاد می شود.

ایجاد این زمین در یک سمت موتور بستگی به فرکانس ایجاد شده در پایه‏های ۱و ۲ متاثر از خازن و مقاومت خواهد داشت، که این مسأله را نیز به راحتی با قراردادن مقادیر متفاوتی از خازن و مقاومت، براحتی می‏توانید تجربه کنید. 
در ماس‏فت، مقدار جریان ایجاد شده (با توجه به رابطه‏ای که در آن نیز حاکم است)، به سطح ولتاژ ورودی در گیت کاملا وابسته‏است. هر چه قدر این ولتاژ بیشتر باشد، شدت جریان ایجاد شده نیز بیشتر خواهد بود. در این وضعیت، اگر یک سر سیم ولت‏متر را به زمین این مدار و سر دیگر آن‏را به پایه گیت ماس‏فت متصل کنید، مشاهده می‏شود که با پیچاندن پتانسیومتر، سطح ولتاژ در این پایه ممکن است کم یا زیاد شود. در سمتی که پتانسیومتر را می‏پیچانید، و میزان ولتاژ دیده شده در ولت‏متر شروع به افزایش می‏کند، در این وضعیت موتور نیز سرعتش زیاد می‏شود.

همین مطلب را نیز به‏صورت برعکس می‏توانید تجربه کنید.

در این حالت سرعت موتور رو به کاهش می‏رود. 
برای افزایش جریان، پایه‎های خروجی ۴، ۱۰ و ۱۱ با یکدیگر مشترک شده‏اند، تا برای تقویت جریان به گیت ماس‏فت احتیاجی به تقویت‏کننده‏ای مثل ترانزیستورها نباشد. 
در ماس‏فِت‏ها، با توجه به کم بودن مقاومت Rds (مقاومت ظاهری بین پایه‏های دِرِین و سورس)، تلفات حرارتی کمتری را نسبت به ترانزیستورهای BJT خواهیم داشت.

قطعات مورد نیاز برای حالتی‏که از ترانزیستور استفاده می‏کنید:

1. ۱عدد آی سی ۴۰۹۳
2. ۱عدد پتانسیومتر ۵۰ کیلو اهم
3. ۱عدد مقاومت ۱ کیلو اهم
4. ۱عدد مقاومت ۱۰۰ اهم
5. ۲عدد ترانزیستورC۱۸۱۵
6. ۲عدد دیود ۱N۴۱۴۸
7. ۱عدد دیود ۱N۴۰۰۷
8. ۱ عدد خازن ۱۰۰ نانو فاراد
9. ۱ عدد موتور DC بسته به نیاز ۵ تا ۱۲ ولت
10. ۱ عدد خازن ۱۰۰ میکرو فاراد
11. ۱ عدد خازن ۱۰ نانو فاراد

نقشه مدار به همراه توضیحات:

در این نقشه مانند حالت قبل، کارِ تولید پالس را مقاومت‏های یک کیلو و پتانسیومتر صد کیلو اهم و خازن ۱۰ نانو فاراد به عهده دارند.

پایه ۳ نیز مانند حالت قبل، به پایه‏های ورودی ۵ و ۶ گیتِ دوم آی‏سیِ NAND (از آی سی ۴۰۹۳) متصل است و خروجی ۴ آی‏سی ۴۰۹۳ با یک مقاومت ۱۰۰اهم، به بیس ترانزیستور C۱۸۱۵ متصل است.

در این مدار، به جای ماس‏فِت از ترانزیستورهای BJT (دوقطبی)استفاده شده‏است. در این حالت نیز مانند حالت قبل یک سر موتور به مثبت ولتاژ متصل است و جهت حرکت موتور احتیاج به زمین داریم، که این زمین در سر دیگر موتور و از طریق دو عدد ترانزیستور موجود در مدار ایجاد می‏شود.

ترانزیستورها به صورت دارلینگتون بسته می‏شوند تا در این حالت، مقدار جریان ایجاد شده در کلکتور ترانزیستور، برای حرکت موتور بیشتر شود، و همچنین موتور با کوچکترین تحریکِ بیس ترانزیستور، رو شن خواهد شد.

زمانی‏که پتانسیومتر را در یک سمت، تا انتها بپیچانید و موتور خاموش شود، اگر ولتاژ موجود در پایه ۳ آی سی ۴۰۹۳ را اندازه بگیرید، مقدار آن نزدیک به مقدار مثبت منبع تغذیه است.

اگر تغذیه شما به طور مثال ۵ ولت باشد، در این حالت، پایه ۳ ولتاژ ۵ ولت را نشان می دهد. این پایه به پایه‏های ۵ و ۶ که هر دو، وردودی‏های دومین گیت NAND موجود در این آی‏سی هستند، مطابق نقشه اتصال دارد. بنابراین با توجه به اینکه گیت NAND تنها زمانی خروجی آن صفر می‏شود که هر دو ورودی آن، یک باشد، در این حالت خروجی ۴ مقدار صفر را دارد و ترانزیستور همچنان خاموش است.

همچنین ببینید

فهرست پروژه های الکترونیک