مقدمه
حتما تاکنون اصطلاحات تولید پالس یا PWM را شنیده اید و یا احتمالا با آنها کار کرده اید؛ مثلا اینکه چه پایه‌هایی از آردوینو (یا هر میکروکنترلر دیگری) قابلیت تولید پالس PWM را دارد. این مفهوم کاربرد گسترده‌ای در زمینه های مختلف الکترونیک دارد . برخی از این کاربردها عبارتند از: کنترل رنگ و میزان روشنایی ال‌ای‌دی ها، کنترل موتورها و تایمرها، و هماهنگ کردن (سنسکرون سازی) سیستم های دیجیتال. ضمن اینکه تقریبا در تمامی منابع تغذیه سوییچینگ و دیگر روش‌های کنترل ولتاژ و تغذیه از این مفهوم استفاده می‌شود.
به دلیل اهمیت این مفهوم ابتدا به توضیح مختصر آن می‌پردازیم.
مدولاسیون پهنای باند (PWM) چیست؟
PWM—مخفف عبارت Pulse Width Modulation به معنای مدولاسیون پهنای باند—فرایندی است که از طریق آن، پارامترهای یک شکل موج مربعی را کنترل و تنظیم می‌کنیم. مهمترین پارامترها عبارتند از: فرکانس پالس تولیدی، دیوتی سایکل (Duty Cycle) و دامنه ولتاژ موج مربعی.
شکل زیر را در نظر بگیرید:
دوره تناوب: کوچکترین واحد زمانی که یک شکل موج از تکرار آن حاصل می‌شود. نماد آن T و واحد آن ثانیه است.
فرکانس: معکوس دوره تناوب. به عبارتی فرکانس تعداد تکرار دوره تناوب در واحد زمان است. نماد فرکنس f و واحد آن هرتز (Hz=1/s) است.
چرخه کاری (Duty Cycle): نسبت زمان روشن بودن موج در طول یک تناوب به کل زمان دوره تناوب. معمولا به صورت درصد بیان می‌شود.
مثال: اگر یک شکل موج ولتاژ الکتریکی، در هر دو ثانیه، 1.2 ثانیه روشن و 0.8 ثانیه خاموش باشد و سپس این فرآیند تکرار شود، فرکانس و چرخه کاری موج را به دست آورید ؟
جواب ساده است: از آن جا که شکل موج هر دو ثانیه تکرار می‌شود، دوره تناوب همان 2 ثانیه است.
فرکانس: یک تقسیم بر دو ثانیه = 0.5 هرتز .
و چرخه کاری:
توجه شود توضیح کامل مفهوم مدولاسیون پهنای باند و روش‌ها و کاربردهای آن بسیار گسترده تر است و در این مقاله نمی گنجد. برای کاربردهای ما، در همین حد آشنایی لازم و احتمالا کافی باشد. اگر به اطلاعات بیشتری در این زمینه نیاز دارید می توانید به مقاله‌های متعددی که در این زمینه وجود دارد رجوع کنید.
در ادامه به معرفی چند مدل ماژول تولید پالس مربعی با آی‌سی NE555 می‌پردازیم.
معرفی ماژول تولید پالس NE555
مولد پالس 1 هرتز تا 300 کیلوهرتز
ماژول تولید پالس فوق که چیپ اصلی آن یک آی‌سی NE555 است قابلیت تولید پالس مربعی از فرکانس 0.6 هرتز تا 300 کیلوهرتز را داراست. رنج فرکانسِ پالسِ تولیدی در این ماژول توسط پنج جامپر که روی برد تعیبه شده اند انتخاب می شود.
همچنین دو پتانسیومتر برای تنظیم دقیق تر فرکانس و دیوتی سایکل پالس تولیدی روی ماژول قرار داده شده است.
وجود این جامپرها و پتانسیومترهای کنترلی باعث انعطاف پذیری در تولید پالس با مشخصات دلخواه گشته که از مزیت‌های این ماژول در تولید پالس محسوب می‌گردد.
ولتاژ ورودی این ماژول 5 تا 12 ولت و دامنه ولتاژ خروجی، متناسب با ورودی، بین 4.2 تا 11.4 ولت است.
مشخصات
• رنج فرکانس پالس تولیدی: 0.6 هرتز تا 200 کیلو هرتز
• رنج دیوتی سایکل (تغییر پذیر): %0.4 تا %0.99
• ابعاد: 20*40میلی‌متر
مولد پالس 1 هرتز تا 200 کیلو هرتز
ماژول فوق نیز قابلیت تولید پالس مربعی از فرکانس 0.6 هرتز تا 200 کیلو را دارد. از دیگر مشخصات این ماژول: 4 جامپر برای تعیین رنج فرکانس تولیدی و دو پتانسیومتر برای تنظیم دقیق‌تر فرکانس و دیوتی سایکل.
ولتاژ ورودی این ماژول 5 تا 12 ولت و دامنه ولتاژ خروجی، متناسب با ورودی، بین 4.2 تا 11.4 ولت است.
مشخصات
• رنج فرکانس پالس تولیدی: 0.6 هرتز تا 200 کیلو هرتز
• رنج دیوتی سایکل (تغییر پذیر): %0.4 تا %0.99
• ابعاد: 22*32میلی‌متر
مولد پالس 16 هرتز تا 23 کیلو هرتز
ماژول مولد پالس بالا از مدل‌های قبلی ساده‌تر بوده و توانایی تولید پالس مربعی از فرکانس 16 هرتز تا 23 کیلوهرتز را دارد.
علاوه بر این یک عدد پتانسیومتر روی برد برای کنترل فرکانس و دیوتی سایکل قرار داده شده است. ولتاژ ورودی این ماژول نیز 5 تا 12 ولت است.
مشخصات
• رنج فرکانس پالس تولیدی: 16 هرتز تا 23 کیلو هرتز
• رنج دیوتی سایکل (تغییر پذیر): % 50الی %90
• ابعاد: 13*25میلی‌متر
مشخصات فنی ماژول NE555 Pulse Generator
پارامترهای زیر در هر سه ماژول مشترک هستند:
• ولتاژ ورودی: 5 تا 12 ولت
• ولتاژ خروجی: 4.2 تا 11.6 ولت
• آفست ولتاژ خروجی: بین 0.6 تا 0.8 ولت
• چیپ اصلی: آی سی NE555
• جریان مصرفی (ورودی): بیشتر از 100 میلی آمپر
• حداکثر جریان خروجی : 15 میلی آمپر (با ولتاژ ورودی 5 ولت)، 30 میلی آمپر (با ولتاژ ورودی 12 ولت)
ابعاد، رنج فرکانس پالس تولیدی و دیوتی سایکل‌ها در سه ماژول متفاوت هستند که در بخش های قبلی در زیر هر یک آورده شده است.
برای اطلاع دقیق‌تر از طرز کار آی‌سی NE555 می‌توانید به دیتاشیت این آی‌سی رجوع کنید.
معرفی پایه‌های (Pinout) ماژول تولید پالس NE555
• VCC : تغذیه ماژول (ولتاژ ورودی)
• GND : زمین
• OUT: پایه خروجی پالس
جامپرهای انتخاب رنج فرکانسی
• J1: 0.6Hz – 25Hz
• J2: 7Hz – 300Hz
• J3: 50Hz – 2.5KHz
• J4: 350Hz – 6.6KHz
• J5: 6.7KHz – 180KHz
لوازمی که به آن احتیاج دارید
قطعات مورد نیاز
*با توجه به مشخصات ماژولها و نیاز خود، یکی از این موارد را تهیه فرمایید.
تست و راه اندازی ماژول تولید پالس NE555
در دو حالت به راه‌اندازی ماژول می‌پردازیم: (1) تست ساده ماژول برای اطمینان از سلامت آن؛ (2) استفاده از ماژول در کنترل دور سرعت یک موتور دی‌سی.
فرم کلی سیم‌بندی‌ها و استفاده از ماژول‌های تولید پالس که در این مقاله شرح دادیم یکسان است. در ادامه تنها به یکی از این ماژولها می پردازیم. این پروسه برای دو ماژول دیگر هم کاملا مشابه می باشد.
تست ماژول تولید پالس NE555
برای تست ساده ماژول، مدار را مطابق شکل ببندید. ولتاژ تغذیه باید بین 5 تا 12 ولت و جریان آن حداقل 150 میلی آمپر باشد.
در این حالت باید میزان روشنایی ال‌ای‌دی D1 با تغییر جامپر و یا چرخاندن پتانسیومترها تغییر کند. ال‌ای‌دی باید در فرکانس‌های پایین به صورت چشمک زن در بیاید. سرعت چشمک زدن نیز با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد.
برای بررسی دقیق‌تر فرکانس و دیوتی سایکل خروجی، باید خروجی ماژول را با اسیلوسکوپ مشاهده نمود. نحوه اتصال پراب اسیلوسکوپ برای مشاهده خروجی به صورت زیر است.
در صفحه اسیلوسکوپ باید یک شکل موج مربعی مانند تصویر مشاهده کنید. فرکانس و دیوتی سایکل این موج باید با تغییر جامپر و یا پتانسیومترهای روی ماژول، تغییر کند.
برای نمونه تصاویر زیر از نتایج آزمایش خودمان، خروجی ماژول NE555 را در سه وضعیت مختلف نشان میدهد.
تصویر بالا کمترین فرکانس تولیدی ماژول NE555 را نشان میدهد. عبارت سمت چپ پایین صفحه—431Hz—بیان‌گر فرکانس موج ولتاژ است. جامپر J1 متصل و پتانسیومترها در حالت ماکزیمم ساعتگرد قرار دارند.
تصویر بالا برای زمانیست که جامپر J3 متصل باشد.
در تصویر بالا نیز جامپر J2 متصل بوده و وضعیت پتانسیومترها روی بیشترین حالت پادساعتگرد قرار دارد. این موج مربعی بیشترین فرکانس تولیدی ماژول است با مقدار 301kHz .
برای نمونه‌های بیشتر می‌توانید به فایل زیر رجوع کنید که نتایج یک آزمایش روی ماژول NE555 را نشان میدهد.
کنترل سرعت موتور با مولد پالس NE555 و سوییچ ماسفت
حداکثر جریان خروجی ماژول مولد پالس 15 میلی‌آمپر است. این مقدار حتی برای روشن کردن یک ال‌ای‌دی نیز بسیار ناچیز است. در نتیجه پالس تولید شده توسط ماژول نمی‌تواند مستقیما به عنوان خروجی مورد استفاده قرار بگیرد بلکه باید به عنوان سیگنال تحریک مدارات سوییچینگ عمل کند.
مدارات سوییچینگ یا کلیدزنی مختلفی وجود دارند که بیشتر آنها بر پایه ترانزیستورها طراحی شده‌اند. این مدارات کمک میکنند تا با یک سیگنال تحریک ضعیف (با جریان و ولتاژ پایین) یک عملگر مانند موتور (با ولتاژ و جریان بالا) را راه‌اندازی و کنترل کرد. سیگنال تحریک می‌تواند از یک میکروکنترلر یا هر مدار دیگری مانند ماژول مولد پالس باشد.
ابتدا به تشریح مختصر یک نوع مدار کلیدزنی با ترانزیستور ماسفت می پردازیم:
ترانزیستور ماسفت به عنوان کلید
مدار زیر فرم کلی استفاده از یک ترانزیستور ماسفت برای مدار کلید زنی (سوییچینگ) را نشان میدهد.
در مدار بالا، با افزایش ولتاژ ورودی (Vin)، ولتاژ پایه گیت ترانزیستور (G) نیز افزایش یافته و ترانزیستور فعال می‌شود. به این معنی که اتصالی بین پایه درین (D) و سورس (S) برقرار می‌شود و جریان می‌تواند از سمت VDD به زمین جاری شود؛ یعنی لامپ (یا هر مصرف کننده دیگری در مدار) روشن می‌شود.
پایه Vin باید به یک میکروکنترلر یا هر مدار دیگری که می تواند سیگنال تحریک مورد نیاز ترانزیستور را فراهم کند متصل گردد. در این حالت جریانی که توسط مصرف کننده در مدار مصرف می‌شود دیگر از پایه Vin عبور نمی‌کند. همچنین مقدار ولتاژ VDD که به عنوان منبع تغذیه مصرف کننده عمل می‌کند می‌تواند بسیار بیشتر از ولتاژ تحریک باشد (ولتاژ و جریان تحریک و درین-سورس در ترانزیستورهای مختلف متفاوت است؛ برای بدست آوردن مقادیر دقیق برای هر مدق خاصی باید به دیتاشیت ترانزیستور مراجعه نمود).
به عنوان مثال فرض کنید بخواهید با یک آردوینو، یک موتور 12 ولت را فعال کنید. از آن‌جا که ولتاژ پایه‌های آردوینو 5 ولت بوده و جریان عبوری از آنها نیز حداکثر می‌تواند 30 میلی‌آمپر باشد، نمی‌توان پایه آردوینو را مستقیما به عنوان خروجی به پایه موتور متصل نمود. راه حل: استفاده از مدار سوییچینگ بالا. پین خروجی آردوینو را به Vin و VDD را به منبع تغذیه 12 ولت متصل می کنیم و موتور را به جای لامپ قرار می‌دهیم. در این حالت می‌توانیم با سیگنال 5 ولت آردوینو، مدار موتور 12 ولت را فعال کنیم. در ادامه با استفاده از یک ماژول سوییچینگ قدرت، به کنترل دور موتور DC می‌پردازیم.
ما در این مثال از ماژول سوییچ ماسفت HW-517 به عنوان مدار سوییچینگ استفاده می‌کنیم. این ماژول از دو ترانزیستور ماسفت قدرت مدل AOD4184A به صورت موازی استفاده کرده که در نهایت قابلیت جریان‌دهی تا 15 آمپر را به ما میدهد. ولتاژ تحریک این ماژول 3.3 تا 20 ولت و ولتاژ خروجی آن می‌تواند 5 تا 36 ولت باشد.
سیم بندی
در مدار بالا، خروجی ماژول مولد پالس NE555 به عنوان سیگنال تحریک به ماژول سوییچ داده می‌شود. ترانزیستورهای ماسفت با همان فرکانس و دیوتی-سایکل سیگنال تحریک، قطع و وصل می‌شوند که در نتیجه آن، اتصال بین فن و منبع تغذیه سمت راست نیز قطع و وصل می‌شود. با این روش می توانیم با فرکانس و دیوتی سایکل، مقدار ولتاژ میانگینی را که به فن می‌دهیم کنترل کنیم، یا به عبارت دیگر سرعت آن را کنترل کنیم.
منبع تغذیه متصل به مولد پالس باید یک منبع تغذیه 5 تا 12 ولتی باشد و با جریانی بیشتر از 150 میلی آمپر. منبع تغذیه سمت راست باید ولتاژی بین 5 تا 36 ولت داشته باشد که مقدار دقیق آن با توجه به ولتاژ راه‌اندازی مصرف کننده (در این جا فن) تعیین می‌شود. جریان آن نیز باید متناسب با مقدار جریان مصرفی عملگر انتخاب شود.
می توان مدار بالا را برای کنترل رنگ و شدت نور ال‌ای‌دی های RGB نیز استفاده کرد.
یک گام فراتر
می‌توانید با استفاده 3 ماژول مولد پالس و 3 ماژول سوییچ، مانند مثال دوم، یک کنترلر رنگ RGB بسازید و با آن، رنگ و میزان نور یک ریسه ال‌ای‌دی RGB را تنظیم نمایید.
با استفاده از ماژول مولد پالس و یک مدار RC، یک واحد تبدیل ولتاژ دیجیتال به آنالوگ بسازید.
Comments (8)
درود
در مثال دیوتی سایکل :
(مثال: اگر یک شکل موج ولتاژ الکتریکی، در هر دو ثانیه، 1.2 ثانیه روشن و 0.8 ثانیه خاموش باشد و سپس این فرآیند تکرار شود، فرکانس و چرخه کاری موج را به دست آورید ؟)
عدد 1.8 ثانیه در جواب رو از کجا آوردید؟
من هرچی حساب میکنم جواب ۶۰% میشه.
با سلام،
بابت اطلاع رسانی متشکر هستیم، اصلاح می شود.
سلام. وقتتون بخیر. پایداری حرارتی این ماژولها چطوره؟ مثلا اگر یک ربع تا نیم ساعت مداوم روشن باشه ممکنه بسوزه؟
با سلام
تمامی قطعات الکترونیکی تا زمانی که ولتاژ درستی به آنها بدهید و جریان کشی اضافی از آنها نداشته باشید و در دما و رطوبت درست از آنها نگهداری کنیدبرای مدت زمان خیلی زیادی کار میکنند.
این ماژول به خصوص نیز مشکلی ندارد که چنیدن سال در همین شرایط کار کند.
سلام و خدا قوت
میخاستم دیوتی سایکل با اسیلوسکوپ تنظیم کنم ول ینمیدونم چطوریه
میشه راهنمایی کنید
با سلام
دیوتی سایکل که ربطی به اسیلوسکوپ ندارد.
اسیلوسکوپ فقط به شما نمایش میدهد که سیگنال شما به چه صورت می باشد، بر روی ماژول 555 2 عدد پیچ وجود دارد که می توانید با یکی فرکانس و دیگری دیوتی را تنظیم کنید
سلام وقت به خیر
مقدار دیوتی سایکل با چه دستگاهی میشه دید؟
از این ماژول تو مبدل بوست استفاده کردم ولی جواب نمیده
با سلام
در انجمن پاسخ سوال شما داده شده است.