تعديل عرض النبضة (PWM)

تعديل عرض النبضة (PWM)

الملخص

تُعد تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) واحدة من أكثر الطرق مرونة لترميز القيم التناظرية في شكل رقمي. تُستخدم هذه التقنية بشكل واسع في الإلكترونيات ومعالجة الإشارات للتحكم في سرعة المحركات، وتوليد الإشارات الصوتية، وتنظيم الطاقة. يتناول هذا المقال الأساسيات النظرية لتعديل عرض النبضة، وطرق توليدها، وفوائدها، والتطبيقات المختلفة لها في التكنولوجيا والهندسة.

جدول المحتويات

1. المقدمة
2. أساسيات تعديل عرض النبضة
   • 2.1 التعريف والمبدأ
   • 2.2 دورة العمل والتردد
3. توليد إشارات PWM
   • 3.1 الطرق العتادية (Hardware)
   • 3.2 الطرق البرمجية
4. تطبيقات تعديل عرض النبضة
   • 4.1 التحكم في سرعة المحركات
   • 4.2 التحكم في إضاءة مصابيح LED
   • 4.3 العاكسات الكهربائية
   • 4.4 معالجة الإشارات الصوتية
5. المميزات والتحديات
6. الخاتمة
7. المراجع

1. المقدمة

تعديل عرض النبضة هو تقنية تعديل تُستخدم لتغيير عرض النبضة في إشارة دورية من أجل التحكم في كمية الطاقة المُرسلة أو لترميز المعلومات. بفضل كفاءتها وبساطتها، أصبحت هذه التقنية أساسية في العديد من المجالات مثل الإلكترونيات، والاتصالات، وأنظمة التحكم.

2. أساسيات تعديل عرض النبضة

2.1 التعريف والمبدأ

تعتمد تقنية PWM على تغيير دورة العمل لموجة مربعة لتمثيل القيم التناظرية. من خلال ضبط عرض النبضة مع الحفاظ على تردد ثابت، يمكن التحكم بدقة في الطاقة المتوسطة التي يتم تسليمها إلى الحمل.

2.2 دورة العمل والتردد

• • دورة العمل (Duty Cycle): هي نسبة زمن النبضة إلى الزمن الكلي للدورة، وتُعبر عنها بالنسبة المئوية:
    Duty Cycle = (Pulse Width ÷ Period) * 100%
  • التردد: يُحدد معدل التبديل للإشارة ويؤثر على نعومة واستجابة الخرج.

3. توليد إشارات PWM

3.1 الطرق العتادية (Hardware)

• • المتحكمات الدقيقة (Microcontrollers): مثل Arduino وSTM32، والتي تُولد إشارات PWM باستخدام المؤقتات المدمجة والسجلات.
  • الدوائر المتخصصة (ICs): مثل شرائح TL494 المصممة خصيصًا لتوليد إشارات PWM بكفاءة.

3.2 الطرق البرمجية (Software)

يمكن أيضًا توليد إشارات PWM من خلال الخوارزميات البرمجية عن طريق التحكم في مخارج الدوائر (GPIO Pins) بفواصل زمنية دقيقة باستخدام لغات البرمجة مثل C أو Python أو التجميع (Assembly).

4. تطبيقات تعديل عرض النبضة

4.1 التحكم في سرعة المحركات

يتم ضبط الجهد المطبق على المحركات باستخدام PWM لتوفير تحكم دقيق في السرعة وعزم الدوران. تُستخدم هذه التقنية في الروبوتات، والآلات الصناعية، والمركبات الكهربائية.

4.2 التحكم في إضاءة مصابيح LED

عن طريق التحكم في التيار المتوسط المار عبر مصباح LED، يُمكن تحقيق تعديل سلس للسطوع. تُستخدم هذه التقنية في الشاشات، وأنظمة الإضاءة المحيطة، وأنظمة الإضاءة الموفرة للطاقة.

4.3 العاكسات الكهربائية

تعمل إشارات PWM على تشغيل المفاتيح الإلكترونية في العاكسات لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد. ويتم ضبط الموجة الناتجة لتقارب الشكل الموجي للتيار المتردد المستخدم في الأجهزة المنزلية.

4.4 معالجة الإشارات الصوتية

تُستخدم PWM لترميز الإشارات الصوتية من خلال ضبط عرض النبضة وفقًا لسعة الإشارة الصوتية. تُعتبر هذه التقنية أساسية في مكبرات الصوت من الفئة D لتوفير استنساخ صوتي عالي الكفاءة.

5. المميزات والتحديات

المميزات

• 1. كفاءة عالية: يقل فقد الطاقة أثناء التبديل.
  2. التكلفة المنخفضة: يمكن تنفيذها بسهولة باستخدام المتحكمات الدقيقة أو المكونات العتادية البسيطة.
  3. المرونة: سهولة ضبط دورة العمل والتردد حسب الحاجة.

التحديات

• 1. التداخل الكهرومغناطيسي (EMI): قد يُسبب التبديل عالي التردد تشويشًا كهرو-مغناطيسيًا.
  2. الحاجة إلى المرشحات (Filters): يلزم استخدام مرشحات لتنعيم الإشارة في بعض التطبيقات.
  3. اللاخطية: قد تظهر تشوهات غير خطية عند القيم القصوى لدورة العمل.

6. الخاتمة

تُعد تقنية PWM أداة أساسية في الإلكترونيات الحديثة، حيث تُوفر رابطًا فعالًا بين الأنظمة التناظرية والرقمية. بفضل بساطتها ومرونتها وكفاءتها، تُستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات. من التحكم في المحركات إلى معالجة الإشارات الصوتية، تُوفر PWM حلولًا دقيقة وموثوقة للتحكم في الطاقة والإشارات.

7. المراجع

1. Erickson, R., & Maksimovic, D. (2001). Fundamentals of Power Electronics. Springer.
2. Arduino Documentation. PWM Signal Generation. https://www.arduino.cc
3. Texas Instruments. TL494 Datasheet. https://www.ti.com