تعديل عرض النبضة

يُعد تغيير عرض النبضة للإشارة طريقة لتمثيل الإشارة التناظرية كموجة مستطيلة ذات دورة تشغيل متغيرة .

تعديل عرض النبضة ( PWM )، والمعروف أيضًا باسم تعديل مدة النبضة ( PDM ) ^{[ a ]} أو تعديل طول النبضة ( PLM )، ^{[ 1 ]} هو أي طريقة لتمثيل الإشارة كموجة مستطيلة ذات دورة تشغيل متغيرة (وفي بعض الطرق أيضًا فترة متغيرة ).

تُعدّ تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) مفيدةً للتحكم في متوسط القدرة أو سعة الإشارة الكهربائية. ويتم التحكم في متوسط قيمة الجهد ( والتيار ) المُغذّى للحمل عن طريق تبديل مصدر الطاقة بين 0 و100% بمعدل أسرع من سرعة تغير الحمل بشكل ملحوظ. وكلما طالت مدة تشغيل المفتاح، زادت القدرة الإجمالية المُغذّاة للحمل. إلى جانب تقنية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT)، تُعدّ هذه التقنية إحدى الطرق الأساسية للتحكم في خرج الألواح الشمسية بما يتناسب مع قدرة البطارية . ^{[ 2 ]} وتُناسب تقنية PWM بشكل خاص تشغيل الأحمال العطالية، مثل المحركات ، التي لا تتأثر بسهولة بهذا التبديل المتقطع. يهدف PWM إلى التحكم في الحمل، ولكن يجب اختيار تردد التبديل بعناية لضمان سلاسة هذه العملية.

يمكن أن يختلف تردد تبديل PWM اختلافًا كبيرًا تبعًا للحمل والتطبيق. على سبيل المثال، لا يتطلب الأمر سوى التبديل عدة مرات في الدقيقة في موقد كهربائي؛ و100 أو 120 هرتز (ضعف تردد التيار الكهربائي ) في مُخفِّت إضاءة المصباح ؛ وما بين بضعة كيلوهرتز (kHz) وعشرات الكيلوهرتز (kHz) لمحرك كهربائي؛ وتصل إلى عشرات أو مئات الكيلوهرتز في مُضخِّمات الصوت ووحدات تزويد الطاقة لأجهزة الكمبيوتر . قد يؤدي اختيار تردد تبديل مرتفع جدًا بالنسبة للتطبيق إلى تلف مُكوِّنات التحكم الميكانيكية قبل الأوان، على الرغم من الحصول على تحكم سلس في الحمل. أما اختيار تردد تبديل منخفض جدًا بالنسبة للتطبيق فيؤدي إلى تذبذبات في الحمل. الميزة الرئيسية لتقنية PWM هي انخفاض فقد الطاقة في أجهزة التبديل. فعندما يكون المفتاح مُطفأً، يكاد ينعدم التيار، وعندما يكون مُشغَّلاً ويتم نقل الطاقة إلى الحمل، يكاد ينعدم انخفاض الجهد عبر المفتاح. وبالتالي، فإن فقد الطاقة، كونه حاصل ضرب الجهد والتيار، يكون في كلتا الحالتين قريبًا من الصفر. يُعدّ تعديل عرض النبضة (PWM) فعالاً أيضاً مع أنظمة التحكم الرقمية، التي تُمكّنها طبيعتها الثنائية (تشغيل/إيقاف) من ضبط دورة التشغيل المطلوبة بسهولة. كما يُستخدم تعديل عرض النبضة في بعض أنظمة الاتصالات، حيث تُستخدم دورة تشغيله لنقل المعلومات عبر قناة الاتصال.

دورة التشغيل

يصف مصطلح دورة التشغيل نسبة وقت التشغيل إلى الفترة الزمنية المنتظمة؛ فدورة التشغيل المنخفضة تعني استهلاكًا منخفضًا للطاقة، لأن الطاقة تكون متوقفة معظم الوقت. تُعبّر دورة التشغيل كنسبة مئوية، حيث يُمثل 100% التشغيل الكامل. عندما تكون الإشارة الرقمية قيد التشغيل نصف الوقت ومتوقفة النصف الآخر، تكون دورة تشغيلها 50%، وتُشبه موجة مربعة. عندما تقضي الإشارة الرقمية وقتًا أطول في حالة التشغيل مقارنةً بحالة الإيقاف، تكون دورة تشغيلها أكبر من 50%. أما عندما تقضي الإشارة الرقمية وقتًا أطول في حالة الإيقاف مقارنةً بحالة التشغيل، فتكون دورة تشغيلها أقل من 50%. إليك رسم توضيحي يُبيّن هذه الحالات الثلاث:

تاريخ

تم تسجيل براءة اختراع محرك كورليس البخاري عام 1849. وقد استخدم تعديل عرض النبضة للتحكم في صمام السحب لأسطوانة المحرك البخاري. كما تم استخدام منظم طرد مركزي لتوفير التغذية الراجعة التلقائية.

تتطلب بعض الآلات (مثل محرك ماكينة الخياطة ) طاقة جزئية أو متغيرة. في الماضي، كان التحكم (كما في دواسة قدم ماكينة الخياطة) يتم باستخدام مقاومة متغيرة موصولة على التوالي مع المحرك لضبط شدة التيار المار فيه. كانت هذه الطريقة غير فعالة، إذ كانت تهدر الطاقة على شكل حرارة في عنصر المقاومة الخاص بالمقاومة المتغيرة، ولكنها كانت مقبولة لأن إجمالي الطاقة كان منخفضًا. مع أن المقاومة المتغيرة كانت إحدى طرق التحكم في الطاقة (انظر المحولات الذاتية والمحولات المتغيرة لمزيد من المعلومات)، إلا أنه لم يتم التوصل بعد إلى طريقة فعالة ومنخفضة التكلفة لتبديل الطاقة وضبطها. كان من الضروري أيضًا أن تكون هذه الآلية قادرة على تشغيل محركات المراوح والمضخات وآليات المؤازرة الروبوتية ، وأن تكون صغيرة الحجم بما يكفي للتوافق مع مخفتات إضاءة المصابيح. ظهرت تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) كحل لهذه المشكلة المعقدة.

تم اختراع أنظمة الاتصالات بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) قبيل اندلاع الحرب العالمية الثانية ، ولكن في ذلك الوقت كانت تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الوقت (TD- DM) مستخدمة بالفعل، ولم تكن هناك سوى أنظمة PWM تجريبية. تغير هذا الوضع مع ظهور المغنطرون التجويفي عام 1940، والذي كان قادرًا على إنتاج نبضات من طاقة ترددات الميكروويف ، ولكنه لم يكن قادرًا على تغيير تردده أو التحكم بدقة في سعته. استُخدم مُشفِّر PWM لتشغيل المغنطرون في جهاز اللاسلكي رقم 10 التابع للجيش البريطاني ، والذي وفّر خدمة ترحيل المكالمات الهاتفية لمسافات طويلة، تصل إلى 80 كيلومترًا (50 ميلًا) . ^[³^]

بحلول عام ١٩٤٦، صممت شركة فيليبس، نيفادا، نظام مسح ضوئي لمسارات الصوت السينمائية ذات المساحة المتغيرة ، يستخدم تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) أثناء مسح المسار الصوتي البصري بشكل عرضي باستخدام شعاع ضوئي رفيع. ثم تقوم الدوائر الإلكترونية بتقييم العتبة بين الأجزاء المكشوفة (غير الشفافة) وغير المكشوفة (الشفافة) من المسار الصوتي. وكان الهدف من النظام المقترح هو تقليل التشويش عند تشغيل مسار صوتي سينمائي. ^[^٤^]^[^٥^]

كان أحد التطبيقات المبكرة لتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) في جهاز Sinclair X10، وهو مضخم صوت بقوة 10 واط متوفر في شكل مجموعة أدوات في الستينيات. وفي نفس الوقت تقريبًا، بدأ استخدام تقنية تعديل عرض النبضة في التحكم في محركات التيار المتردد. ^{[ 6 ]}

في منتصف سبعينيات القرن الماضي، طُوّرت التطبيقات الأولى لتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) في مجال السيارات في المملكة المتحدة بواسطة شركة Associated Engineering Developments Ltd (AED). ^{[ 7 ]} صمّم المهندسان نورمان هانت وجون نودينغز أنظمةً تستخدم إشارات كهربائية مُعدّلة عرض النبضة للتحكم في صمامات الملف اللولبي عالية السرعة. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} ومن خلال تغيير دورة تشغيل الإشارة ، تمكّن النظام من تغيير الضغط الهيدروليكي والهوائي بدلاً من مجرد فتح صمام الملف اللولبي أو إغلاقه بالكامل. وتم تسويق هذه التقنية من خلال شركة Econocruise Ltd، وهي شركة تابعة لشركة AED، ومقرها في راغبي، وارويكشاير . استخدمت الشركة صمامات الملف اللولبي المُعدّلة هذه في مجموعات هوائية للتحكم في مشغلات الخانق ، حيث زوّدت أنظمة تثبيت السرعة لسيارات الركاب الفاخرة ومحددات سرعة PWM للشاحنات والحافلات التجارية الثقيلة. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

تجدر الإشارة إلى أنه على مدى قرن تقريبًا، كانت بعض المحركات الكهربائية ذات السرعة المتغيرة تتمتع بكفاءة جيدة، لكنها كانت أكثر تعقيدًا إلى حد ما من المحركات ذات السرعة الثابتة، وكانت تتطلب أحيانًا أجهزة كهربائية خارجية ضخمة، مثل مجموعة من المقاومات ذات الطاقة المتغيرة أو المحولات الدوارة مثل محرك وارد ليونارد .

مبدأ

موجة نبضية دورية

{\displaystyle y_{\text{min}}} — الشكل 1: موجة نبضية دورية ، توضح $y_{\text{min}}$ ، $y_{\text{max}}$ ودورة تشغيل ثابتة D.

إذا نظرنا إلى موجة نبضية دورية $f(t)$ مع نقطة $T$ قيمة منخفضة $y_{\text{min}}$ قيمة عالية $y_{\text{max}}$ وبدورة تشغيل ثابتة D (الشكل 1)، يتم إعطاء القيمة المتوسطة لشكل الموجة بواسطة:

${\bar {y}}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}f(t)\,dt$

مثل $f(t)$ هي موجة نبضية، وقيمتها هي $y_{\text{max}}$ ل $0<t<D\cdot T$ و $y_{\text{min}}$ ل $D\cdot T<t<T$ يصبح التعبير أعلاه كالتالي:

$\begin{aligned}{\bar {y}}&=\frac {1}{T}}\left(\int _{0}^{DT}y_{\text{max}}\,dt+\int _{DT}^{T}y_{\text{min}}\,dt\right)\\&=\frac {1}{T}}\left(D\cdot T\cdot y_{\text{max}}+T\left(1-D\right)y_{\text{min}}\right)\\&=D\cdot y_{\text{max}}+\left(1-D\right)y_{\text{min}}\end{aligned}}}$

يمكن تبسيط هذا التعبير الأخير إلى حد كبير في كثير من الحالات حيث $y_{\text{min}}=0$ مثل ${\bar {y}}=D\cdot y_{\text{max}}$ ومن هذا، القيمة المتوسطة للإشارة ( ${\bar {y}}$ ) يعتمد بشكل مباشر على دورة التشغيل D.

ومع ذلك، من خلال تغيير (أي تعديل) دورة التشغيل (وربما أيضًا الفترة)، تسمح الموجات المعدلة بعرض النبضة الأكثر تقدمًا التالية بتغيير القيمة المتوسطة لشكل الموجة.

طريقة التقاطع PWM

تُعد طريقة التقاطع طريقة بسيطة لتوليد إشارة خرج PWM (باللون الأرجواني في الشكل أعلاه) بفترة ثابتة ودورة تشغيل متغيرة، وذلك باستخدام مقارن لتبديل حالة خرج PWM عندما يتقاطع شكل الموجة المدخلة (باللون الأحمر) مع شكل موجة سن المنشار أو شكل موجة مثلثية (باللون الأزرق).

اعتمادًا على نوع الموجة المنشارية أو المثلثية (باللون الأخضر في الشكل أدناه)، يمكن محاذاة إشارات PWM المتقاطعة (باللون الأزرق في الشكل) بثلاث طرق:

تستخدم تقنية تعديل الحافة الأمامية (الرسم البياني العلوي) موجة سن المنشار المعكوسة لتوليد إشارة تعديل عرض النبضة (PWM). يتم تثبيت الحافة الأمامية لإشارة PWM عند الحافة الأمامية للنافذة، بينما يتم تعديل الحافة الخلفية.
يستخدم تعديل الحافة الخلفية (الرسم البياني الأوسط) موجة سن المنشار العادية لتوليد تعديل عرض النبضة (PWM). تكون الحافة الخلفية لتعديل عرض النبضة ثابتة، بينما يتم تعديل الحافة الأمامية.
تستخدم النبضات المركزية (في الأسفل) شكل موجة مثلثية لتوليد تعديل عرض النبضة (PWM). يتم تثبيت مركز النبضة في منتصف نافذة الوقت، ويتم تحريك حافتي النبضة لضغط أو توسيع عرضها.

التناسب الزمني

تستطيع العديد من الدوائر الرقمية توليد إشارات تعديل عرض النبضة (PWM) (على سبيل المثال، تحتوي العديد من المتحكمات الدقيقة على مخارج PWM). تستخدم هذه الدوائر عادةً عدادًا يزيد بشكل دوري (متصلًا بشكل مباشر أو غير مباشر بساعة الدائرة ) ويُعاد ضبطه في نهاية كل دورة من دورات PWM. عندما تتجاوز قيمة العداد القيمة المرجعية، يتغير خرج PWM من حالة عالية إلى منخفضة (أو من منخفضة إلى عالية). ^{[ 14 ]} تُعرف هذه التقنية بتقسيم الوقت، وتحديدًا بالتحكم بتقسيم الوقت ^{[ 15 ]} - أي تحديد نسبة زمن الدورة الثابتة التي تُقضى في الحالة العالية.

يُعدّ العداد المُتزايد والمُعاد ضبطه دوريًا النسخة المُتقطعة من عداد سن المنشار في طريقة التقاطع. يُصبح المُقارن التناظري في طريقة التقاطع مُقارنة عددية بسيطة بين قيمة العداد الحالية والقيمة المرجعية الرقمية (التي قد تكون مُرقمنة). لا يُمكن تغيير دورة التشغيل إلا بخطوات مُتقطعة، كدالة لدقة العداد. مع ذلك، يُمكن لعداد عالي الدقة أن يُوفر أداءً مُرضيًا للغاية.

نطاق

تتشابه الأطياف الناتجة (للمحاذاة الثلاثة). يحتوي كل منها على مُركِّب تيار مستمر ، ونطاق جانبي أساسي يحتوي على إشارة التضمين، وحاملات مُعدَّلة الطور عند كل توافقية لتردد النبضة. وتُقيَّد سعات مجموعات التوافقيات بـ $\sin x/x$ يمكن تطبيق غلاف ( دالة sinc ) على نطاق لانهائي. وينتج عرض النطاق الترددي اللانهائي عن التشغيل غير الخطي لمعدِّل عرض النبضة. ونتيجةً لذلك، يعاني تعديل عرض النبضة الرقمي من تشوه التداخل الذي يقلل بشكل كبير من قابليته للتطبيق في أنظمة الاتصالات الحديثة . ويمكن تجنب تأثيرات التداخل عن طريق تحديد عرض النطاق الترددي لنواة تعديل عرض النبضة. ^{[ 16 ]}

على النقيض من ذلك، فإن تعديل دلتا وتعديل دلتا -سيجما عمليتان عشوائيتان تُنتجان طيفًا متصلًا بدون توافقيات مميزة. بينما يستخدم تعديل عرض النبضة التقاطعي دورة ثابتة ولكن دورة تشغيل متغيرة، فإن دورة تعديل دلتا وتعديل دلتا-سيجما تتغير بالإضافة إلى دورة التشغيل.

تعديل دلتا

ينتج تعديل دلتا إشارة PWM (باللون الأرجواني في الشكل أعلاه) والتي تغير حالتها كلما وصل تكاملها (باللون الأزرق) إلى الحدود (باللون الأخضر) المحيطة بالمدخل (باللون الأحمر).

تعديل عرض النبضة غير المتزامن دلتا-سيجما

تُنتج تعديلات دلتا-سيجما غير المتزامنة (أي غير المرتبطة بساعة) إشارة خرج PWM (باللون الأزرق في الرسم البياني السفلي) تُطرح من إشارة الدخل (باللون الأخضر في الرسم البياني العلوي) لتكوين إشارة خطأ (باللون الأزرق في الرسم البياني العلوي). يُكامل هذا الخطأ (باللون الأرجواني في الرسم البياني الأوسط). عندما يتجاوز تكامل الخطأ الحدود (الخطان الرماديان العلوي والسفلي في الرسم البياني الأوسط)، يتغير خرج PWM. من خلال تكامل الفرق بين الخطأ وإشارة الدخل، تُشكّل تعديلات دلتا-سيجما ضوضاء الطيف الناتج، بحيث يكون تركيز الضوضاء أعلى في نطاق الترددات الأعلى من نطاق إشارة الدخل.

تعديل متجه الفضاء

تعديل متجه الفضاء هو خوارزمية تحكم PWM لتوليد التيار المتردد متعدد الأطوار، حيث يتم أخذ عينات من الإشارة المرجعية بانتظام؛ بعد كل عينة، يتم اختيار متجهات التبديل النشطة غير الصفرية المجاورة لمتجه المرجع وواحد أو أكثر من متجهات التبديل الصفرية للجزء المناسب من فترة أخذ العينات من أجل توليف الإشارة المرجعية كمتوسط للمتجهات المستخدمة.

التحكم المباشر في عزم الدوران (DTC)

يُعد التحكم المباشر في العزم طريقةً تُستخدم للتحكم في محركات التيار المتردد. وهي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتعديل دلتا (انظر أعلاه). يتم تقدير عزم المحرك والتدفق المغناطيسي، ويتم التحكم فيهما للبقاء ضمن نطاقات التخلف المغناطيسي عن طريق تشغيل مجموعة جديدة من مفاتيح أشباه الموصلات في الجهاز في كل مرة يحاول فيها أي من الإشارتين الانحراف عن نطاقه.

نظرية أخذ العينات PWM

عملية تحويل PWM غير خطية، ويُفترض عمومًا أن استعادة الإشارة بواسطة مرشح التمرير المنخفض غير مثالية في حالة PWM. تُظهر نظرية أخذ عينات PWM ^{[ 17 ] أن تحويل PWM يمكن أن يكون مثاليًا.}

يمكن تمثيل أي إشارة نطاق أساسي محدودة النطاق ، يكون سعتها ضمن ±0.637 ( 2 / π ) ، بموجة PWM ذات سعة وحدة واحدة (±1). عدد النبضات في الموجة يساوي عدد عينات نايكويست ، وشرط الذروة مستقل عن كون الموجة ثنائية أو ثلاثية المستويات.

للمقارنة، يمكن تلخيص نظرية نايكويست-شانون لأخذ العينات على النحو التالي:

إذا كان لديك إشارة محدودة النطاق بعرض نطاق f _0، فيمكنك جمع كل المعلومات الموجودة في تلك الإشارة عن طريق أخذ عينات منها في أوقات منفصلة، طالما أن معدل أخذ العينات لديك أكبر من 2f _0.^{[ 18 ]}

وحدات تحكم PWM

في مجال الإلكترونيات، تدمج العديد من وحدات التحكم الدقيقة الحديثة (MCUs) وحدات تحكم PWM متصلة بمنافذ خارجية كأجهزة طرفية تخضع لسيطرة البرامج الثابتة . وتُستخدم هذه الوحدات بشكل شائع للتحكم في محركات التيار المستمر (DC) في الروبوتات ، وتنظيم مصادر الطاقة ذات الوضع المبدل ، وغيرها من التطبيقات.

يعتمد نوع وحدة التحكم PWM الموجودة في وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) على عداد رقمي. في وضع الإخراج الأساسي، تتم مقارنة العداد بمستوى عتبة لتحديد ما إذا كان يجب إخراج إشارة. ونتيجة لذلك، يحدد مستوى العتبة دورة التشغيل . ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{: 1079} (هذه نسخة رقمية من طريقة التقاطع المذكورة أعلاه). تتضمن بعض وحدات PWM طريقة للتحكم في الفترة/التردد، إما عن طريق مقسم ساعة قابل للتكوين أو عداد "مُقسِّم مُسبق". ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{: 1077}

تُعدّ العديد من وحدات التحكم في تعديل عرض النبضة (PWM) أجهزة إدخال أيضًا: إذ يمكنها قياس خصائص إشارة PWM المُدخلة (التردد، دورة التشغيل) باستخدام عداداتها ومحفزاتها المدمجة التي تُفعّل عند الحافة الهابطة أو الصاعدة للإشارة. يُنتج استخدام حافتين من النوع نفسه التردد/الدورة؛ بينما يُنتج استخدام قياسين لحافتين من نوعين مختلفين مدة التشغيل أو الإيقاف، والتي عند قسمتها على الدورة تُنتج دورة التشغيل. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{: 1077}

التطبيقات

محركات سيرفو ومحركات كهربائية

تُستخدم تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) للتحكم في الآليات المؤازرة؛ انظر التحكم المؤازر .

نادرًا ما يُستخدم خرج تعديل عرض النبضة (PWM) من وحدة التحكم الدقيقة لتشغيل محرك بشكل مباشر. بدلًا من ذلك، تُفسَّر هذه الإشارة بواسطة وحدة تحكم المحرك ، التي تُحوِّلها إلى إشارة PWM أكثر دقة للمحرك. هذا النوع من "وحدات تحكم PWM" المستخدمة في الروبوتات مُشتق من وحدات تحكم PWM المستخدمة في مركبات التحكم اللاسلكي للهواة. ^{[ 21 ]}

الاتصالات السلكية واللاسلكية

في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية ، يعد تعديل عرض النبضة (PWM) شكلاً من أشكال تعديل الإشارة حيث تتوافق عروض النبضات مع قيم بيانات محددة يتم ترميزها في أحد طرفيها وفك ترميزها في الطرف الآخر.

سيتم إرسال نبضات بأطوال مختلفة (المعلومات نفسها) على فترات منتظمة (تردد الموجة الحاملة للتضمين).

 _ _ _ _ _ _ _ _ الساعة | | | | | | | | | | | | | | | __| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____ _ __ ____ ____ _ إشارة PWM | | | | | | | | | | _________| |____| |___| |________| |_| |___________ البيانات 0 1 2 4 0 4 1 0

إن تضمين إشارة الساعة ليس ضرورياً، حيث يمكن استخدام الحافة الأمامية لإشارة البيانات كساعة إذا تمت إضافة إزاحة صغيرة إلى كل قيمة بيانات لتجنب قيمة بيانات ذات نبضة طولها صفر.

 _ __ ___ _____ _ _____ __ _ إشارة PWM | | | | | | | | | | | | | | | | __| |____| |___| |__| |_| |____| |_| |___| |_____ البيانات 0 1 2 4 0 4 1 0

توصيل الطاقة

يمكن استخدام تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) للتحكم في مقدار الطاقة المُوَصَّلة إلى الحمل دون تكبُّد الخسائر الناتجة عن توصيل الطاقة الخطي عبر المقاومة. من عيوب هذه التقنية أن الطاقة التي يسحبها الحمل ليست ثابتة، بل متقطعة (انظر مُحوِّل باك )، كما أن الطاقة المُوَصَّلة إلى الحمل ليست مستمرة أيضًا. مع ذلك، قد يكون الحمل حثيًا، وبتردد عالٍ بما فيه الكفاية، وعند الضرورة باستخدام مُرشِّحات إلكترونية سلبية إضافية ، يُمكن تنعيم سلسلة النبضات واستعادة شكل موجة تناظرية متوسطة. يُمكن أن يكون تدفق الطاقة إلى الحمل مستمرًا. أما تدفق الطاقة من المصدر فليس ثابتًا، وسيتطلب في معظم الحالات تخزين الطاقة على جانب المصدر. (في حالة الدائرة الكهربائية، يُستخدم مُكثِّف لامتصاص الطاقة المُخزَّنة في مُحاثة جانب المصدر (التي غالبًا ما تكون طفيلية)).

يمكن تحقيق أنظمة التحكم في الطاقة بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) عالية التردد بسهولة باستخدام مفاتيح أشباه الموصلات. وكما ذُكر سابقًا، لا يُبدد المفتاح أي طاقة تقريبًا سواءً في حالة التشغيل أو الإيقاف. مع ذلك، خلال الانتقال بين حالتي التشغيل والإيقاف، يكون كل من الجهد والتيار غير صفريين، وبالتالي تُبدد الطاقة في المفاتيح. من خلال تغيير الحالة بسرعة بين التشغيل الكامل والإيقاف الكامل (عادةً أقل من 100 نانوثانية)، يمكن أن يكون تبديد الطاقة في المفاتيح منخفضًا جدًا مقارنةً بالطاقة المُوَصَّلة إلى الحمل.

تُعدّ مفاتيح أشباه الموصلات الحديثة، مثل ترانزستورات MOSFET أو الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBT)، مكونات مثالية لوحدات التحكم عالية الكفاءة. وقد تصل كفاءة محولات التردد المستخدمة للتحكم في محركات التيار المتردد إلى أكثر من 98%. أما مصادر الطاقة التبديلية، فتتميز بكفاءة أقل نظرًا لانخفاض مستويات جهد الخرج (غالبًا ما تكون أقل من 2 فولت للمعالجات الدقيقة)، ولكن مع ذلك، يمكن تحقيق كفاءة تتجاوز 70-80%.

تستخدم وحدات التحكم في سرعة مراوح الكمبيوتر عادةً تقنية تعديل عرض النبضة (PWM)، لأنها أكثر كفاءة بكثير مقارنةً بمقياس الجهد أو المقاومة المتغيرة. (لا يُعد تشغيل أي من الأخيرين إلكترونيًا عمليًا؛ إذ يتطلب ذلك محركًا صغيرًا).

تستخدم مخفتات الإضاءة المنزلية نوعًا خاصًا من التحكم بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM). تتضمن هذه المخفتات عادةً دوائر إلكترونية تعمل على كبح تدفق التيار خلال فترات محددة من كل دورة لجهد التيار المتردد. وبالتالي، فإن ضبط سطوع الضوء المنبعث من مصدر الإضاءة يتم ببساطة عن طريق تحديد الجهد (أو الطور) الذي يبدأ عنده المخفت بتزويد مصدر الإضاءة بالتيار الكهربائي في نصف دورة التيار المتردد (على سبيل المثال، باستخدام مفتاح إلكتروني مثل الترياك ). في هذه الحالة، تمثل دورة تشغيل PWM نسبة زمن التوصيل إلى مدة نصف دورة التيار المتردد، والتي تحددها ترددات جهد التيار المتردد (50 أو 60 هرتز، حسب البلد).

يمكن استخدام هذه الأنواع البسيطة من مخفتات الإضاءة بكفاءة مع مصادر الضوء الخاملة (أو بطيئة الاستجابة نسبيًا) مثل المصابيح المتوهجة، حيث لا يُحدث التعديل الإضافي في الطاقة الكهربائية المُزوَّدة، الناتج عن المخفت، سوى تقلبات طفيفة في الضوء المنبعث. مع ذلك، فإن بعض أنواع مصادر الضوء الأخرى، مثل الثنائيات الباعثة للضوء (LED)، تُضيء وتُطفأ بسرعة فائقة، وقد تُومض بشكل ملحوظ عند تزويدها بفولتية تشغيل منخفضة التردد. يمكن تقليل تأثيرات الوميض الملحوظة من مصادر الضوء سريعة الاستجابة هذه عن طريق زيادة تردد تعديل عرض النبضة (PWM). إذا كانت تقلبات الضوء سريعة بما يكفي (أسرع من عتبة دمج الوميض )، فلن يتمكن الجهاز البصري البشري من تمييزها، وستُدرك العين متوسط شدة الإضاءة دون وميض.

في المواقد الكهربائية، تُطبَّق طاقة متغيرة باستمرار على عناصر التسخين، مثل الموقد أو الشواية، باستخدام جهاز يُعرف باسم منظم الحرارة . يتكون هذا الجهاز من مذبذب حراري يعمل بتردد دورتين تقريبًا في الدقيقة، وتُغيِّر آلية التشغيل دورة التشغيل وفقًا لضبط المقبض. يبلغ الثابت الزمني الحراري لعناصر التسخين عدة دقائق، لذا فإن تقلبات درجة الحرارة ضئيلة جدًا لدرجة أنها لا تُؤثِّر عمليًا.

تنظيم الجهد

تُستخدم تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) أيضًا في منظمات الجهد عالية الكفاءة . فمن خلال تغيير الجهد المطبق على الحمل بنسبة تشغيل مناسبة، يقترب خرج الدائرة من الجهد المطلوب. وعادةً ما يتم ترشيح ضوضاء التبديل باستخدام ملف حث ومكثف .

تعتمد إحدى الطرق على قياس جهد الخرج. فعندما يكون أقل من الجهد المطلوب، يتم تشغيل المفتاح. وعندما يكون جهد الخرج أعلى من الجهد المطلوب، يتم إيقاف تشغيل المفتاح.

مؤشر LED يومض بنعومة

تُستخدم تقنيات تعديل عرض النبضة (PWM) عادةً لجعل مؤشر ما (مثل مصباح LED ) يومض ببطء . ينتقل الضوء تدريجيًا من الظلام إلى أقصى شدة، ثم يخفت تدريجيًا إلى الظلام مرة أخرى، ثم يتكرر ذلك. تتراوح مدة الوميض الواحد بين عدة ومضات خفيفة في الثانية، وقد تصل إلى عدة ثوانٍ. لا يُسبب هذا النوع من المؤشرات إزعاجًا كبيرًا مقارنةً بمؤشرات التشغيل/ الإيقاف ذات الوميض القوي . كان مصباح المؤشر في أجهزة Apple iBook G4 وPowerBook 6 و7 (2005) من هذا النوع. يُطلق على هذا النوع من المؤشرات أيضًا اسم "التوهج النابض" ، على عكس تسميته "الوميض" .

المؤثرات الصوتية والتضخيم

يُتيح تغيير دورة التشغيل لموجة النبضة في آلة توليف الصوت إمكانية الحصول على تنويعات صوتية مفيدة. تحتوي بعض أجهزة التوليف على مُعدِّل لدورة التشغيل لمخرجات الموجة المربعة، ويمكن ضبط هذا المُعدِّل بالاستماع؛ وتتميز نقطة 50% (الموجة المربعة الحقيقية) باختفاء التوافقيات ذات الأرقام الزوجية تقريبًا عند 50%. تُشكِّل موجات النبض، التي عادةً ما تكون بنسب 50% و25% و12.5%، الموسيقى التصويرية لألعاب الفيديو الكلاسيكية . يشير مصطلح تعديل عرض النبضة (PWM) المستخدم في توليف الصوت (الموسيقى) إلى النسبة بين المستويين العالي والمنخفض اللذين يتم تعديلهما بشكل ثانوي باستخدام مذبذب منخفض التردد . يُعطي هذا تأثيرًا صوتيًا مشابهًا لتأثير الكورس أو المذبذبات ذات التردد المنخفض قليلاً عند تشغيلها معًا. (في الواقع، يُعادل تعديل عرض النبضة مجموع موجتين سن المنشار مع عكس إحداهما). ^{[ 22 ]}

تُنتج مُضخّمات الفئة D إشارة مُعدّلة بنبضة (PWM) مُكافئة لإشارة دخل منخفضة التردد، يُمكن إرسالها إلى مُكبّر الصوت عبر شبكة ترشيح مُناسبة لحجب الموجة الحاملة واستعادة إشارة التردد المنخفض الأصلية. ونظرًا لأنها تُبدّل الطاقة مُباشرةً من خطي التغذية العالي والمنخفض، فإن كفاءة هذه المُضخّمات تتجاوز 90%، كما يُمكن أن تكون صغيرة الحجم وخفيفة الوزن نسبيًا، حتى مع مُخرجات طاقة عالية. ولعقودٍ من الزمن، شاع استخدام مُضخّمات PWM الصناعية والعسكرية، غالبًا لتشغيل المُحركات المؤازرة . وتُشغّل ملفات تدرج المجال في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي بواسطة مُضخّمات PWM عالية الطاقة نسبيًا.

تاريخيًا، استُخدم شكلٌ بدائيٌّ من تعديل عرض النبضة (PWM) لتشغيل الصوت الرقمي PCM على مكبر صوت الحاسوب ، الذي يعمل بمستويين فقط من الجهد، عادةً 0 و5 فولت. من خلال ضبط مدة النبضات بدقة، والاعتماد على خصائص الترشيح الفيزيائية لمكبر الصوت (استجابة تردد محدودة، حث ذاتي، إلخ)، كان من الممكن الحصول على تشغيل تقريبي لعينات PCM أحادية الصوت، وإن كان بجودة منخفضة جدًا، وبنتائج متفاوتة بشكل كبير بين التطبيقات. يستخدم جهاز سيجا 32X تقنية PWM لتشغيل الصوت القائم على العينات في ألعابه.

في الآونة الأخيرة، طُرحت طريقة ترميز الصوت الرقمي المباشر (Direct Stream Digital) ، التي تستخدم شكلاً معمّماً من تعديل عرض النبضة يُسمى تعديل كثافة النبضة ، بمعدل أخذ عينات عالٍ بما يكفي (عادةً في حدود الميغاهرتز) لتغطية نطاق الترددات الصوتية بالكامل بدقة كافية. تُستخدم هذه الطريقة في تنسيق SACD ، وتُشابه عملية إعادة إنتاج الإشارة الصوتية المُرمّزة إلى حد كبير الطريقة المستخدمة في مضخمات الصوت من الفئة D.

كهربائي

تُستخدم إشارات تعديل عرض النبضة الجيبية المثلثية (SPWM) في تصميم محولات الطاقة الشمسية . تُغذّى هذه الإشارات إلى ترانزستورات FET المستخدمة في الجهاز. وتعتمد كفاءة الجهاز على المحتوى التوافقي لإشارة PWM. وقد أُجريت العديد من الأبحاث حول التخلص من التوافقيات غير المرغوب فيها وتحسين قوة الإشارة الأساسية، ويتضمن بعضها استخدام إشارة حاملة مُعدّلة بدلاً من إشارة سن المنشار التقليدية ^{[ 23 ]}^{[ 24 ]}^{[ 25 ]} لتقليل فقد الطاقة وتحسين الكفاءة. ومن التطبيقات الشائعة الأخرى استخدامها في مجال الروبوتات، حيث تُستخدم إشارات PWM للتحكم في سرعة الروبوت من خلال التحكم في المحركات.

انظر أيضاً

محول الإشارة التناظرية إلى فاصل زمني منفصل
مضخم صوت من الفئة D
التحكم في مروحة الكمبيوتر
تعديل دلتا الميل المتغير باستمرار
تعديل دلتا سيجما
جسر H
تعديل سعة النبضة
تعديل رمز النبض
تعديل كثافة النبض
تعديل تردد النبض
تعديل موضع النبضة
جهاز تحكم لاسلكي
تعديل عرض النبضة العشوائي
محرك سيرفو للتحكم عن بعد
التحكم بالنمط الانزلاقي - ينتج سلوكًا سلسًا عن طريق التبديل غير المستمر في الأنظمة
تعديل متجه الفضاء
شريحة صوتية

ملحوظات

↑ لا ينبغي الخلط بينه وبين تعديل كثافة النبض ، والذي يُختصر أيضًا إلى PDM .

مراجع

↑ باترفيلد، أندرو جيه؛ شيمانسكي، جون، محرران. (2018). "قاموس الإلكترونيات والهندسة الكهربائية" . مرجع أكسفورد . doi : 10.1093/acref/9780198725725.001.0001 . ISBN 978-0-19-872572-5.
↑ "تحديد حجم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصل بالشبكة ... مع بطارية احتياطية" . مجلة الطاقة المنزلية .
↑ "تعديل عرض النبضة: شرح المبادئ الأساسية" (ملف PDF) . عالم اللاسلكي . ديسمبر 1945. الصفحات 361-362 .
↑ ويستمايز، دبليو كيه (1946). "طريقة جديدة لمواجهة الضوضاء في إعادة إنتاج الأفلام الصوتية" . مجلة جمعية مهندسي الصور المتحركة . 47 (5): 426-440 . doi : 10.5594/J12769 . ISSN 0097-5834 . مؤرشف من الأصل في 6 سبتمبر 2022 - عبر IEEE.
↑ دبليو كي ويستميجز (أبريل 1946)، "طريقة جديدة لمواجهة الضوضاء في إعادة إنتاج الأفلام الصوتية" (ملف PDF) ، مجلة فيليبس التقنية
^ شونونج، أ. ستيميلر، هـ. (أغسطس 1964). "Geregelter Drehstrom-Umkehrantrieb mit gesteuertem Umrichter nach dem Unterschwingungsverfahren". بي بي سي ميتيلونجن . 51 (8/9): 555 – 577.
↑ "مجموعة الهندسة المرتبطة" . دليل غريس لتاريخ الصناعة البريطانية .
↑ GB 1486821 ، هانت، نورمان ونودينغز ، جون، "أنظمة الاستجابة للسرعة"، صدر في 28 سبتمبر 1977، مُخصص لشركة أسوشيتد إنجينيرينغ ديفيلوبمنتس المحدودة
↑ GB 1382331 ، هانت، نورمان ونودينغز ، جون، "أنظمة التحكم في ناقل الحركة الأوتوماتيكي"، صدر في 29 يناير 1975
↑ GB 1414301 ، هانت، نورمان، "صمامات التحكم في السوائل"، صدر بتاريخ 19-11-1975
↑ بروكينغتون، بول (25-07-1975). "محددات سرعة الطريق - جزء من حزمة الاقتصاد" . أرشيف السيارات التجارية .
↑ "محددات السرعة الاقتصادية" . أرشيف المحركات التجارية . 1986-05-03.
↑ غاريت، كين (9 يناير 1975). "ضوابط أبسط تعني سيارات أكثر أمانًا". مجلة نيو ساينتست . الصفحات 68-70 .
↑ بار، مايكل (1 سبتمبر 2001). "مقدمة في تعديل عرض النبضة (PWM)" . مجموعة بار .
↑ أساسيات أنظمة التحكم في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، بقلم روبرت ماكدويل، ص 21
↑ هاوسماير، كاتارينا؛ شولي تشي؛ بيتر سينغرل؛ كريستيان فوغل (فبراير 2013). "تعديل عرض النبضة الرقمي الخالي من التشويش لأجهزة إرسال الترددات اللاسلكية ذات نمط النبضات". معاملات IEEE في الدوائر والأنظمة I: أوراق بحثية عادية . 60 (2): 415-427 . Bibcode : 2013ITCSR..60..415H . CiteSeerX 10.1.1.454.9157 . doi : 10.1109/TCSI.2012.2215776 . S2CID 21795841 .
↑ J. Huang, K. Padmanabhan, and OM Collins, “The sampling torem with constant amplitude variable width pulses”, IEEE transactions on Circuits and Systems, vol. 58, pp. 1178 - 1190, June 2011.
↑ ويسكوت، تيم (14 أغسطس 2018). "أخذ العينات: ما لم يذكره نايكويست، وكيفية التعامل معه" (ملف PDF) . خدمات تصميم ويسكوت. تُعدّ نظرية نايكويست-شانون لأخذ العينات مفيدة، ولكن غالبًا ما يُساء استخدامها عندما يُحدّد المهندسون معدلات أخذ العينات أو يُصمّمون مرشحات منع التداخل.
1 2 3 "تعديل عرض النبضة (PWM) [ وحدة التحكم الدقيقة W7500 ] " . نظام مستندات WIZnet .
1 2 3 "ورقة بيانات RP2350 (الإصدار 2025-07-29)" (PDF) . 2025-07-29.
↑ "وحدات التحكم في محركات PWM بالتفصيل" . وثائق مسابقة FIRST للروبوتات .
↑ "توليف الأوتار: تعديل عرض النبضة وأصوات الأوتار" . www.soundonsound.com .
↑ هيراك باتانجيا، سري نيخيل جوبتا جوريسيتي، "معدل متفوق توافقيًا مع نطاق أساسي واسع وقابلية ضبط في الوقت الحقيقي"، ندوة IEEE الدولية حول التصميم الإلكتروني (ISED)، الهند، 11 ديسمبر.
↑ هيراك باتانجيا، سري نيخيل جوبتا جوريسيتي، "إزالة التوافقيات في الوقت الحقيقي باستخدام حامل معدل"، CONIELECOMP، المكسيك، فبراير 2012.
↑ هيراك باتانجيا، سري نيخيل جوبتا جوريسيتي، "استراتيجية جديدة للتخلص التوافقي الانتقائي بناءً على نموذج PWM الجيب الجيب"، MWSCAS، الولايات المتحدة الأمريكية، أغسطس 2012.

روابط خارجية

[1] لا ينبغي الخلط بينه وبين تعديل كثافة النبض ، والذي يُختصر أيضًا إلى PDM .

[2] باترفيلد، أندرو جيه؛ شيمانسكي، جون، محرران. (2018). "قاموس الإلكترونيات والهندسة الكهربائية" . مرجع أكسفورد . doi : 10.1093/acref/9780198725725.001.0001 . ISBN 978-0-19-872572-5.

[3] "تحديد حجم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصل بالشبكة ... مع بطارية احتياطية" . مجلة الطاقة المنزلية .

[4] "تعديل عرض النبضة: شرح المبادئ الأساسية" (ملف PDF) . عالم اللاسلكي . ديسمبر 1945. الصفحات 361-362 .

[5] ويستمايز، دبليو كيه (1946). "طريقة جديدة لمواجهة الضوضاء في إعادة إنتاج الأفلام الصوتية" . مجلة جمعية مهندسي الصور المتحركة . 47 (5): 426-440 . doi : 10.5594/J12769 . ISSN 0097-5834 . مؤرشف من الأصل في 6 سبتمبر 2022 - عبر IEEE.

[6] دبليو كي ويستميجز (أبريل 1946)، "طريقة جديدة لمواجهة الضوضاء في إعادة إنتاج الأفلام الصوتية" (ملف PDF) ، مجلة فيليبس التقنية

[7] شونونج، أ. ستيميلر، هـ. (أغسطس 1964). "Geregelter Drehstrom-Umkehrantrieb mit gesteuertem Umrichter nach dem Unterschwingungsverfahren". بي بي سي ميتيلونجن . 51 (8/9): 555 – 577.

[8] "مجموعة الهندسة المرتبطة" . دليل غريس لتاريخ الصناعة البريطانية .

[9] GB 1486821 ، هانت، نورمان ونودينغز ، جون، "أنظمة الاستجابة للسرعة"، صدر في 28 سبتمبر 1977، مُخصص لشركة أسوشيتد إنجينيرينغ ديفيلوبمنتس المحدودة

[10] GB 1382331 ، هانت، نورمان ونودينغز ، جون، "أنظمة التحكم في ناقل الحركة الأوتوماتيكي"، صدر في 29 يناير 1975

[11] GB 1414301 ، هانت، نورمان، "صمامات التحكم في السوائل"، صدر بتاريخ 19-11-1975

[12] بروكينغتون، بول (25-07-1975). "محددات سرعة الطريق - جزء من حزمة الاقتصاد" . أرشيف السيارات التجارية .

[13] "محددات السرعة الاقتصادية" . أرشيف المحركات التجارية . 1986-05-03.

[14] غاريت، كين (9 يناير 1975). "ضوابط أبسط تعني سيارات أكثر أمانًا". مجلة نيو ساينتست . الصفحات 68-70 .

[15] بار، مايكل (1 سبتمبر 2001). "مقدمة في تعديل عرض النبضة (PWM)" . مجموعة بار .

[16] أساسيات أنظمة التحكم في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، بقلم روبرت ماكدويل، ص 21

[17] هاوسماير، كاتارينا؛ شولي تشي؛ بيتر سينغرل؛ كريستيان فوغل (فبراير 2013). "تعديل عرض النبضة الرقمي الخالي من التشويش لأجهزة إرسال الترددات اللاسلكية ذات نمط النبضات". معاملات IEEE في الدوائر والأنظمة I: أوراق بحثية عادية . 60 (2): 415-427 . Bibcode : 2013ITCSR..60..415H . CiteSeerX 10.1.1.454.9157 . doi : 10.1109/TCSI.2012.2215776 . S2CID 21795841 .

[18] J. Huang, K. Padmanabhan, and OM Collins, “The sampling torem with constant amplitude variable width pulses”, IEEE transactions on Circuits and Systems, vol. 58, pp. 1178 - 1190, June 2011.

[19] ويسكوت، تيم (14 أغسطس 2018). "أخذ العينات: ما لم يذكره نايكويست، وكيفية التعامل معه" (ملف PDF) . خدمات تصميم ويسكوت. تُعدّ نظرية نايكويست-شانون لأخذ العينات مفيدة، ولكن غالبًا ما يُساء استخدامها عندما يُحدّد المهندسون معدلات أخذ العينات أو يُصمّمون مرشحات منع التداخل.

[W7500-20] 1 2 3 "تعديل عرض النبضة (PWM) [ وحدة التحكم الدقيقة W7500 ] " . نظام مستندات WIZnet .

[RP008373-21] 1 2 3 "ورقة بيانات RP2350 (الإصدار 2025-07-29)" (PDF) . 2025-07-29.

[22] "وحدات التحكم في محركات PWM بالتفصيل" . وثائق مسابقة FIRST للروبوتات .

[23] "توليف الأوتار: تعديل عرض النبضة وأصوات الأوتار" . www.soundonsound.com .

[24] هيراك باتانجيا، سري نيخيل جوبتا جوريسيتي، "معدل متفوق توافقيًا مع نطاق أساسي واسع وقابلية ضبط في الوقت الحقيقي"، ندوة IEEE الدولية حول التصميم الإلكتروني (ISED)، الهند، 11 ديسمبر.

[25] هيراك باتانجيا، سري نيخيل جوبتا جوريسيتي، "إزالة التوافقيات في الوقت الحقيقي باستخدام حامل معدل"، CONIELECOMP، المكسيك، فبراير 2012.

[26] هيراك باتانجيا، سري نيخيل جوبتا جوريسيتي، "استراتيجية جديدة للتخلص التوافقي الانتقائي بناءً على نموذج PWM الجيب الجيب"، MWSCAS، الولايات المتحدة الأمريكية، أغسطس 2012.

[ a ]

[ 1 ]

[ 2 ]

[

[

[

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ] أن تحويل PWM يمكن أن يكون مثاليًا.

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗