PWM Sinyali Çalışma Mantığı

    2017 senesinde ilk yazımı Analog Dijital Sinyal Dönüşüm Mantığının nasıl olduğunu anlatmak üzerine seçmiştim. Sinyal dönüşümü zekice kurgulanmış bir yaklaşımdır ve sanki anlaşılasın diye de anlatılan hiçbir yerde net, yalın bir anlatım bulunmaz. Belki de anlatanlar da kendinden emin değil, insan biraz şaşırıyor. Sinyal dönüşümünü açık şekilde anlatmaya çalışmamın  üzerinden iki yıl geçtikten sonra yine ne olduğunu kavrayana kadar oldukça efor sarfettiğim ve kendisine bol bol, bomboş dakikalarca baktığım konuyu anlatmaya çalışacağım.
    Genel anlamda sinyal konusunda kafanızda bir soru işareti bulunuyor ise bahsettiğim yaıyı okuyabilirsiniz çünkü burada sinyalin ne olduğunu bildiğinizi varsayarak anlatımımı sürdüreceğim.
    Öyleyse başlayalım, nedir bu...

     PWM SİNYALİ?

 Pulse Width Modulation. Darbe genişliği modülasyonu olarak tanımlanan bu sinyalin içinde ayrı ayrı deniğinilmesi gereken üç kavramı da inceleyelim:

 Pulse(Darbe):

    Elektronik jargonunda darbe, sinyal üreticinin ardarda aktif, inaktif hale geçmesi sonucu meydana getirdiği durum değişikliği toplamına deniyor. Mesela yandaki şekildeki gibi bir elektrik devresinde devreden geçen akımın gerilim değeri 0V'u gösterirken, bir anda devreden akım akması sonucu 5V'ye ulaşılması ve 5V'de bir miktar beklendikten sonra tekrar 0V'a düşülmesine bir darbe denmekte.

 Width(Genişlik):

    Bu sefer sinyalin darbe'ye başladığı ve darbeyi sonlandırdığı anlar arasındaki zamana genişlik diyoruz.

Modulation(Modülasyon-kipleme-değişim):

    Bu darbenin genişliğinin değiştirilmesine verilen isim de modülasyon.

   Üç kavramı da inceledikten sonra PWM'le ne iş yapıldığı açık: Darbe genişliğini değişitiriliyor. Şimdi, elektronik sistemlerde bir eksiklik olmasından kaynaklı böyle bir sinyal oluşturmaya ihtiyaç duyulduğunu söyleyebilirim. Peki neden...

    PWM SİNYALİNE İHTİYAÇ VAR?

    Asıl ihtiyaç olan şey analog sinyal üretmek. Eğer bir bilgisayar sistemini yahut herhangi bir elektronik sistemi kullanıyorsanız, literatürde ayrık zaman(discrite time) denilen bir düzlemde iş yapıyorsunuz demektir. Ayrık zaman basitçe dijital sinyal kullanılan modelleri ifade eder.

    Şimdi dijital sinyal alıp yine dijital sinyal üreterek, dijital sinyal veriyorsunuz. Peki bu dijital sinyalle çalıştığınız elektronik bileşeni kullanarak analog sinyalle çalışan bir elemanı kontrol etmek isterseniz?
    Mesela bir ampulünüz var, ampulün parlaklığının ona verilen gerilimle değiştiğini biliyorsunuz. örneğin 5V gerilim verdiğinizde tam parlaklıkta yanıyor, 4, 3, 2 şeklindeki gerilim değerlerinde de parlaklığı doğru orantılı olarak azalıyor. Ancak elinizdeki elektronik sistemden sadece 5V çıkış alabiliyor ve ampule uygulayabiliyorsunuz. O zaman ne yapacaksınız?

    Aslında en sağlam çözüm DAC kullanmak. Dijital sinyalinizi Analoğa DAC kartı yardımıyla dönüştürürsünüz, ampulü sürersiniz. Peki DAC pahalıysa ve basit bir ampul için o parayı vermek istemiyorsanız? İşte bu noktada PWM sizin çalışmanızı kurtarıyor. Kartınıza PWM oluşturtuyorsunuz ve buum, artık ampulü sürebilirsiniz. Gelelim şimdi açıklamamızın can damarına PWM sinyali

    NASIL ÇALIŞIR?

    Dedik ki elimizdeki donanım sadece dijital sinyal üretebiliyor, analog'u üretemiyor. Yani donanımın bir çıkış pin'i var ve bu pin ya 0V verebiliyor ya 5V. İşte burada devrin elektronikçilerinin yaptığı şahane bir çakallık var, teori ile pratiğin örtüşmemesini kullanmak. 

    Normal de dijital pinleri aktif ettiğimiz an o pinden 5V çıkış alırız ve kapattığımız anda ise 0V'a düşer. Ya da biz düştüğünü varsayarız. Peki gerçekte ne olur?

    Tam anlamıyla sağdaki olay. Sizi pini aktif edersiniz ve ondan 5V beklersiniz, bir anda 0'dan 5'e yükselmesini. Ancak pinin fiziksel yeterliliği buna müsade etmez. Sonuçta elektriğin de bir hızı vardır ve elektriğin geçtiği yol ona bir direnç uygular. Bu sebeplerle pin 5V'ye gecikerek gider. Ve bu gecikme süresince de pin, 0 ile 5V arasındaki tüm değerlere uğrar!

    İşte PWM sinyali buradan gelir. Aslında tamamen elektronik dünyanın ideal dünya ile uyuşmamasından kaynaklanır. Elektronik donanıma, pinden giden sinyali bir desene göre sürekli durdurup tekrar sağlaması söylenir. elde edilmek istenen sinyal değerine göre darbenin genişliği arttırılarak azaltılır. ve sürekli olarak pin açılıp kapatıldığı için pinden sağlanan değer istenilen noktada tutulmaya çalışılır. 

    Örneğin, teorik anlamda pini aktif ettiğimiz an 0'dan 5V'a geçer. Ancak gerçekte bu 0 ile 5V arasında geçen süre 1 sn olsa, 0'dan yavaş yavaş yükseleceği için sinyalin aradaki değerlere uğrayacağını düşünebiliriz. O zaman pini aktif ettik ve 0.5 sn sonra pini inaktif edip hiç beklemeden tekrar aktif ettik ve bunu sürekli yapmaya devam ediyoruz.

    Teorik anlamda bu yaptığımız ard arda 0-5V arasında gidip gelirken darbe genişliğimizi 0.5 sn yapmak oluyor ve görmemiz gereken şekil soldaki kırmızı sinyal gibi dikdörtgen bir sinyal şekliyken pratikte soldaki yeşil sinyal gibi olmak istediğimiz noktanın etrafında çok küçük değişimler yaşayan neredeyse sabit bir sinyal olur. İşte PWM'in mantığı.

    Aslında olması gereken 0 ve 5V'tur. ve bu teoride böyledir. Ama gerçek hayat buna uymaz ve biz bunu uyumsuzluğu kullanarak dijital bir sinyali analog gibi kullanabiliriz. Böylece yukarıdaki ampulü sadece 0 ve 5V çıkış verebilen bir cihazla analog veriyormuş gibi sürebiliriz.

    Burada göz ardı edilmemesi gereken iki nokta vardır. Öncelikle sinyalin 0'dan 5'e ulaşması için geçen süre donanımdan donanıma değişiklik gösterir ve burada devreye duty-cycle denilen bu yazıda anlatmayacağım başka bir kavram daha girer. Ve PWM sinyali  sürekli bir değşik içerdiğinden, gürültüye aşırı duyarlıdır. En küçük çevresel faktörden parazit alır.
   Bunun dışında son kez ve daha iyi anlamak adına yandaki ve aşağıdaki giflere iyice bakın lütfen, elektronik sistemimiz nasıl da kendini sadece aç kapa yapmaya odaklıyor ancak biz nasıl da onun gecikmesini kendi lehimize çeviriyoruz.

PWM sinyal çalışma mantığı da olabilecek en temiz şekilde bu.

Türkçe kaynak olarak yardımcı olacağını düşünüyorum. umarım faydasını görürsünüz.



                                                                           Cem Baybars GÜÇLÜ