چرخه وظیفه در مهندسی الکترونیک

چرخه وظیفه یا duty cycle چیست ؟

چرخه وظیفه یا duty cycle مفهومی حیاتی است که نسبت زمانی را که یک سیگنال در حالت فعال صرف می کند در مقایسه با دوره کل آن توصیف می کند. این مفهوم به طور گسترده در کاربردهای مختلف، از مدولاسیون عرض پالس در سیستم های کنترل تا مدولاسیون سیگنال در مخابرات استفاده می شود. کلمه “چرخه وظیفه ” در الکترونیک و مهندسی برای بیان نسبت زمانی که یک سیستم، دستگاه ی ا جزء فعال است یا در حالت “روشن ” در مقایسه با کل دوره کارکرد استفاده می شود.

معمولاً به صورت درصد نشان داده می شود و درصد زمانی را که سیستم در طول یک چرخه کامل فعال است را نشان می دهد. چرخه وظیفه در زمینه سیگنال های الکتریکی و شکل موج به درصد
زمانی اشاره دارد که یک سیگنال در حالت “بالا ” خود (اغلب به صورت “روشن” یا 1 بیان می شود) نسبت به مدت زمان کل آن است. ی ک پارامتر حیاتی در کاربردهای مختلف است، از کنترل روشنایی LED تا تنظیم سرعت موتور در رباتیک در بر می گیرد.

محاسبه چرخه

چرخه ی وظیفه (%) = ( کل زمان دوره / زمان دوره فعال) * 100

همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید در شکل موج اول نسبت زمان یک بودن یا بالا بودن سیگنال به نسبت کل زمان موج که یک دوره نامیده می شود (مدت زمانی که سیگنال یک می شود
تا وقتی که دوباره می خواهد یک شود) یک دهم است در نتیجه چرخه وظیه در این شکل موج 10 درصد است.برای دو شکل موج دیگر نیز به همین صورت محاسبه می شود.

اصطلاحات اولیه

چرخه ی وظیفه: که به صورت درصد نشان داده می شود، نشان دهنده کسری از زمانی است که یک سیگنال در حالت فعال خود در یک چرخه کامل سپری می کند .

زمان فعال: مدت زمانی که سیگنال در حالت فعال یا بالا باقی می ماند .

زمان کل: دوره کامل یک سیکل سیگنال شامل فازهای فعال و غیرفعال است .

سطح بالا: سطح ولتاژ حالت فعال سیگنال .

سطح پایین: سطح ولتاژ وضعیت غیر فعال سیگنال .

مدولاسیون عرض پالس (PWM) و چرخه وظیفه

کنترل چرخه ی وظیفه: چرخه  نسبت زمانی را که سیگنال روشن است در مقایسه با کل زمان یک دوره مشخص می کند .

تأثیر بر خروجی: چرخه وظیفه مستقیماً بر میانگین ولتاژ یا جریان عرضه شده به یک بار تأثیر می گذارد. هنگامی که چرخه کار افزایش می یابد، میانگین خروجی افزایش و کاهش می یابد، متوسط خروجی کاهش می یابد .

کاربردها : PWM در کاربردهایی مانند کنترل سرعت موتور و کاهش نور LED استفاده می شود. با تغییر چرخه ی وظیفه سیگنال PWM می توانید سرعت موتور یا روشنایی یک LED را کنترل کنید . در سیستم های سوئیچینگ با توجه به سیگنال بازخورد ارسالی از خروجی به مدار مجتمع (IC)، مدار مجتمع فرکانس PWM برای ثبات خروجی تولید می کند.

وضوح: وضوح سیگنال PWM با تعداد مقادیر چرخه ی وظیفه گسسته ای که می تواند نشان دهد تعیین می شود .

در این نمودار، مفهوم چرخه وظی فه را در شکل موج دوره ا ی نشان می ده یم. شکل موج با دوره معین تکرار می شود. بخش ” ON ” نشان دهنده دوره فعال یا سطح بالای سیگنال و در حالی که بخش ” OFF ” نشان دهنده دوره غیرفعال یا سطح پایین است. چرخه وظیفه به عنوان نسبت زمان “روشن ” به کل دوره تعر یف می شود و به صورت درصد بی ان می شود.

مرحله 1 : سیگنال را بشناسید

سیگنالی را که می خواهید چرخه کاری آن را تعیین کنید، مشخص کنید. این می تواند یک موج مربعی، سیگنال پالس یا هر شکل موجی با حالت های بالا و پایین مشخص باشد .

مرحله 2 : اندازه گیری زمان فعال

با استفاده از اسیلوسکوپ یا تحلیلگر سیگنال و اندازه گیری مدت زمانی که سیگنال در حالت فعال خود باقی می ماند .

مرحله 3 : زمان کل را اندازه گیری کنید

کل دوره یک چرخه سیگنال شامل فاز فعال و غیرفعال را اندازه گیری کنید .

مرحله 4 : چرخه را محاسبه کنید

فرمول چرخه وظیفه را اعمال کنید:

چرخه وظیفه =(زمان فعال / زمان کل)* 100

درصد چرخه وظیفه را محاسبه و بدست آورید .

کاربردها

بخشی از یک چرخه سیگنال که در طی آن سیگنال فعال یا زیاد است با چرخه وظیفه نشان داده می شود که اغلب به صورت درصد داده می شود. این یک پارامتر حیاتی در بسیاری از بخشها از جمله الکترونیک، مخابرات، سیستمهای کنترل و غیره است. در اینجا چند نمونه از کاربردهای معمول چرخه وظیفه آورده شده است:

1 . مدولاسیون عرض پالس (PWM)

PWM به طور گسترده در الکترونیک برای کاربردهایی مانند کنترل روشنایی LED ، کنترل سرعت موتور و تولید سیگنال های آنالوگ استفاده می شود. شما می توانید ولتاژ یا جریان متوسط ارائه شده به یک بار را با تغییر چرخه تنظیم کنید، که اساساً بر خروجی یا رفتار آن تأثیر می گذارد.

2 . کنترل موتور

PWM در سیستم های کنترل موتور برای کنترل سرعت و جهت موتورهای DC استفاده می شود. چرخه با تعیین میانگین ولتاژ ارائه شده به موتور، سرعت موتور را کنترل می کند .

3 . کنترل ولتاژ

تنظیم کننده های ولتاژ، مانند مبدل های باک و تقویت کننده، از کنترل چرخه کار استفاده می کنند. با تغییر چرخه بر اساس ورودی و ولتاژ خروجی دلخواه، به پایداری ولتاژ
خروجی کمک می کند .

4 . منابع سوئیچینگ برق

در منبع تغذیه سوئیچینگ، کنترل سیکل وظیفه برای تنظیم موثر ولتاژ و جریان خروجی بسیار مهم است .

5 . مخابرات

چرخه ی وظیفه در ارتباطات بی سیم برای نشان دادن نسبت زمان فعال بودن یک فرستنده نسبت به زمان کل استفاده می شود. چرخه وظیفه در سیستم های فرکانس رادیویی (RF) مهم است زیرا بر مصرف برق و تداخل تأثیر می گذارد .

نتیجه گیری

درک چرخه ی وظیفه اساسی در الکترونیک است ز یرا بر رفتار سیگنال و مدولاس یون در کاربردهای مختلف تأثی ر می گذارد. با پیروی از راهنمای گام به گام ارائه شده می توانید چرخه ی وظیفه را به طور دقیق محاسبه کنید و از این دانش در طراحی و آنالیز مدارها و سیستم های الکترونیکی استفاده کنید.