Giới thiệu Module PWM là gì?

0
1374

Trong bài này chúng ta sẽ giới thiệu module điều chế độ rộng xung pulse width modulation (PWM). Điều chế độ rộng xung có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông kỹ thuật số, điện tử công suất, điều khiển cường độ sáng của đèn đường , điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều và biến tần để tạo tín hiệu tương tự từ tín hiệu số , bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự. Còn có nhiều ứng dụng khác cũng áp dụng kỹ thuật này.

Hai phương pháp được sử dụng để tạo ra tín hiệu PWM là phương pháp digital và phương pháp analog. Tôi sẽ thảo luận về cả hai phương pháp này ở cuối bài viết này. Nào! Bây giờ chúng ta hãy bắt đầu với giới thiệu cơ bản về điều chế độ rộng xung.

Điều chế độ rộng xung hay PWM là một kỹ thuật để nhận tín hiệu analog từ các tín hiệu digital. Có các ứng dụng trong biến tần, chuyển đổi nguồn điện một chiều sang điện một chiều.

YouTube video

Khái niệm điều chế độ rộng xung

PWM là viết tắt của pulse width modulation tạo các sóng vuông. Bạn có thể điều chỉnh thời gian tăng hoặc mức logic cao trong một tín hiệu PWM. Điện áp cực tiểu và cực đại là giá trị giới hạn dao động của sóng, mỗi điểm tại vị trí giới hạn gọi là biên độ của sóng. Chu kỳ là một khoảng thời gian mà tín hiệu được lặp lại. Chu kỳ của một tín hiệu được xác định như sau:

Chu kỳ = thời gian ở mức cao + thời gian ở mức thấp

Tần số PWM

Tần số là trong một khoảng thời gian nhất định có bao nhiêu chu kỳ được lặp lại. Ví dụ: Chu kỳ của một tín hiệu là 20ms, thì tần số của tín hiệu đó là 50Hz. Trong đó Hz là đơn vị của tần số được gọi là Hert.

Tần số = 1 / chu kỳ

Hình ảnh dưới đây cho thấy biên độ và chu kỳ hẹn giờ của một dạng sóng.

Hình ảnh dưới đây cho thấy biên độ và chu kỳ hẹn giờ của một dạng sóng.

Chu kỳ hoạt động

Chu kỳ hoạt động là một khái niệm quan trọng được sử dụng trong điều chế độ rộng xung.

Chu kỳ hoạt động thể hiện thời gian mà tín hiệu ở mức cao trong tổng khoảng thời gian của một chu kỳ.

Chu kỳ hoạt động

Vì vậy, công thức cho chu kỳ hoạt động được hiển thị trong biểu thức sau:

Chu kỳ hoạt động = thời gian tín hiệu ở mức cao / thời gian của toàn chu kỳ

Cách tính toán điện áp đầu ra của tín hiệu PWM

Để tính toán chu kỳ dao động, bạn cần biết thời gian tín hiệu ở mức cao. Giả sử đặt thời gian tín hiệu ở mức cao là 6ms và thời gian tín hiệu ở mức thấp là 4ms. Tổng thời gian của một chu kỳ là 10ms. Bây giờ chúng ta hãy dùng một nguyên tắc cơ bản để tính tỷ lệ phần trăm xuất hiện tín hiệu ở mức cao.

Chu kỳ hoạt động = 6/10 = 0.6

Bằng cách này chúng ta nhận được kết quả chu kỳ hoạt động là 0.6 nhưng đại lượng này không có đơn vị. Chúng ta thường đo chu kỳ hoạt động theo tỷ lệ phần trăm có giá trị từ 1 đến 100%. Chu kỳ hoạt động tối thiểu là 0 hay 0% tín hiệu tắt hẳn trong toàn chu kỳ. Bạn có thể xem hình ảnh bên dưới về các tín hiệu với các chu kỳ xử lý khác nhau.

Cách tính toán điện áp đầu ra của tín hiệu PWM

Biên độ của PWM

Biên độ của điều chế độ rộng xung là một khái niệm quan trọng khác mà bạn cần phải biết. Biên độ là sự chênh lệch giữa điện áp tối đa và điện áp tối thiểu của tín hiệu.

Biên độ = Vmax – Vmin

Trong trường hợp tín hiệu số, điện áp tối thiểu hầu hết bằng không. Vậy biên độ là điện áp đỉnh của tín hiệu. hãy tưởng tượng một tín hiệu PWM dao động trong khoảng từ 0 đến 5V. giả sử tín hiệu này có chu kỳ hoạt động là 50%. Đầu ra sẽ là 2,5V.

Trong trường hợp tín hiệu số, điện áp tối thiểu hầu hết bằng khôn

Khi bạn cấp sóng vuông có chu kỳ làm việc 50% này cho đèn LED. Bạn sẽ nhận được điện áp 2,5V trên diode phát sáng. Bởi vì khi cấp một sóng vuông có chu kỳ làm việc 50% làm nguồn điện áp đầu vào, thì công thức của điện áp đầu ra sẽ là:

Vout = D x Vmax

Trong đó D là chu kỳ hoạt động của xung có tín hiệu điều chế hoặc sóng vuông, nhân điện áp tối đa với chu kỳ nhiệm vụ. Theo công thức trên của điện áp đầu ra, chúng ta có thể thấy rõ ràng mối quan hệ trực tiếp giữa điện áp đầu ra và chu kỳ làm việc.

Điện áp hoặc biên độ cực đại của tín hiệu không đổi. Để có được điện áp cao hơn, chúng ta cần một tín hiệu chu kỳ nhiệm vụ cao hơn. Để có điện áp thấp hơn ở đầu ra, chúng ta cần cấp tín hiệu chu kỳ xử lý thấp hơn.

Điện áp đầu ra tối đa sẽ bằng = Vmax khi chu kỳ làm việc = 100% hoặc 1 

Điện áp đầu ra tối đa sẽ bằng 0 khi chu kỳ làm việc = 0

Khái niệm tương tự được sử dụng để kiểm soát cường độ sáng của đèn đường. Phương pháp tương tự được sử dụng trong các mạch điện tử công suất để giảm điện áp bằng cách sử dụng các mạch biến đổi buck.

Vì vậy, bây giờ bạn đã học các khái niệm cơ bản về điều chế độ rộng xung như chu kỳ xử lý, thời gian của tín hiệu, thời gian tắt của tín hiệu, khoảng thời gian của PWM và biên độ của nó. Trong phần còn lại của bài viết này, tôi sẽ giải thích các phương pháp khác nhau được sử dụng để tạo tín hiệu PWM.

Kỹ thuật tạo điều chế độ rộng xung

Hai phương pháp được sử dụng để tạo PWM:

  • Sử dụng mạch digital như vi điều khiển
  • Sử dụng mạch analog như bộ khuếch đại hoạt động và mạch so sánh

Điều chế độ rộng xung sử dụng vi điều khiển

Để tạo tín hiệu digital với chu kỳ hoạt động thay đổi, bạn nên sử dụng bộ vi điều khiển như Arduino. Vì các vi điều khiển này đã tích hợp sẵn module để tạo ra tín hiệu digital. Bạn có thể dễ dàng thiết lập chu kỳ làm việc với sự trợ giúp của lập trình vi điều khiển với ngôn ngữ c. Xem các bài đăng này để tạo PWM bằng vi điều khiển.

  • PWM sử dụng vi điều khiển PIC16F877A
  • PWM sử dụng vi điều khiển PIC16F877A

YouTube video

Điều chế độ rộng xung sử dụng mạch tương tự

Cách đơn giản nhất để tạo ra tín hiệu PWM là sử dụng bộ khuếch đại thuật toán op – amp. Để tạo tín hiệu kỹ thuật số với bộ khuếch đại thuật toán, chúng tôi sử dụng bộ khuếch đại thuật toán như một mạch so sánh.

Bộ khuếch đại thuật toán bao gồm hai đầu vào không đảo và đảo. Chúng tôi áp dụng sóng tam giác ở đầu vào không đảo và đầu vào điện áp điều khiển tại chân đảo của bộ khuếch đại thuật toán. Hình ảnh dưới đây cho thấy toàn bộ quá trình tạo ra tín hiệu pwm bằng cách sử dụng bộ khuếch đại thuật toán.

Điều chế độ rộng xung sử dụng mạch tương tự

Vì vậy, để hiểu hoạt động của phương pháp này, trước tiên bạn cần hiểu hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán như một mạch so sánh.

Chỉ như vậy bạn mới có thể hiểu từ các hình trên, khi điện áp tam giác đặt vào đầu vào không đảo nhỏ hơn điện áp điều khiển được áp dụng cho chân đảo của bộ khuếch đại thuật toán, đầu ra của mạch so sánh sẽ thấp và bất cứ khi nào điện áp của tín hiệu tam giác là lớn hơn điện áp điều khiển, đầu ra của bộ so sánh sẽ cao.

Vì vậy tín hiệu mức cao hoặc điều chế độ rộng xung phụ thuộc vào độ lớn của điện áp điều khiển. Vì vậy, điện áp điều khiển trung bình và chu kỳ nhiệm vụ của nó tỷ lệ nghịch với nhau.

Bởi vì chu kỳ nhiệm vụ tỷ lệ thuận với thời gian của tín hiệu PWM. Để có được chu kỳ nhiệm vụ cao hơn, chúng ta cần giảm giá trị của điện áp điều khiển.

Để có được chu kỳ nhiệm vụ thấp hơn, chúng ta cần tăng giá trị của điện áp điều khiển. Vì vậy, đây là cách dễ dàng tạo ra PWM với sự trợ giúp của các thành phần điện tử tương tự.

Phương pháp khác để tạo PWM

Có rất nhiều mạch tích hợp có sẵn trên thị trường được sử dụng để tạo ra tín hiệu PWM và chúng cũng có khả năng tạo ra các tín hiệu kỹ thuật số chu kỳ nhiệm vụ thay đổi. Tên của một số người trong số họ được đưa ra dưới đây:

  • IC hẹn giờ 555
  • Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung SG3525

Các ứng dụng của điều chế độ rộng xung

Có nhiều ứng dụng khác nhau như trong biến tần, biến tần ba pha và điện tử công suất:

  • Biến tần năng lượng mặt trời sử dụng SG3525
  • Tạo SPWM sử dụng pic16f877a
  • Biến tần sóng sin ba pha sử dụng Arduino
  • SVPWM ba pha sử dụng vi điều khiển Pic

>>> Mời anh em xem thêm

Tôi là một người làm việc trong lĩnh vực cơ khí, thiết bị công nghiệp....Blog là nơi tôi chia sẻ thông tin hữu ích đến các bạn đọc.
Subscribe
Notify of
0 Bình luận
Inline Feedbacks
View all comments