Xung PWM là gì? Giải thích nguyên lý điều khiển pwm

Các thiết bị như bộ chuyển đổi, máy biến tần hay bộ điều khiển tốc độ thường có một điểm chung là có nhiều công tắc điện tử ở bên trong. Thực chất, những công tắc này chính là các thiết bị điện tử công suất MOSFET, IGBT, TRIAC. Để có thể điều khiển được những công tắc điện này, người dùng sẽ cần sử dụng một thiết bị gọi là tín hiệu PWM. Đó là lí do bài viết hôm nay maynenkhikhongdau.net sẽ cùng với bạn đọc tìm hiểu xem thiết bị PWM là gì? PWM hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển nào? 

PWM là gì?

PWM là một loại tín hiệu được tạo ra từ bộ định thời 555 hoặc một vi mạch kỹ thuật số như vi điều khiển. Do đó, sẽ có một nhóm các xung ở dạng một sóng vuông xuất hiện sau khi vi mạch tạo ra tín hiệu. Vậy nghĩa là, sóng có thể cao hoặc thấp ở bất cứ thời điểm nào. 

Sau đây là một ví dụ cụ thể: xét 1 tín hiệu 5V PWM, trong trường hợp này, tín hiệu PWM có thể ở mức mặt đất 0V (thấp) hoặc 5V (cao). Khi tín hiệu duy trì được khoảng thời gian ở mức cao thì nó được gọi là “đúng giờ”. Ngược lại, nếu tín hiệu duy trì ở mức thấp, nó sẽ được gọi là “thời gian tắt”.

Điều chế độ rộng xung PWM là gì? Chế tạo PWM chính là việc điều khiển những dòng điện tiện lợi, cho phép chúng ta kiểm soát sản lượng nhiệt của máy sưởi, tốc độ của động cơ hoặc hơn thế nữa một cách êm ái (thường là êm hơn) và tiết kiệm năng lượng. Các ứng dụng hiện có cho PWM bao gồm:                 

• Bộ điều khiển quạt tản nhiệt thay đổi tốc độ.
• Hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC.
• Mạch truyền động động cơ xe hybrid và điện.
• Bộ điều chỉnh độ sáng của đèn LED.

Bẳng cách cắt giảm lượng điện năng của của một số thiết bị sử dụng động cơ như tủ lạnh biến tần (inverter), máy điều hòa không khí biến tần, máy giặt biến tần… Độ rộng xung đã thay đổi thế giới. Ví dụ: Máy điều hòa không khí biến tần có thể giúp tiết kiệm được một nửa năng lượng so với máy điều điều hòa thông thường. 

Ngày nay, khi một thiết bị được quảng cáo là có máy nén khí tốc độ thay đổi hoặc quạt tốc độ thay đổi (mà không bao gồm hai hoặc ba tốc độ quạt) thì sẽ có khả năng đáng kể là nó đang sử dụng PWM. 

Giải thích nguyên lý điều khiển PWM

Thông qua việc tạo ra xung dòng điện một chiều và thay đổi khoảng thời gian mỗi xung ở lại trạng thái “bật” nhằm kiểm soát được lượng điện chạy đến những thiết bị khác ví dụ như đèn LED. Vì PWM là bộ vi kỹ thuật số nên sẽ có 2 trạng thái bật/tắt (tương ứng với 1 và 0 trong thuật toán nhị phân và phù hợp với những ai hay sử dụng bộ vi điều khiển).

Đèn LED sẽ càng sáng khi xung được bật càng lâu. Ngoài ra, nó cũng sẽ không tự tắt do khoảng thời gian giữa các xung quá ngắn. Hoặc nói theo một cách khác thì nguồn điện của đèn LED bật và tắt hàng nghìn lần mỗi giây, tốc độ này nhanh đến mức đèn LED thật sự vẫn sáng mà không nhấp nháy. Hiện tượng này được gọi là mờ PWM, mạch như vậy được gọi là mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM. 

Thời gian xung bật sẽ phụ thuộc vào chu kỳ làm việc của bộ nguồn PWM. Nếu chu kỳ làm việc của bộ nguồn là 70% thì xung cũng sẽ bật trong khoảng 70% thời gian và đồng thời cũng tắt trong 30% thời gian. Chu kỳ thực hiện nhiệm vụ liên quan đến thời gian mà nó được bật. 

Độ sáng của đèn LED phải có mức độ gần sát với 70% . Vì hiệu suất của đèn LED thay đổi theo lượng dòng điện được cung cấp, nên mối tương quan giữa độ sáng và chu kỳ nhiệm vụ cũng không tuyến tính 100%.

Toàn bộ tín hiệu sẽ trở nên bằng phẳng, không biến động nếu chu kỳ nhiệm vụ là 0% (khi chu kỳ trở về 0% nghĩa là nguồn bị tắt). Đèn LED sẽ không hoạt động trong trạng thái như vậy. 

Nguyên nhân chính khiến các mạch PWM hoạt động rất hiệu quả là chúng không cố gắng hạn chế một phần dòng điện sử dụng điện trở. 

Cách điều chế độ rộng xung

Đây là cách điều chỉnh điện áp ra tải hay còn được gọi là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, khiến cho điện áp đầu ra có sự thay đổi.

Để điều chế độ rộng xung, người ta đã nghiên cứu ra 6 cách như sau: 

Điều chế độ rộng xung đơn

Đây là phương pháp điều chế dùng cho mạch điện 1 pha. Thông qua việc thay đổi độ rộng xung để điều khiển thời gian hoặc tín hiệu cổng của bóng bán dẫn để điều khiển điện áp đầu ra của biến tần. 

Thời gian hoạt động của bóng bán dẫn chắc chắn sẽ được thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng của tín hiệu chuyển phát nhanh. Chúng ta cũng có thể thay đổi điện áp đầu ra của biến tần khi thay đổi thời gian của bóng bán dẫn. Vì vậy, độ rộng của điện áp đầu ra sẽ nhận được là d nếu độ rộng xung của cổng mà chúng ta nhận được như một đầu ra hoặc bộ so sánh sau khi điều chế độ rộng xung.

Điều chế độ rộng xung tiêm hài bậc ba

Đối với đường dây đối với tải ba pha có điểm trung tính thuộc loại dấu phẩy động và các điện áp pha thì điện áp hài thứ 3 sẽ không có trên những địa điểm này. Vì vậy nó cũng sẽ không gây ra bất kỳ biến dạng nào trên điện áp pha. chúng ta có nhận được sự gia tăng biên độ ở dạng sóng điện áp đầu ra bằng cách thêm tín hiệu hài thứ ba trong tín hiệu tham chiếu hình sin tần số thấp.

Điều chế nhiều xung độ rộng

Là việc điều chế xung độ rộng của điệp áp đầu ra, bao gồm nhiều số lượng xung trên một nửa chu kỳ. Các xung được thay đổi theo tín hiệu sóng mang. Tần số của sóng được sử dụng trong chế độ rộng xung đơn nhỏ hơn tần số của sóng tam giác và nó cũng quyết định số lượng tín hiệu gating trên nửa chu kỳ. 

Hàm lượng sóng hài có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng nhiều xung. Số xung trên một nửa chu kỳ được quyết định bởi tần số. Còn chỉ số điều chế sẽ kiểm soát điện áp đầu ra. 

Điều chế độ rộng xung hình sin

Đây là phương pháp điều chế độ rộng xung được sử ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Độ rộng xung hình shin chỉ ra rằng: việc tạo ra các đầu ra của chế độ rộng xung với các đường sóng hình sin làm tín hiệu điều chế. 

Chúng ta cũng có thể thu được thời gian chuyển mạch của tín hiệu PWM bằng cách so sánh sóng hình shin tham chiếu với sóng tam giác có tần số cao. Bằng cách thay đổi chỉ số điều chế, giá trị RMS của điện áp đầu ra cũng sẽ được thay đổi. Hoặc  sử dụng một bộ lọc, chúng ta có thể dễ dàng loại bỏ các sóng hài bậc cao.

Điều chế độ rộng xung dải trễ

Đầu ra được tự do giao động trong dải lỗi được xác định trước trong kỹ thuật này được gọi là dải trễ. Tần số chuyển mạch của các thiết bị nguồn sẽ thay đổi tùy thuộc vào cường độ và tần số của tín hiệu tham chiếu. Ưu điểm hữu ích nhất của sơ đồ rộng xung này chính là khả năng đáp ứng nhanh chóng quá độ dòng và tải.

Điều chế độ rộng xung vector không gian

Chính là một thuật toán để điều khiển chế độ rộng xung (PWM). Chế độ này được sử dụng để tạo ra các dạng sóng dòng điện xoay chiều  (AC). Phổ biến nhất là điều khiển động cơ được cấp nguồn xoay chiều 3 pha ở nhiều tốc độ khác nhau. Vì thế đây cũng là phương pháp điều chế vecto cung cấp dòng điện hoặc điện áp đầu ra tối ưu.

Tại sao chúng ta cần có Điều chế độ rộng xung?

Khi nắm được sự khác nhau giữa tín hiệu xung và tín hiệu liên tục là gì lúc đó chúng ta sẽ hiểu được sự cần thiết của việc điều chế độ rộng xung. 

Như trong hình minh họa, một tín hiệu DC xung và một tín hiệu DC liên tục được thể hiện. Hai tín hiệu này đều có chung một giá trị đỉnh là 12V. Chu kỳ làm việc của tín hiệu xung là 50%. Nếu như bây giờ chúng ta kết nối một tải với nguồn DC liên tục thì tải sẽ nhận được đầy đủ 12V, nhưng khi kết nối tải đó với nguồn DC liên tục thì tải nhận được đầy đủ chỉ vỏn vẹn 6V. 

Vì giá trị trung bình của xung DC chỉ gồm 6V ở chu kỳ làm việc 50%. Nên nếu bây giờ chúng ta giảm chu kỳ nhiệm vụ xuống 25% thì giá trị trung bình của xung sẽ là 3V. Qua ví dụ trên, chúng ta có thể thấy rõ giá trị trung bình của tín hiệu xung luôn phụ thuộc vào chu kỳ hoạt động. 

Để động cơ của thiết bị chỉ tiêu thụ nhiều điện năng cần thiết mà không gây ra những hậu quả như: đốt cháy dòng điện, không sử dụng dưới dạng nhiệt. Trước đây, giải pháp thay thế cũ hơn là sử dụng mạch bóng bán dẫn, đơn giản bằng cách thay đổi điện trở của nó để có thể thay đổi  dòng điện đi qua. 

Quy tắc hiệu suất tương tự áp dụng cho điện trở này cũng được áp dụng cho bóng bán dẫn – năng lượng thường bị lãng phí bởi điện trở của chúng thường bị đốt cháy một phần dưới dạng nhiệt, nên có phương thức hoạt động khá giống với máy sưởi. 

Nhưng may thay, những mạch trên vẫn chưa phải là mạch chính thống, các thiết bị như: tủ lạnh, máy điều hòa không khí thì luôn hoạt động với một tốc độ tối ta, điều này không chỉ gây lãng phí nhiều điện năng do bật/tắt thường xuyên mà còn tạo ra tiếng ồn. 

Chúng ta vừa cùng nhau tìm hiểu những lý thuyết xoay quanh chủ đề PWM là gì? PWM có nguyên lý điều khiển như thế nào? Hy vọng rằng những kiến thức mà maynenkhikhongdau.net vừa cung cấp, sẽ giúp cho bạn đọc.