SINCO - nhà sản xuất và phân phối thiết bị điện

PWM là gì? Nguyên lý và ứng dụng trong công trình và thực tế

Tác giả: OneAds Ngày đăng: 24.10.2024

PWM với khả năng điều khiển năng lượng chính xác và hiệu quả, đã len lỏi vào vô số lĩnh vực trong cuộc sống hiện đại. Hãy tưởng tượng một ngày của bạn với: chiếc quạt mát dịu nhẹ nhờ PWM điều chỉnh tốc độ động cơ, màn hình LED hiển thị sắc nét với độ sáng được kiểm soát bởi PWM, và điện thoại sạc nhanh chóng nhờ bộ sạc sử dụng PWM để tối ưu dòng điện. Hãy cùng  SaiGon Sinco tìm hiểu PWM là gì? Nguyên lý và ứng dụng trong công trình và thực tế qua bài viết sau nhé!

 

PWM là gì?

 PWM, viết tắt của Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung), là một kỹ thuật điều chế tín hiệu cho phép điều khiển công suất được truyền tải đến một tải điện bằng cách thay đổi độ rộng xung của tín hiệu. Nói một cách dễ hiểu, thay vì thay đổi điện áp hoặc dòng điện liên tục, PWM sử dụng một chuỗi các xung vuông với tần số cố định nhưng chu kỳ làm việc (tỷ lệ thời gian xung ở mức cao so với chu kỳ) thay đổi để điều chỉnh lượng năng lượng được truyền đi.

Nguyên lý hoạt động dựa trên 3 yếu tố cốt lõi:

  • "Nhịp điệu" của PWM hay còn gọi là Tần số xung (Frequency) xác định số lần "bật tắt" nguồn điện trong một giây. Tần số này thường được giữ cố định trong suốt quá trình hoạt động.

  • Chu kỳ xung (Period) là khoảng thời gian của một lần "bật tắt" hoàn chỉnh, tính bằng nghịch đảo của tần số xung.

  • Độ rộng xung (Pulse Width) là "chìa khóa" của PWM! Độ rộng xung là khoảng thời gian mà nguồn điện được "bật" trong mỗi chu kỳ. Điều chỉnh độ rộng xung (duty cycle) sẽ thay đổi lượng năng lượng trung bình được truyền tải.

Nếu bạn chưa hiểu dưới đây là ví dụ dễ hiểu cho bạn:

Hãy tưởng tượng bạn hâm nóng một cốc nước bằng bếp. Thay vì bật bếp liu riu, bạn sẽ bật tắt liên tục. PWM cũng tương tự như vậy. Nó bật tắt nguồn điện rất nhanh với tần số cố định.

"Bí mật" nằm ở thời gian "bật" trong mỗi lần bật tắt (độ rộng xung). "Bật" lâu hơn, nước nóng nhanh hơn (công suất cao), và ngược lại. Dù bật tắt liên tục, tần số cao khiến ta không nhận ra sự ngắt quãng, nước vẫn nóng đều.

PWM - điều khiển sức mạnh từ những nhịp bật tắt!

Ưu điểm của PWM:

Một trong những ưu điểm lớn nhất của PWM là tổn hao công suất thấp. Do hoạt động dựa trên cơ chế chuyển mạch bật/tắt hoàn toàn nên PWM giảm thiểu tối đa năng lượng thất thoát dưới dạng nhiệt, từ đó tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống. 

Ngoài ra,  PWM dễ dàng được điều khiển bởi các tín hiệu kỹ thuật số, cho phép tích hợp dễ dàng với vi điều khiển và các hệ thống tự động hóa hiện đại

PWM là gì?

PWM là gì?

 

Ứng dụng của PWM

PWM, với khả năng điều khiển công suất chính xác và hiệu quả, đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ tiêu biểu:

Điều khiển động cơ

PWM được sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ, từ những động cơ nhỏ gọn trong đồ chơi đến những động cơ công suất lớn trong các thiết bị công nghiệp. Thay vì thay đổi điện áp cấp cho động cơ, PWM điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi "thời gian" động cơ nhận điện áp. Duty cycle càng cao, động cơ quay càng nhanh và ngược lại.

Điều khiển bóng đèn LED

PWM là giải pháp tối ưu để điều chỉnh độ sáng đèn LED một cách hiệu quả và chính xác. Bằng cách thay đổi duty cycle của tín hiệu PWM cấp cho đèn LED, ta có thể kiểm soát lượng dòng điện chạy qua đèn, từ đó điều chỉnh độ sáng theo ý muốn.

Cung cấp điện

Trong các bộ nguồn switching, PWM đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp hiệu quả và ổn định. Bằng cách điều chỉnh duty cycle của tín hiệu PWM cấp cho transistor đóng cắt, ta có thể điều khiển điện áp đầu ra của bộ nguồn.

Các ứng dụng khác

Ngoài những ứng dụng phổ biến trên, PWM còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm:

  • PWM được sử dụng trong bộ khuếch đại Class D để tạo ra tín hiệu âm thanh chất lượng cao với hiệu suất vượt trội.

  • PWM được ứng dụng trong máy tạo nhịp tim, máy trợ thở,... để điều khiển chính xác các thông số hoạt động.

  •  PWM được sử dụng trong bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT (Maximum Power Point Tracking) để tối ưu hóa năng lượng thu được từ tấm pin năng lượng mặt trời.

Ứng dụng của PWM

Ứng dụng của PWM

 

Cách tạo tín hiệu PWM

Tín hiệu PWM đóng vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng điều khiển hiện đại. Để tạo ra tín hiệu PWM, chúng ta có thể sử dụng một số phương pháp phổ biến sau:

1. Phương pháp giao thoa: Kết hợp sóng răng cưa/tam giác và mạch so sánh

Phương pháp này sử dụng hai tín hiệu đầu vào:

Sóng răng cưa hoặc tam giác có tần số cố định, quyết định tần số PWM và tín hiệu điều khiển sẽ biểu thị mức độ mong muốn của đầu ra, thường là điện áp.

Mạch so sánh sẽ liên tục so sánh hai tín hiệu này. Khi tín hiệu điều khiển lớn hơn sóng răng cưa/tam giác, đầu ra của mạch so sánh ở mức cao, tạo ra xung PWM. Khi tín hiệu điều khiển nhỏ hơn, đầu ra ở mức thấp.

2. Điều chế delta: Tích phân và so sánh để tạo PWM

Phương pháp này sử dụng hồi tiếp để tạo tín hiệu PWM:

Tích phân tín hiệu lỗi là hiệu giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu đầu ra thực tế. Tín hiệu lỗi được tích phân theo thời gian.

Tín hiệu tích phân được so sánh với hai giới hạn đặt trước. Nếu vượt quá giới hạn trên, đầu ra PWM chuyển sang mức thấp và ngược lại.

3. Điều chế delta-sigma: Lượng tử hóa nhiễu cho độ phân giải cao

Tín hiệu lỗi được lượng tử hóa thành một chuỗi bit và chuỗi bit được điều chế thành tín hiệu PWM bằng cách sử dụng một bộ điều chế delta. Phương pháp này cho phép tạo tín hiệu PWM với độ phân giải rất cao, thường được sử dụng trong các bộ chuyển đổi digital-to-analog (DAC) hiệu suất cao.

4. Điều chế vector không gian: Điều khiển động cơ AC chính xác

  • Xác định vector từ thông và moment: Dựa trên tốc độ và moment mong muốn của động cơ.

  • Tính toán vector điện áp: Sử dụng biến đổi tọa độ và các thuật toán điều khiển.

  • Tạo tín hiệu PWM: Áp dụng kỹ thuật điều chế PWM để tạo ra ba tín hiệu PWM cho ba pha của động cơ.

Phương pháp này cho phép điều khiển chính xác vector từ thông và moment, giúp động cơ hoạt động hiệu quả và êm ái.

5. Tỷ lệ thời gian: Sử dụng bộ đếm để kiểm soát chu kỳ làm việc

Phương pháp này sử dụng bộ đếm để tạo ra tín hiệu PWM với chu kỳ làm việc xác định:

Thiết lập bộ đếm với tần số xung nhịp xác định, quyết định tần số PWM. Sau đó, giá trị đếm hiện tại được so sánh với giá trị đặt trước.

Tạo xung PWM là khi giá trị đếm nhỏ hơn giá trị đặt, đầu ra PWM ở mức cao. Khi giá trị đếm đạt đến giá trị đặt, đầu ra PWM chuyển sang mức thấp và bộ đếm được reset.

Cách tạo tín hiệu PWM

Cách tạo tín hiệu PWM

Tần số PWM và chu kỳ làm việc

Tần số PWM (Pulse Width Modulation frequency) là số lần chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM được lặp lại trong một giây.

Đơn vị đo: Hertz (Hz).

Tần số PWM ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và tính ổn định của hệ thống. Tần số cao mang lại tín hiệu điều khiển mượt mà hơn, giảm thiểu rung giật cho tải. 

Ví dụ, trong điều khiển động cơ, tần số PWM cao giúp động cơ vận hành êm ái và ít tiếng ồn hơn. Mặc dù yêu cầu linh kiện đáp ứng nhanh hơn, dẫn đến chi phí cao hơn, tần số PWM cao cho phép sử dụng cuộn cảm và tụ điện nhỏ gọn hơn, tối ưu hóa kích thước và trọng lượng mạch. Ngược lại, tần số PWM thấp dễ bị nhiễu điện từ tác động, gây ra hoạt động không ổn định.

Công thức tính tần số PWM sử dụng IC 555: 

f = 1/(ln(C1) * (R1 + 2R2))

Chu kỳ làm việc PWM: Tỷ lệ "bật" của tín hiệu

Chu kỳ làm việc PWM (Pulse Width Modulation Duty Cycle) là tỷ lệ phần trăm thời gian tín hiệu PWM ở mức cao ("bật") trong một chu kỳ.

Ký hiệu: D

Đơn vị đo: Không có đơn vị, thường được biểu diễn bằng phần trăm (%).

Cách tính toán: D = (Thời gian tín hiệu PWM ở mức cao) / (Chu kỳ PWM) * 100%

  • Mối quan hệ với công suất/điện áp đầu ra: Chu kỳ làm việc PWM quyết định lượng năng lượng trung bình được truyền đến tải.

  • Chu kỳ làm việc tăng: Điện áp/công suất trung bình tăng.

  • Chu kỳ làm việc giảm: Điện áp/công suất trung bình giảm.

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp đầu ra (Vd):

Vd = Vmax * (t1 / T) = Vmax * D

Tần số PWM và chu kỳ làm việc

Tần số PWM và chu kỳ làm việc

Tóm lại, PWM là gì? để có khả năng điều khiển công suất chính xác và hiệu quả, đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Qua bài viết trên, Saigon Sinco hy vọng bạn sẽ hiểu thêm về nguyên lý, ứng dụng cũng như cách hoạt động của PWM trong công trình và thực tế. 
 

CTY TNHH TM XÂY LẮP CÔNG NGHIỆP SÀI GÒN (SINCO ENGINEERING): 

Công Ty TNHH Thương Mại Xây Lắp Công Nghiệp SÀI GÒN Sinco - nhà sản xuất và phân phối thiết bị điện hàng đầu tại Việt Nam. Chúng tôi cung cấp tủ điện, máy biến áp và nhiều sản phẩm chất lượng khác.

  • Địa chỉ: 489/9 Mã Lò, Khu phố 1, Phường Bình Hưng Hòa A, Bình Tân, Hồ Chí Minh

  • Hotline: 0946556058 - 0914510058

  • Email: saigonsinco@gmail.com

  • Website: https://www.saigonsinco.com

MỜI QUÝ KHÁCH XEM THÊM CÁC SẢN PHẨM KHÁC CỦA CHÚNG TÔI TẠI ĐÂY:

Bạn đang xem: PWM là gì? Nguyên lý và ứng dụng trong công trình và thực tế
Bài trước Bài sau
popup

Số lượng:

Tổng tiền:

Đã xem