Vật lý là một lĩnh vực đặc biệt với tính ứng dụng cao trong đời sống hàng ngày. Nhiều hiện tượng đã được phát hiện và áp dụng trong các máy móc hiện đại, mang lại sự tiện lợi và phục vụ sản xuất. Trong kỹ thuật điện, chúng ta thường nghe đến thuật ngữ “PWM – Pulse Width Modulation” – tức là điều chế độ rộng xung.
PWM là gì?
PWM là phương pháp điều khiển điện áp tải ra dựa trên việc thay đổi độ rộng xung vuông, từ đó thay đổi điện áp. Đơn giản hơn, PWM là tín hiệu được tạo ra bằng mạch kỹ thuật số để điều khiển các thiết bị. Tín hiệu này sẽ có dạng xung sóng vuông, có nghĩa là trong bất kỳ thời điểm nào tín hiệu sẽ ở mức cao hoặc thấp. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung được coi là phương pháp điều khiển tiện lợi, giúp người vận hành kiểm soát tốc độ động cơ, hiệu suất hoạt động và tiết kiệm năng lượng.
Ứng dụng của PWM
Phương pháp điều chế độ rộng xung mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm:
- Kiểm soát và giảm tiêu hao năng lượng lãng phí.
- Nâng cao hiệu suất lên đến 90% và công suất xử lý năng lượng ở mức cao.
- Có thể áp dụng cho các mạch điện tần số cao.
- Chi phí vận hành rẻ hơn.
- Giúp kiểm soát biên độ và tần số độc lập.
- Giảm tình trạng nhiễu hệ thống.
Tuy nhiên, cũng cần lưu ý một số hạn chế của phương pháp điều chế độ rộng xung, bao gồm:
- Cấu tạo mạch phức tạp, gây ra sự đột biến điện áp.
- Gây nhiễu tần số vô tuyến và tiếng ồn.
- Yêu cầu thiết bị bán dẫn có thời gian bật – tắt thấp, tăng chi phí.
- Mức độ suy hao cao do chuyển mạch.
Nguyên lý hoạt động của PWM
Điều khiển chế độ rộng xung PWM hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng ngắt nguồn của thiết bị tải theo chu kỳ và thời gian đóng/cắt. Phần tử thực hiện việc đóng cắt mạch là các linh kiện bán dẫn. Cụ thể, cách hoạt động của PWM là:
- PWM tạo ra xung dòng điện 1 chiều và thay đổi khoảng thời gian của mỗi xung ở trạng thái “bật”. Từ đó, điều khiển dòng điện đến từng thiết bị trong mạch điện. PWM có dạng kỹ thuật số với hai trạng thái “bật” và “tắt”, tương ứng với số 0 và 1 trong hệ nhị phân.
- Mỗi xung có thời gian bật càng lâu, đèn sẽ càng sáng. Nếu khoảng cách giữa các xung quá ngắn, đèn led sẽ không tắt hoàn toàn và tạo ra cảm giác như đèn chiếu sáng liên tục.
- Ví dụ, nếu xung nguồn là 70%, thì thời gian bật sẽ chiếm 70% tổng thời gian. Đèn sẽ sáng lên đến 70% độ sáng. Nếu xung PWM bằng 0%, tín hiệu sẽ là một đường thẳng ngang và đèn led sẽ không hoạt động.
Chu kỳ và tần số của PWM
Để hiểu rõ hơn về điều chế độ rộng xung, chúng ta cần tìm hiểu về chu kỳ và tần số của nó. Cụ thể như sau:
Chu kỳ nhiệm vụ của điều chế độ rộng xung
Chu kỳ nhiệm vụ của PWM được kiểm soát bằng cách đặt thời gian hoạt động của chúng. Chu kỳ này được tính theo phần trăm thời gian mà tín hiệu PWM ở mức cao. Ví dụ, nếu thời gian hoạt động là 70% hoặc 100%, chu kỳ sẽ làm việc ở mức 70% hoặc 100%. Nếu tín hiệu luôn tắt, chu kỳ làm việc sẽ là 0%.
Tần số của điều chế độ rộng xung
Tần số của tín hiệu PWM được xác định bằng tốc độ hoàn thành một chu kỳ, tương đương với thời gian bật – tắt tín hiệu PWM. Công thức xác định tần số sẽ là:
F = 1 / thời gian giai đoạn = 1 / (thời gian bật + thời gian tắt)
Ứng dụng thực tế của PWM
Trong thực tế, PWM được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
- Điều khiển tốc độ động cơ trong công nghiệp.
- Ứng dụng kiểm soát công suất điện và làm mờ đèn.
- Sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc, âm thanh và các thiết bị biến tần hiện đại.
- Chuyển mạch và điều khiển tín hiệu tương tự bằng tín hiệu số.
Ví dụ về một số sản phẩm CPU thuộc dòng Simatic S7-1200 cũng sử dụng PWM như sau:
- CPU 1212C: 6ES7212-1BE40-0XB0
- CPU 1212C: 6ES7215-1HG40-0XB0
Cách điều chế độ rộng xung chính xác nhất
Để điều chỉnh chế độ rộng xung chính xác, kỹ thuật viên có thể thực hiện theo các cách sau:
- Điều chỉnh chế độ xung đơn: Sử dụng cho mạch 1 pha.
- Điều chỉnh chế độ rộng xung tiêm hài bậc ba: Thêm tín hiệu hài thứ 3 vào tín hiệu tham chiếu hình sin ở tần số thấp.
- Điều chỉnh nhiều xung độ rộng: Thực hiện nhiều chế độ xung trong một nửa chu kỳ của điện áp đầu ra.
- Điều chỉnh độ rộng xung hình sin: Sử dụng bộ lọc để loại bỏ các sóng hài bậc cao.
- Điều chỉnh chế độ rộng xung dải trễ: Đầu ra dao động trong dải trễ.
- Điều chỉnh chế độ rộng xung vector không gian: Sử dụng thuật toán để tạo ra các dạng sóng dòng xoay chiều AC.
Phương pháp điều chế độ rộng xung là một bước tiến tuyệt vời trong điều khiển tự động hóa mạch. Nó giúp kiểm soát động cơ, điện áp và mạch điện điều khiển. Hy vọng những thông tin trên sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về PWM, ứng dụng và cách điều chế độ rộng xung chính xác.
Đã chỉnh sửa bởi Dnulib.
