Điều Chế PWM Là Gì - Tìm Hiểu Về điều Chế độ Rộng Xung PWM

“Điều chế PWM là gì ?” là một câu hỏi mà chúng tớ nhận được rất nhiều trong thời gian gần đây. Hôm nay chúng ta hãy cùng nhau đi tìm hiểu nhé.

MỤC LỤC

• 1 Khái niệm PWM là gì?
• 2 Sự ra đời của điều chế PWM
• 3 Nguyên lý điều chế PWM
  • 3.1 Độ sâu điều chế PWM
  • 3.2 Điện áp ra trung bình tín hiệu PWM
• 4 Ví dụ về điều chế độ rộng xung PWM
• 5 Cách để tạo ra chuỗi xung điều chế PWM
• 6 Điều chế xung PWM với Arduino
• 7 Lời kết

Khái niệm PWM là gì?

Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) là điều chế (thay đổi) độ rộng của xung (sự chênh lệch thời gian giữa xung “ON” và “OFF”) mà không làm thay đổi tần số của tín hiệu điện.

Sự ra đời của điều chế PWM

Như chúng ta đã biết, tín hiệu điện có 2 loại cơ bản là “Tín hiệu tương tự” và “Tín hiệu số”. Nếu chỉ dùng tín hiệu tương tự để điều khiển 1 thiết bị thì rất đơn giản. Ví dụ để điều khiển độ sáng của bóng đèn xoay chiều 12V, ta chỉ cần mắc thêm vào đó 1 biến trở, khi xoay biến trở thì độ sáng bóng đèn sẽ thay đổi.

Nhưng ngày nay, với cuộc cách mạng 4.0, các thiết bị điện tử ngày càng phát triển, các thiết bị yêu cầu tốc độ xử lý nhanh và mạnh mẽ. Vì vậy mà yêu cầu phải có 1 bộ vi xử lý (MCU) để điều khiển thiết bị điện. Mà MCU thì không hiểu tín hiệu tương tự (Analog) là gì. Chúng chỉ hiểu tín hiệu số (Tín hiệu digital chỉ có 2 mức là 0 và 1). Vì vậy, công nghệ điều chế độ rộng xung PWM ra đời, cho phép điều khiển được các thiết bị tương tự bằng tín hiệu số.

Hữu ích nhất là điểu khiển tốc độ động cơ, điều khiển độ sáng của bóng đèn. Đặc biệt, ngày nay cụm từ PWM được sử dụng nhiều trong lĩnh vực robot và trí tuệ nhân tạo,..

Nguyên lý điều chế PWM

PWM là một cách để điều khiển các thiết bị tương tự với một đầu ra kỹ thuật số. Nói một cách khác là bạn có thể xuất tín hiệu điều chế từ thiết bị kỹ thuật số như MCU để điều khiển thiết bị tương tự. Đó là một trong những phương tiện chính mà MCU điều khiển các thiết bị tương tự như động cơ tốc độ thay đổi, đèn có thể điều chỉnh độ sáng, bộ truyền động và loa. Tuy nhiên, PWM không phải là đầu ra tương tự thực sự. PWM “làm giả” một kết quả giống như tín hiệu tương tự bằng cách sử dụng công suất theo các xung, hoặc các đoạn ngắn của điện áp được điều chỉnh.

Độ sâu điều chế PWM

Ví dụ về tín hiệu PWM được hiển thị ở một số chu kỳ làm việc và mức điện áp cao là 5 Volt. Đường màu đỏ là điện áp trung bình mà thiết bị được điều khiển (ví dụ: động cơ).

Việc phân tích thì có thể cảm nhận như xung rời rạc, nhưng thực ra tần số tín hiệu rất lớn, có thể coi gần như tín hiệu tương tự (Analog). Do đó, bạn sẽ không gặp phải trường hợp dừng nguồn đột ngột nếu động cơ được điều khiển bởi PWM.

Điện áp ra trung bình tín hiệu PWM

Các đường màu xanh lam là đầu ra PWM từ MCU và đường màu đỏ là điện áp trung bình. Trong trường hợp này, độ rộng xung (với độ sâu điều chế tương ứng) thay đổi để điện áp trung bình trông giống như một đầu ra tương tự không ở trạng thái ổn định.

Một thiết bị được điều khiển bởi PWM sẽ hoạt động giống như mức trung bình của các xung. Mức điện áp trung bình có thể là điện áp ổn định hoặc thay đổi theo thời gian. Để đơn giản hóa ví dụ, giả sử rằng quạt điều khiển PWM của bạn có điện áp mức cao là 24 vôn. Nếu xung được thúc đẩy cao 50% thời gian, chúng tôi gọi đây là độ sâu điều chế 50%. Thuật ngữ độ sâu điều chế được sử dụng ở những nơi khác trong thiết bị điện tử, nhưng trong mọi trường hợp, chu độ sâu điều chế là sự so sánh giữa “bật” và “tắt”.

Ví dụ về điều chế độ rộng xung PWM

Quay trở lại với ví dụ về động cơ quạt của chúng ta, nếu chúng ta biết rằng điện áp cao là 24V, mức thấp là 0V và chu kỳ làm việc là 50%. Chúng ta có thể xác định điện áp trung bình bằng cách nhân chu kỳ làm việc với mức cao của xung. Nếu bạn muốn động cơ chạy nhanh hơn, bạn có thể điều khiển đầu ra PWM đến chu kỳ làm việc cao hơn.

Tần số xung cao càng nhiều thì điện áp trung bình càng cao.  Lúc này động cơ quạt quay càng nhanh. Nếu bạn đang tạo đầu ra PWM của riêng mình bằng cách cắm quạt vào và ra khỏi ổ cắm.  Với khoảng thời gian bằng nhau 1 giây trong ổ cắm, 1 giây rút ra, thì bạn đang hoạt động như một đầu ra kỹ thuật số điều khiển quạt ở mức trung bình ổn định là 12V.

Nếu chu kỳ làm việc là 100% thì sóng sẽ trở thành một dòng DC cố định. Vì vậy, chu kỳ làm việc có thể được tính bằng công thức sau:

Dựa vào công thức trên, muốn lấy điện áp ra khoảng 12V, ta chọn độ sâu điều chế (m) là 50%. Muốn lấy điện áp ra 6V, ta chọn m= 25%,…

Cách để tạo ra chuỗi xung điều chế PWM

Ví dụ tại một tần số 50Hz thiết kế một tín hiệu điều chế PWM với chu kỳ làm việc 60%.

Tín hiệu xung PWM lúc này có dạng như sau:

Vậy để tạo ra chuổi xung như vậy, người lập trình chỉ cần viết chương trình cho vi điều khiển.  Cứ 8ms đầu ra kéo lên mức 1, sau đó ở mức 1 đúng 12ms lại kéo đầu ra xuống mức 0. Cứ như vậy với chu kỳ 20ms lại lặp lại xung đó, ta tạo được chuỗi xung mong muốn với tần số 50Hz và độ sâu điều chế là 60%.

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điều chế độ rộng xung là điều khiển tốc độ động cơ. Thường gặp và phổ biến là trong lập trình Ardunio, PIC,..

Điều chế xung PWM với Arduino

Đây là phần mở rộng, dành cho các bạn đang có đam mê với lập trình Arduino nhé.

Như đã đề cập ‘’xung’’ là các trạng thái cao / thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặp lại. Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) là tần số (frequency) và độ sâu điều chế (duty cycle).

Chương trình điều chế PWM trong Arduino

Với kiến thức cơ bản về xung, các bạn sẽ hiểu rõ hơn về xung trong thực tế như thế nào.

Giữa 2 vạch màu xanh lá cây là 1 xung.

Hàm analogWrite() trong bo mạchArduino giúp việc tạo 1 xung dễ dàng hơn. Hàm này truyền vào tham số cho phép thay đổi độ sâu điều chế.

Với mặc định 1 chân Analog của mã hóa được 255 mức tín hiệu. Vì vậy dựa vào tỷ lệ ở bảng 2, sẽ chọn được độ sâu điều chế cho phù hợp.

Lời kết

Vậy là chúng ta đã cùng nhau đi tìm hiểu “Điều chế PWM là gì ?”. Đây là một vấn đề khó và khá trừu tượng. Các bạn hãy cố gắng đọc kỹ nhiều lần, nghiên cứu thêm sách báo, Internet để hiểu rõ hơn về điều chế PWM. Cuối cùng, chúc các bạn thành công trên con đường chinh phục kỹ thuật điện tử.

CHÚC CÁC BẠN THÀNH CÔNG

Có thể bạn quan tâm

1. Kênh YouTobe hay về điện tử, mạch điện
2. Tài liệu học điện tử miễn phí
3. Fanpage cùng nhau học điện tử
4. Chia sẻ kiến thức điện tử cơ bản
5. TOP 5 Bộ KIT học tập Arduino cho người học lập trình

NƠI MUA LINH KIỆN GIÁ TỐT

1. Linh kiện điện tử giá siêu rẻ : Shop Ristina.vn
2. Linh kiện điện tử, nhà thông minh : Shop Làm Chủ Công Nghệ
3. Chuyên mạch nguồn, sạc dự phòng chỉ từ 1K: Shop Điện Tử AT
4. Chuyên pin sạc 18650, Pin sạc AA: Shop Linhkiengiatot

Chuyên các thiết bị điện công nghiệp: Shop Linhkien123

Hãy để lại đánh giá cho chúng tớ nếu bài viết hữu ích nhé