Biến tần, Bộ chuyển đổi, mạch SMPS và Bộ điều khiển tốc độ…. Một điểm chung ở tất cả các mạch này là nó bao gồm nhiều công tắc điện tử bên trong nó. Các công tắc này không là gì ngoài các thiết bị điện tử Công suất như MOSFET, IGBT, TRIAC, v.v… Để điều khiển các công tắc điện tử công suất như vậy, chúng ta thường sử dụng một thứ gọi là tín hiệu PWM (Điều chế độ rộng xung). Ngoài ra, tín hiệu PWM cũng được sử dụng để điều khiển động cơ Servo và cũng cho các nhiệm vụ đơn giản khác như điều khiển độ sáng của đèn LED.
Trong bài trước, chúng ta đã tìm hiểu về ADC, trong khi ADC được sử dụng để đọc tín hiệu Analog bởi một thiết bị kỹ thuật số như vi điều khiển. Một PWM có thể được coi là đối lập hoàn toàn với nó, PWM được sử dụng để tạo ra tín hiệu Analog từ một thiết bị kỹ thuật số như vi điều khiển. Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu về PWM là gì, tín hiệu PWM và một số thông số liên quan đến nó, để chúng ta tự tin sử dụng chúng trong thiết kế của mình.
PWM (Điều chế độ rộng xung) là gì?
PWM là viết tắt của Pulse Width Modulation; chúng ta sẽ tìm hiểu lý do cho một cái tên như vậy sau. Tuy nhiên, bây giờ hãy hiểu PWM là một loại tín hiệu có thể được tạo ra từ một vi mạch kỹ thuật số như vi điều khiển hoặc bộ định thời 555. Do đó, tín hiệu được tạo ra sẽ có một nhóm các xung và các xung này sẽ ở dạng sóng vuông. Có nghĩa là, tại bất kỳ thời điểm cụ thể nào, sóng sẽ cao hoặc sẽ thấp. Để dễ hiểu, chúng ta hãy xem xét tín hiệu 5V PWM, trong trường hợp này tín hiệu PWM sẽ là 5V (cao) hoặc ở mức mặt đất 0V (thấp). Khoảng thời gian mà tín hiệu duy trì ở mức cao được gọi là “ đúng giờ ” và khoảng thời gian tín hiệu ở mức thấp được gọi là “ thời gian tắt ”.
Đối với tín hiệu PWM, chúng ta cần xem xét hai tham số quan trọng liên quan đến nó, một là chu kỳ nhiệm vụ PWM và một là tần số PWM.
Chu kỳ hoạt động của PWM
Như đã nói trước đó, tín hiệu PWM sẽ bật trong một thời gian cụ thể và sau đó tắt trong khoảng thời gian còn lại. Điều làm cho tín hiệu PWM này trở nên đặc biệt và hữu ích hơn là chúng ta có thể thiết lập thời gian duy trì nó bằng cách kiểm soát chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM.
Phần trăm thời gian mà tín hiệu PWM vẫn ở mức CAO (đúng giờ) được gọi là chu kỳ nhiệm vụ. Nếu tín hiệu luôn BẬT, nó đang ở trong chu kỳ làm việc 100% và nếu nó luôn tắt thì đó là chu kỳ làm việc 0%. Các công thức để tính toán chu kỳ nhiệm vụ được hiển thị bên dưới.
Chu kỳ làm việc = Thời gian BẬT / (Thời gian BẬT + Thời gian TẮT)
Hình ảnh sau đại diện cho tín hiệu PWM với chu kỳ nhiệm vụ 50%. Như bạn có thể thấy, nếu xét trong toàn bộ khoảng thời gian (đúng giờ + thời gian tắt), tín hiệu PWM chỉ bật trong 50% khoảng thời gian.
Tần suất = 1 / Khoảng thời gian Khoảng thời gian = Đúng giờ + Thời gian tắt
Thông thường các tín hiệu PWM do vi điều khiển tạo ra sẽ ở khoảng 500 Hz, tần số cao như vậy sẽ được sử dụng trong các thiết bị chuyển mạch tốc độ cao như bộ biến tần hoặc bộ chuyển đổi. Nhưng không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu tần suất cao. Ví dụ, để điều khiển một động cơ servo, chúng ta cần tạo ra tín hiệu PWM với tần số 50Hz, do đó, tần số của tín hiệu PWM cũng có thể được điều khiển bằng chương trình cho tất cả các vi điều khiển.
Một số câu hỏi thường phát sinh về PWM
Sự khác biệt giữa chu kỳ nhiệm vụ và tần số của tín hiệu PWM là gì?
Chu kỳ nhiệm vụ và tần số của tín hiệu PWM thường bị nhầm lẫn. Như chúng ta biết tín hiệu PWM là một sóng vuông với thời gian và thời gian tắt cụ thể. Tổng thời gian đúng giờ và thời gian tắt được gọi là một khoảng thời gian. Nghịch đảo của một khoảng thời gian được gọi là tần số. Mặc dù khoảng thời gian mà tín hiệu PWM nên duy trì trong một khoảng thời gian được quyết định bởi Chu kỳ hoạt động của PWM.
Nói một cách đơn giản, tốc độ bật và tắt của tín hiệu PWM được quyết định bởi tần số của tín hiệu PWM và ở tốc độ đó, tín hiệu PWM sẽ được bật trong bao lâu được quyết định bởi chu kỳ hoạt động của tín hiệu PWM.
Làm thế nào để chuyển đổi tín hiệu PWM thành điện áp tương tự?
Đối với các ứng dụng đơn giản như điều khiển tốc độ của động cơ DC hoặc điều chỉnh độ sáng của đèn LED, chúng ta cần chuyển đổi tín hiệu PWM thành điện áp tương tự. Điều này có thể dễ dàng thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc RC và thường được sử dụng khi cần có tính năng DAC. Mạch cho tương tự được hiển thị bên dưới
Trong biểu đồ bên trên, màu Vàng là tín hiệu PWM và màu xanh lam là điện áp tương tự đầu ra. Giá trị của điện trở R1 và tụ điện C1 có thể được tính dựa trên tần số của tín hiệu PWM nhưng thông thường sử dụng điện trở 5,7K hoặc 10K và tụ điện 0,1u hoặc 1u.
Làm thế nào để tính toán điện áp đầu ra của tín hiệu PWM?
Điện áp đầu ra của tín hiệu PWM sau khi chuyển đổi sang tín hiệu tương tự sẽ là phần trăm của chu kỳ Duty. Ví dụ nếu điện áp hoạt động là 5V thì tín hiệu PWM cũng sẽ có 5V khi ở mức cao. Trong trường hợp như vậy đối với chu kỳ làm việc 100%, điện áp đầu ra sẽ là 5V đối với chu kỳ làm việc 50%, nó sẽ là 2,5V.
Điện áp đầu ra = Chu kỳ nhiệm vụ (%) * 5
Ví dụ:
Trước đây chúng tôi đã sử dụng PWM với các bộ vi điều khiển khác nhau trong nhiều dự án của mình:
- Điều chế độ rộng xung với ATmega32
- PWM với Arduino Uno
- Tạo PWM bằng Vi điều khiển PIC
- Hướng dẫn sử dụng Raspberry Pi PWM
- Điều khiển động cơ Servo với Raspberry Pi
- Điều chế độ rộng xung (PWM) sử dụng MSP430G2
- Điều chế độ rộng xung (PWM) trong STM32F103C8
- Điều khiển động cơ Servo với Raspberry Pi
- Điều khiển động cơ DC với Raspberry Pi
- Bộ điều chỉnh độ sáng LED 1 watt
- Bộ điều chỉnh độ sáng LED dựa trên Arduino sử dụng PWM
Kiểm tra thêm tất cả các dự án liên quan đến PWM tại đây.