PWM là gì, Cách đo lường nó

PWM là viết tắt của điều chế độ rộng xung biểu thị bản chất thay đổi của độ rộng xung có thể được tạo ra từ một nguồn cụ thể như IC rời, MCU hoặc mạch bóng bán dẫn.

PWM là gì

Nói một cách đơn giản, quy trình PWM không là gì khác ngoài việc BẬT và TẮT điện áp cung cấp ở một tốc độ cụ thể với các tỷ lệ thời gian BẬT / TẮT khác nhau, ở đây độ dài BẬT của công tắc của điện áp có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng độ dài TẮT của công tắc.

Ví dụ, một PWM có thể bao gồm một điện áp cố định để BẬT và TẮT với tốc độ 2 giây BẬT 1 giây TẮT, 1 giây BẬT 2 giây TẮT hoặc 1 giây BẬT, 1 giây TẮT.

Khi tốc độ BẬT / TẮT này của điện áp nguồn được tối ưu hóa khác nhau, chúng ta nói rằng điện áp đó là PWM hoặc Độ rộng xung được điều chế.

Tất cả các bạn chắc hẳn đã quen thuộc về cách điện thế một chiều không đổi xuất hiện trên đồ thị thời gian v / s điện áp như hình dưới đây:

Trong hình trên, chúng ta có thể thấy một đường thẳng ở mức 9V, điều này đạt được vì mức 9V không thay đổi theo thời gian và do đó chúng ta có thể chứng kiến ​​một đường thẳng.

Bây giờ nếu 9V này được BẬT và TẮT sau mỗi 1 giây, thì biểu đồ trên sẽ như sau:

Chúng ta có thể thấy rõ rằng giờ đây đường 9V không còn là đường thẳng ở dạng khối sau mỗi 1 giây nữa, vì đường 9V được BẬT và TẮT sau mỗi giây luân phiên.

Các dấu vết trên trông giống như các khối hình chữ nhật vì khi BẬT và TẮT 9V hoạt động tức thời làm cho 9V đột ngột chuyển về mức 0 rồi đột ngột về mức 9V, từ đó tạo thành các hình chữ nhật trên đồ thị.

Điều kiện trên làm phát sinh điện áp xung có hai thông số cần đo là: điện áp đỉnh và điện áp trung bình hoặc điện áp RMS.

Điện áp cao nhất và trung bình

Trong hình ảnh đầu tiên, điện áp đỉnh rõ ràng là 9V, và điện áp trung bình cũng là 9V đơn giản bởi vì điện áp không đổi mà không có bất kỳ thời gian ngắt nào.

Tuy nhiên trong hình ảnh thứ hai, mặc dù điện áp được BẬT / TẮT ở tốc độ 1 Hz (1 giây BẬT, 1 giây TẮT), đỉnh vẫn bằng 9V, vì đỉnh luôn đạt đến mốc 9V trong các khoảng thời gian BẬT. Nhưng điện áp trung bình ở đây không phải là 9V mà là 4,5V vì việc tạo và ngắt điện áp được thực hiện ở tỷ lệ 50%.

Trong các cuộc thảo luận về PWM, tỷ lệ BẬT / TẮT này được gọi là chu kỳ nhiệm vụ của PWM, do đó trong trường hợp trên, đó là chu kỳ nhiệm vụ 50%.

Khi bạn đo PWM bằng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số trên dải DC, bạn sẽ luôn nhận được số đọc giá trị trung bình trên đồng hồ.

Những người mới có sở thích thường nhầm lẫn với cách đọc này và coi nó là giá trị đỉnh cao, điều này hoàn toàn sai lầm.

Như đã giải thích ở trên, giá trị đỉnh của PWM sẽ chủ yếu bằng điện áp cung cấp cho mạch, trong khi điện áp trung bình trên đồng hồ sẽ là giá trị trung bình của các giai đoạn BẬT / TẮT của PWM.

Chuyển đổi Mosfet với PWM

Vì vậy, nếu bạn đang chuyển đổi một mosfet với PWM và thấy điện áp cổng là, chẳng hạn như 3V, đừng hoảng sợ vì đây có thể chỉ là điện áp trung bình được chỉ ra bởi đồng hồ, điện áp đỉnh có thể cao bằng nguồn cung cấp của mạch của bạn Vôn.

Do đó, mosfet có thể được mong đợi sẽ dẫn tốt và đầy đủ thông qua các giá trị đỉnh này và điện áp trung bình sẽ chỉ ảnh hưởng đến chu kỳ dẫn của nó, không phải thông số kỹ thuật chuyển đổi của thiết bị.

Như chúng ta đã thảo luận trong các phần trước, PWM về cơ bản liên quan đến sự thay đổi của độ rộng xung, nói cách khác là thời gian BẬT và TẮT của DC.

Giả sử bạn muốn đầu ra PWM có thời gian BẬT nhỏ hơn 50% so với thời gian BẬT.

Giả sử rằng thời gian BẬT đã chọn của bạn là 1/2 giây thì thời gian TẮT sẽ bằng 1 giây, điều đó sẽ dẫn đến chu kỳ làm việc là 1/2 giây BẬT và 1 giây TẮT, như có thể thấy trong sơ đồ sau .

Phân tích chu kỳ nhiệm vụ của PWM

Trong ví dụ này, PWM được tối ưu hóa để tạo ra điện áp đỉnh là 9V nhưng điện áp trung bình là 3,15V vì thời gian BẬT chỉ là 35% của một chu kỳ BẬT / TẮT hoàn chỉnh.

Một chu kỳ hoàn chỉnh đề cập đến khoảng thời gian cho phép xung nhất định hoàn thành một thời gian BẬT hoàn toàn và một thời gian TẮT.

Tương tự, người ta có thể có ý định tối ưu hóa độ rộng xung của tần số với dữ liệu sau:

Ở đây có thể thấy thời gian BẬT tăng hơn thời gian TẮT 65% trong một chu kỳ đầy đủ, do đó ở đây giá trị trung bình của điện áp trở thành 5,85V.

Điện áp trung bình đã thảo luận ở trên còn được gọi là RMS hoặc giá trị bình phương trung bình gốc của điện áp.

Vì tất cả đều là xung hình chữ nhật hoặc hình vuông, RMS có thể được tính toán đơn giản bằng cách nhân phần trăm chu kỳ làm việc với điện áp đỉnh.

Tối ưu hóa PWM để mô phỏng Sinewave

Tuy nhiên, trong trường hợp PWM được tối ưu hóa để mô phỏng xung AC, việc tính toán RMS trở nên phức tạp một chút.

Hãy lấy ví dụ về PWM sau đây được tối ưu hóa để thay đổi độ rộng của nó tương ứng với biên độ thay đổi hoặc mức của tín hiệu AC hình sin.

Bạn có thể tìm hiểu thêm về điều này thông qua một trong những bài viết trước đây của tôi, nơi tôi đã giải thích cách sử dụng IC 555 cho tạo ra đầu ra PWM tương đương sóng sin .

Như chúng ta có thể thấy trong hình trên, độ rộng của các xung thay đổi theo mức tức thời của sóng sin. Khi sóng sin có xu hướng đạt đến đỉnh, độ rộng tương ứng của xung càng rộng và ngược lại.

Sử dụng SPWM

Điều này chỉ ra rằng vì mức điện áp sóng sin liên tục thay đổi theo thời gian nên PWM cũng thay đổi theo thời gian bằng cách liên tục thay đổi độ rộng của nó. PWM như vậy còn được gọi là SPWM hoặc Sinewave Pulse Width Modulation.

Vì vậy, trong trường hợp trên, các xung không bao giờ là hằng số thay vì thay đổi độ rộng của chúng theo thời gian.

Điều này làm cho RMS hoặc phép tính giá trị trung bình hơi phức tạp và chúng ta không thể đơn giản nhân chu kỳ làm việc với điện áp đỉnh ở đây để đạt được RMS.

Mặc dù công thức thực tế để tính ra biểu thức RMS khá phức tạp, nhưng sau khi có được các dẫn xuất thích hợp, việc triển khai cuối cùng thực sự trở nên khá dễ dàng.

Tính toán điện áp RMS của PWM

Do đó, để tính toán RMS của một điện áp PWM thay đổi để đáp ứng với sóng hình sin có thể nhận được bằng cách nhân 0,7 (hằng số) với điện áp đỉnh.

Vì vậy, đối với đỉnh 9V, chúng tôi nhận được 9 x 0,7 = 6,3V, đó là điện áp RMS hoặc giá trị trung bình của đỉnh 9V đến đỉnh PWM mô phỏng sóng sin.

Vai trò của PWM trong Mạch điện tử?

Bạn sẽ thấy rằng khái niệm PWM về cơ bản được liên kết với
thiết kế mạch có liên quan đến cuộn cảm đặc biệt là cấu trúc liên kết tăng cường buck như bộ biến tần, SMPS , MPPT, mạch điều khiển LED, v.v.

Nếu không có cuộn cảm, tính năng PWM có thể không có giá trị thực hoặc vai trò trong một mạch nhất định, điều này là do chỉ có cuộn cảm mới có tính năng vốn có là biến đổi độ rộng xung thay đổi thành một lượng tương đương bước lên (tăng cường) hoặc giảm xuống (tăng) điện áp hoặc dòng điện, trở thành ý tưởng toàn bộ và duy nhất của công nghệ PWM.

Sử dụng PWM với cuộn cảm

Để hiểu cách PWM ảnh hưởng đến đầu ra cuộn cảm về điện áp và dòng điện, điều quan trọng đầu tiên là phải tìm hiểu cách một cuộn cảm hoạt động như thế nào khi ảnh hưởng của điện áp xung.

Trong một trong những bài viết trước đây, tôi đã giải thích về cách một mạch tăng buck hoạt động , đây là một ví dụ cổ điển để chứng minh cách sử dụng PWM hoặc độ rộng xung thay đổi để định kích thước đầu ra cuộn cảm.

Ai cũng biết rằng về bản chất, một cuộn cảm luôn chống lại sự áp dụng đột ngột của điện áp lên nó và chỉ cho phép nó đi qua sau một khoảng thời gian nhất định tùy thuộc vào thông số kỹ thuật cuộn dây của nó, và trong quá trình này, nó lưu trữ một lượng năng lượng tương đương trong nó.

Bây giờ nếu trong quá trình trên, điện áp đột ngột bị TẮT, cuộn cảm một lần nữa không thể đối phó với sự biến mất đột ngột này của điện áp đặt vào và cố gắng cân bằng nó bằng cách giải phóng dòng điện lưu trữ trong đó.

Phản ứng của cuộn cảm với PWM

Vì vậy, một cuộn cảm sẽ cố gắng chống lại việc chuyển đổi điện áp ON bằng cách lưu trữ dòng điện và cố gắng cân bằng để đáp ứng với sự chuyển đổi điện áp TẮT đột ngột bằng cách 'đá' năng lượng đã lưu trữ trở lại hệ thống.

Cú hích này được gọi là EMF trở lại của một cuộn cảm và nội dung của năng lượng này (điện áp, dòng điện) sẽ phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của cuộn cảm.

Về cơ bản số vòng quyết định liệu EMF nên có điện áp cao hơn điện áp cung cấp hay thấp hơn điện áp cung cấp và độ dày của dây quyết định lượng dòng điện mà cuộn cảm có thể tạo ra.

Có một khía cạnh khác của cuộn cảm ở trên, đó là thời gian của các giai đoạn BẬT / TẮT điện áp.

Đó là nơi mà việc sử dụng PWM trở nên quan trọng.

Mặc dù số lượt về cơ bản xác định các giá trị đầu ra cho một giá trị cụ thể, chúng cũng có thể thay đổi theo mong muốn bằng cách cấp một cuộn cảm PWM được tối ưu hóa.

Thông qua một PWM biến đổi, chúng ta có thể buộc một cuộn cảm tạo ra / chuyển đổi điện áp và dòng điện ở bất kỳ tốc độ mong muốn nào, có thể là điện áp tăng dần (dòng điện giảm) hoặc dòng điện tăng (điện áp giảm) hoặc ngược lại.

Trong một số ứng dụng, PWM có thể được sử dụng ngay cả khi không có cuộn cảm, chẳng hạn như để làm mờ đèn LED hoặc trong các mạch hẹn giờ MCU, trong đó đầu ra có thể được tối ưu hóa để tạo ra điện áp tại các công tắc BẬT khác nhau, chuyển các thời gian TẮT để điều khiển tải theo thông số kỹ thuật làm việc dự định của nó.