Điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều khiển công suất giúp điều chỉnh đầu ra hiệu quả của tín hiệu điện tử bằng cách chuyển đổi nhanh chúng ở tần số cố định. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thời gian “dẫn” trên tổng chu kỳ, nguồn tín hiệu số có thể mô phỏng các mức điện áp analog thay đổi liên tục, từ đó kiểm soát năng lượng trung bình cung cấp cho tải.
Nói rộng hơn, công nghệ điều chế đề cập đến việc thay đổi dạng sóng điện hoặc mã hóa thông tin thành dạng sóng điện để tác động đến hoạt động của mạch hoặc hệ thống. Trong các sản phẩm điện tử thực tế, điều này có nghĩa là định hình tín hiệu để cho phép nó truyền dữ liệu hoặc quản lý cường độ điện áp hoặc dòng điện tới thiết bị. Nguyên lý này đã được áp dụng rộng rãi trong các bộ truyền động động cơ, điều chỉnh độ sáng của đèn, hệ thống âm thanh, cũng như các mạch chuyển đổi năng lượng hoặc sạc pin.
Mặc dù điều chế xung, điều chế biên độ (AM) và điều chế tần số (FM) là các chiến lược chính để kiểm soát nhận thức tín hiệu về biên độ hoặc tần số, bài viết này sẽ thảo luận cụ thể về điều chế xung.
Nguyên tắc cơ bản về PLC - Chu kỳ hoạt động và tần số chuyển mạch
Như đã đề cập trước đó,PWM tạo thành dạng sóng bằng cách điều chỉnh điện áp hiệu dụng và dòng điện cung cấp cho tải. Điều này đạt được bằng cách nhanh chóng điều khiển các thiết bị chuyển mạch (thường là bóng bán dẫn) chuyển đổi giữa trạng thái bật hoàn toàn và tắt hoàn toàn. Bằng cách thay đổi thời gian duy trì của thiết bị chuyển mạch ở mỗi trạng thái, hệ thống sẽ mã hóa thông tin thông qua khoảng thời gian tương đối của các khoảng cấp cao và cấp thấp.
Trên thực tế,PWM giới hạn công suất điện thực của nó bằng cách thay đổi thời gian cần thiết để thiết bị có được điện áp nguồn đầy đủ trong mỗi chu kỳ chuyển mạch. Việc tăng 'thời gian dẫn' sẽ làm tăng điện áp đầu ra trung bình, trong khi giảm 'thời gian dẫn' sẽ làm giảm mức điện áp hiệu dụng của tải. Hành vi này có thể được mô tả bằng hai tham số chính: chu kỳ nhiệm vụ và tần số chuyển mạch.
Chu kỳ nhiệm vụ biểu thị tỷ lệ thời gian tín hiệu ở trạng thái hoạt động hoặc mức cao trong một chu kỳ dạng sóng hoàn chỉnh. Tỷ lệ này thường được biểu thị bằng phần trăm (%), cho biết đầu ra duy trì ở trạng thái bật (hiệu quả) trong bao lâu trong mỗi chu kỳ. Ví dụ: nếu dạng sóng kỹ thuật số duy trì mức cao trong 3 mili giây và mức thấp trong 1 mili giây thì tổng thời gian là 4 mili giây, chu kỳ nhiệm vụ là 75% và tần số chuyển đổi tương ứng là 250 Hz.
Do chu kỳ nhiệm vụ xác định trực tiếp khoảng thời gian của từng phần được cấp năng lượng xung nên việc sửa đổi chu kỳ nhiệm vụ có thể kiểm soát công suất hiệu dụng được cung cấp cho tải bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa thời gian cấp cao và thời gian cấp thấp mà không làm thay đổi điện áp nguồn thực tế. Trong nhiều hệ thống, điện áp và tần số là các tham số cố định và chu kỳ hoạt động là biến điều khiển chính có thể điều chỉnh được. Trong các ứng dụng như bộ phận làm nóng được điều khiển bằng xung điện, việc theo dõi chu kỳ làm việc cũng có thể đóng vai trò là chỉ báo đáng tin cậy để xác định mức công suất dự kiến do hệ thống cung cấp.
Tần số chuyển đổi mô tả số lần một sự kiện lặp lại trong một khoảng thời gian nhất định. Ở đây, nó đề cập đến số chu kỳ "bật-tắt" được thực hiện mỗi giây bởi thiết bị chuyển mạch điều khiển tín hiệuPWM. Tần số này được đo bằng Hertz (Hz) và biểu thị tốc độ đạp xe của mức công suất trong toàn bộ chu kỳ vận hành.
Để đảm bảo hiệu suất mong đợi của tải, cần phải chọn tần số chuyển mạch xung phù hợp. Nếu tần số được đặt cho một ứng dụng cụ thể quá cao, các bộ phận cơ khí như rơle hoặc một số loại bộ truyền động nhất định có thể không đạt được tốc độ chuyển mạch nhanh, dẫn đến hỏng hóc sớm. Ngược lại, tần số chuyển mạch thấp có thể gây ra những tác động bất lợi như tiếng ồn, độ rung hoặc sự mất ổn định của các thiết bị được điều khiển. Ví dụ, mặc dù tần số tương đối thấp có thể chấp nhận được đối với động cơ truyền động, nhưng tải ở trạng thái rắn như đèn LED thường yêu cầu tần số chuyển mạch cao hơn đáng kể để hoạt động trơn tru mà không nhấp nháy.