PWM Là Gì? Nguyên Lý Và Ứng Dụng Thực Tiễn Của PWM

Để điều khiển được ánh sáng của đèn LED thì kỹ thuật PWM sẽ được nhắc đến nhiều nhất. Vậy PWM là gì? Đối với những ai chưa nghe qua thuật ngữ PWM mà đang tìm hiểu về nó thì có thể theo dõi bài viết sau đây của Nganhquangcao.vn nhé.

PWM là gì? Độ rộng xung là gì?

PWM (Pulse Width Modulation), hay Điều chế độ rộng xung, là một kỹ thuật điều khiển tín hiệu điện tử, phổ biến nhất là điều khiển điện áp. Kỹ thuật này hoạt động bằng cách thay đổi thời gian "bật" (on) và "tắt" (off) của một tín hiệu xung vuông trong một chu kỳ cố định.

Độ rộng xung chính là khoảng thời gian mà tín hiệu ở trạng thái "bật" trong mỗi chu kỳ.

Bằng cách thay đổi độ rộng xung này (tức là thay đổi tỉ lệ thời gian bật/tắt), PWM cho phép điều chỉnh một cách hiệu quả giá trị trung bình của điện áp hoặc công suất cung cấp cho tải. Ví dụ, nếu xung bật 50% thời gian và tắt 50% thời gian, điện áp trung bình sẽ là 50% điện áp tối đa.

Nguyên lý hoạt động của độ rộng xung

Nguyên lý

Nguyên lý hoạt động của điều chế độ rộng xung (PWM) dựa trên việc đóng-ngắt nguồn điện cấp cho tải một cách liên tục và rất nhanh, sử dụng một công tắc điện tử (ví dụ: transistor).

Hãy tưởng tượng bạn có một công tắc điều khiển dòng điện đến một thiết bị:

Khi công tắc "Bật": Toàn bộ điện áp từ nguồn được đưa đến tải, tải hoạt động với công suất tối đa (như thể được nối trực tiếp vào nguồn).
Khi công tắc "Tắt": Tải bị ngắt hoàn toàn khỏi nguồn, không nhận được điện áp và không tiêu thụ công suất.

PWM thực hiện việc bật-tắt này lặp đi lặp lại hàng nghìn hoặc hàng triệu lần mỗi giây. Điều quan trọng không phải là việc bật hay tắt, mà là tỉ lệ thời gian giữa trạng thái "Bật" so với tổng thời gian của một chu kỳ (bao gồm cả bật và tắt).

Bằng cách thay đổi tỉ lệ thời gian "Bật" này (chính là thay đổi "độ rộng xung"), ta có thể kiểm soát giá trị trung bình của điện áp mà tải nhận được. Mặc dù điện áp thực tế chỉ là mức tối đa hoặc 0V, nhưng do tốc độ chuyển đổi quá nhanh, tải sẽ phản ứng như thể nó đang nhận một mức điện áp ổn định, thấp hơn mức tối đa.

Ví dụ

Một biển quảng cáo sử dụng các đèn LED. Độ sáng của những đèn này có thể được điều khiển chính xác bằng PWM. Giả sử mỗi đèn LED hoạt động tốt nhất ở điện áp 3V.

Đèn Sáng Rực Rỡ: Để đèn LED hiển thị màu sắc rõ nét và sáng nhất, bộ điều khiển sẽ cài đặt PWM để cấp điện 100% thời gian (tức là độ rộng xung chiếm toàn bộ chu kỳ). Đèn LED nhận đủ 3V liên tục.
Đèn Sáng Mờ Đi: Nếu muốn tạo hiệu ứng hoặc giảm độ sáng tổng thể của biển quảng cáo vào ban đêm, bộ điều khiển có thể giảm độ rộng xung. Ví dụ, nếu PWM được đặt để chỉ cấp điện trong 25% thời gian của mỗi chu kỳ (công tắc "Bật" 25%, "Tắt" 75%), đèn LED sẽ chỉ nhận được điện áp trung bình khoảng 0.75V (25% của 3V). Mắt người không thể nhận thấy sự nhấp nháy cực nhanh này, thay vào đó chỉ thấy đèn LED mờ đi đáng kể so với khi sáng tối đa.
Tạo Hiệu Ứng Nhấp Nháy hoặc "Thở": Bằng cách thay đổi độ rộng xung một cách linh hoạt theo thời gian (ví dụ: tăng dần từ 0% lên 100% rồi giảm xuống 0%, hoặc bật/tắt hoàn toàn theo nhịp điệu), các biển quảng cáo có thể tạo ra vô số hiệu ứng bắt mắt như đèn "thở" (sáng lên mờ đi từ từ) hoặc nhấp nháy theo một mẫu nào đó.

>>Xem thêm: LED 7 Đoạn Là Gì? Tìm Hiểu Về LED 7 Đoạn Từ A-Z

Cách điều chế độ rộng xung

PWM Hình Sin (Sinusoidal PWM - SPWM)

Ý tưởng chính: Kỹ thuật này tạo ra các xung bật/tắt đèn LED bằng cách so sánh một tín hiệu hình sin (đại diện cho mức độ sáng bạn mong muốn) với một tín hiệu tham chiếu dạng tam giác chạy ở tần số rất cao.
Lợi ích:
- Siêu Mượt: SPWM cho phép điều chỉnh độ sáng cực kỳ mịn màng. Điều này rất quan trọng để tạo ra các hiệu ứng chuyển màu, mờ dần (fading) hoặc "thở" trông chuyên nghiệp và không bị giật cục.
- Chất Lượng Cao: Giảm thiểu hiện tượng nhấp nháy khó chịu (đặc biệt khi đèn ở độ sáng thấp) và hạn chế nhiễu điện, giúp biển quảng cáo của bạn trông đẹp và ổn định hơn.

PWM Đa Xung (Multiple Pulse Width Modulation)

Ý tưởng chính: Thay vì chỉ một xung bật/tắt trong mỗi chu kỳ nhỏ, kỹ thuật này tạo ra nhiều xung hơn.
Lợi ích: Việc có nhiều xung giúp giảm bớt một số loại nhiễu so với các phương pháp đơn giản nhất, cải thiện chất lượng tín hiệu ở mức độ nhất định. Tuy nhiên, thường không đạt độ mượt như SPWM.

Các Kỹ Thuật Khác (Ít phổ biến hơn cho LED đơn thuần)

PWM Đơn (Single Pulse): Cách cơ bản nhất, chỉ có một xung bật/tắt trong mỗi chu kỳ. Đơn giản nhưng thường không đủ mượt cho các ứng dụng quảng cáo đòi hỏi hiệu ứng tinh tế.
PWM Vector Không Gian (SVM): Đây là kỹ thuật cao cấp, chủ yếu dùng để điều khiển động cơ điện xoay chiều (ví dụ, nếu biển quảng cáo của bạn có các bộ phận quay hoặc chuyển động). Nó rất hiệu quả cho động cơ nhưng phức tạp và không cần thiết nếu chỉ điều khiển độ sáng LED thông thường.

>>Xem thêm: SMT Là Gì? Ứng Dụng Của SMT Trong Sản Xuất Điện Tử

Cách tính giá trị trung bình của điện áp ra tải trong PWM

Bạn có thắc mắc làm thế nào PWM lại điều khiển được độ sáng của đèn LED trên biển quảng cáo một cách chính xác không? Câu trả lời nằm ở việc kiểm soát điện áp trung bình mà đèn nhận được, và việc này có thể tính toán dễ dàng.

Yếu tố then chốt là Duty Cycle (D). Hãy hiểu đơn giản đây là tỷ lệ phần trăm (%) thời gian mà đèn được BẬT trong mỗi chu kỳ bật-tắt siêu nhanh của PWM.

Công thức để biết độ sáng (điện áp trung bình) mà đèn LED thực sự nhận được là:

Điện áp Trung Bình (Độ sáng) = Điện áp Nguồn Tối Đa * Duty Cycle (%)

Hay viết gọn:

Ud = Umax * D

Trong đó:

Ud: Chính là điện áp trung bình quyết định độ sáng bạn nhìn thấy.
Umax: Là điện áp của nguồn cấp cho đèn LED (ví dụ: nguồn 12V, 5V...).
D: Là Duty Cycle (tỷ lệ thời gian BẬT), viết dưới dạng số thập phân (ví dụ: 70% là 0.7, 100% là 1.0).

Ví dụ trên biển quảng cáo LED 12V:

Muốn đèn sáng nhất: Đặt Duty Cycle D = 100% (1.0). Điện áp trung bình = 12V * 1.0 = 12V.
Muốn đèn sáng vừa phải (50%): Đặt Duty Cycle D = 50% (0.5). Điện áp trung bình = 12V * 0.5 = 6V.
Muốn đèn sáng rất mờ (15%): Đặt Duty Cycle D = 15% (0.15). Điện áp trung bình = 12V * 0.15 = 1.8V.

Ưu nhược điểm của độ rộng xung

Ưu điểm:

Siêu Tiết Kiệm Điện: PWM điều khiển thiết bị bằng cách bật-tắt hoàn toàn, hầu như không làm lãng phí năng lượng dưới dạng nhiệt. Điều này giúp tiết kiệm điện năng đáng kể so với các phương pháp điều chỉnh liên tục kiểu cũ.
Điều Khiển Chính Xác và Linh Hoạt: Chỉ cần thay đổi "tỷ lệ thời gian bật" (Duty Cycle), bạn có thể dễ dàng điều chỉnh chính xác mức công suất hoặc độ sáng mong muốn.
Chi Phí Thấp và Nhỏ Gọn: Mạch PWM thường đơn giản, sử dụng ít linh kiện hơn, giúp giảm giá thành sản phẩm và có thể thiết kế với kích thước rất nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp vào các biển hiệu, hộp đèn.
Giảm Tiếng Ồn (Tần số thấp): So với một số phương pháp điều khiển công suất khác có thể gây tiếng kêu hoặc rè, PWM hoạt động êm ái hơn ở các tần số mà tai người nghe được.

Nhược điểm:

Có Thể Gây Nhiễu Điện (Tần số cao): Việc bật-tắt liên tục ở tần số rất cao lại có thể tạo ra nhiễu điện từ (EMI). Nếu không được thiết kế và lọc nhiễu cẩn thận, nhiễu này có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử nhạy cảm khác ở gần.
Nguy Cơ Nhấp Nháy hoặc Rung: Nếu tần số PWM được chọn không phù hợp (quá thấp) hoặc tương tác không tốt với thiết bị (như một số loại LED hoặc động cơ nhất định), mắt người có thể cảm nhận được sự nhấp nháy, hoặc gây ra rung động cơ khí không mong muốn.
Đòi Hỏi Thiết Kế Kỹ Thuật: Mặc dù sử dụng thì đơn giản, nhưng để thiết kế một mạch PWM hoạt động ổn định, hiệu quả và ít gây nhiễu nhất thì cần có kiến thức chuyên môn về điện tử.

Ứng dụng của PWM Pulse

Kỹ thuật Điều chế Độ rộng xung (PWM) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ tính linh hoạt và hiệu quả vượt trội. Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

Điều khiển tốc độ động cơ: PWM là phương pháp phổ biến để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (DC). Bằng cách thay đổi tỷ lệ thời gian cấp điện (duty cycle) trong mỗi chu kỳ xung, PWM cho phép kiểm soát chính xác tốc độ quay của động cơ. Kỹ thuật này được tìm thấy trong nhiều thiết bị như quạt, máy bơm, máy giặt, xe điện, xe đạp điện và máy cắt cỏ.
Điều khiển độ sáng đèn: PWM rất hiệu quả trong việc điều chỉnh độ sáng của đèn LED. Thay đổi tỷ lệ thời gian đèn LED được bật so với thời gian tắt trong mỗi chu kỳ giúp điều chỉnh cường độ sáng một cách mượt mà và tiết kiệm năng lượng.
Điều khiển động cơ servo: Trong các hệ thống đòi hỏi sự chính xác về vị trí, PWM đóng vai trò quan trọng để điều khiển góc quay của động cơ servo. Độ rộng của xung PWM gửi đến servo sẽ xác định vị trí góc mà trục servo cần đạt tới. Ứng dụng này rất phổ biến trong robot học, máy in 3D và các mô hình điều khiển từ xa (như máy bay, ô tô).

Qua những gì Nganhquangcao.vn chia sẻ trên đây, hy vọng bạn đọc đã hiểu hơn PWM là gì cũng như nguyên lý, các ứng dụng của nó trong thực tế. Hãy theo dõi Nganhquangcao.vn để biết thêm nhiều bài viết hữu ích khác về chuyên ngành quảng cáo lẫn offline và online nhé.

Nganhquangcao.vn là web diễn đàn cung cấp các kiến thức hay, bổ ích, chuyên sâu về ngành quảng cáo offline và online. Những ai chuyên cung cấp sản phẩm, dịch vụ liên quan đến quảng cáo hoặc có nhu cầu tuyển dụng nhân sự cho ngành quảng cáo thì có thể liên hệ với Nganhquangcao.vn để được mở gian hàng của mình và tìm kiếm ứng viên phù hợp nhé

Bình luận