III. MẠCH THAY ĐỔI ĐỘ SÁNG ĐÈN SỬ DỤNG BĂM XUNG ÁP
3.1. TÌM HIỂU VỀ BĂM XUNG ÁP PWM
Để thay đổi cường độ sáng đèn ở đây ta dùng phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM. Nhưng muốn làm được như thế trước hết ta phải biết được phương pháp PWM là gì ? Nguyên lý của phương pháp PWM và các cách tạo ra được PWM để điều khiển ?...
3.1.1. PWM là gì?
- Trước khi tìm hiểu sâu chúng ta hãy tìm hiểu định nghĩa của PWM là gì? Như vậy Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra.
- PWM: đơn giản chỉ là cách tính trung bình cộng. Nhưng cái hay của phương pháp này trong mạch điện tử là nó làm cho mạch điện đơn giản, và giảm đi sự tổn hao không cần thiết trong mạch ổn áp, điều chỉnh công suất ra...
- Nếu ta điều khiển sự đóng mở của BJT, FET, MOSFET... hoạt động ở vùng bão hòa thì sự tổn hao trong các linh kiện rất nhỏ, chỉ tổn hao trong thời gian chuyển trạng thái, mà thời gian này rất ngắn( ms) do đó hiệu suất của mạch rất cao, giúp tiết kiệm năng lượng. Vì ở trạng thái bão hòa điện áp bão hòa rất nhỏ (BJT=0,2->0,5V . MOSFET 0,01->0,5V).
Hình 3.1. Đồ thị dạng xung điều khiển sự đóng mở.
- Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm.
Hình 3.2. Đồ thị dạng xung điều chế PWM.
- Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM.
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM.
- Trên là đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM. Với độ rộng xung đầu ra tương ứng và được tính bằng %. Tùy thích do chúng ta điều khiển.
3.1.2. Nguyên lý của PWM.
- Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn cới tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn. Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn. Dùng van đóng cắt bằng Mosfet.
Hình 3.4. Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra.
- Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM.
* Nguyên lý :
- Trong khoảng thời gian 0 - 𝑡0 ta cho van G mỏ toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian 𝑡0 - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.
- Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải : Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
==> Ud = Umax.( 𝐭𝟏/T) (V) hay Ud = Umax.
với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM.
- Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trùng bình trên tải sẽ là :
+ Ud = 5.20% = 1 V ( với D = 20%).
+ Ud = 5.40% = 2 V (Vói D = 40%).
+ Ud = 5.90% = 4.5 V (Với D = 90%).
3.1.3. Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển.
Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mền. Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556...Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng. Nên người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM.
a. Tạo bằng phương pháp so sánh :
Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây : + Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM.
+ Tín hiệu tựa là tín hiệu xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC).
Xét sơ đồ mạch sau :
Hình 3.5. Mạch tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh.
Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng. Ngoài IC 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác.
b. Tạo xung vuông bằng phần mềm.
Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo được xung vuông. Với tạo bằng phần mền cho độ chính xác cao về tần số và PWM. Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất nhiều. Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU. Lấy 1 đoạn ví dụ tạo PWM trong vi điều khiển 8501 :
Void ngat_timer0(void) interrupt 1 { TR0 = 0;
TF0 = 0;
Dem++;
If(dem >= phantram_PWM) {
PWM = 1;
} Else {
PWM = 0;
}
If (dem = = 20) dem=0;
TR = 1;
}
3.1.4. Thay đổi cường độ sáng đèn bằng phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM.
- Phương pháp này dựa vào sự lưu ảnh trong võng mạc mắt người, loài động vật hay thực vật không hẳn đã có tác dụng. Khi chúng ta nhìn những tia sáng nhấp nháy có tần số quá nhanh (>40Hz) thì ta sẽ không nhận thấy được sự chớp tắt thay vào đó chúng ta sẽ nhận thấy công suất sáng trung bình của sự chớp tắt, dựa vào đặc điểm này mà ta có thể tạo sự cảm nhận sự sáng tối của bóng đèn bằng cách thay đổi độ rộng xung điện chuyển hóa thành xung ánh sáng, và người cảm nhận sự thay đổi ánh sáng.
- Phương pháp này có ý nghĩa lớn trong các mạch số xử lý thay đổi cường độ sáng với mạch điện đơn giản. Giúp giảm chi phí rất nhiều so với làm theo phương pháp analog với những mạch phức tạp và tiêu tán năng lượng vô ích lớn.
- Trước đây khi kỹ thuật còn chưa phát triển những kiến thức và thực nghiệm về linh kiện số còn hạn hẹp người ta dùng phương pháp analog để làm ra các sản phẩm, nên sự tổn hao rất lớn :
+ Mạch ổn áp dùng zener : Để ổn định điện áp hay dòng điện bằng cách so sánh điện áp. Kết quả dẫn đến công suất rơi trên mạch ổn áp lớn. Ví dụ muốn biến đổi điện 12V thành điện áp 5V bằng IC 7805 thì công suất tổn hao luôn lớn hơn công suất tiêu thụ tức công suất tiêu tán năng lượng vô ích rất lớn. Nhưng với mạch switching thì khác, hiệu suất cao nhưng khi dùng công suất lớn.
+ Thay đổi cường độ sáng: Tương tự như mạch ổn áp, mạch thay đổi cường độ sáng bằng phương pháp analog dùng biến trở để điều chỉnh công suất tiêu tán rất lớn khi cường độ sáng giảm. Nhưng với mạch thay đổi độ rộng xung thì khác hiệu suất rất cao chỉ vài mw đến vài w.
+ mạch khuyết đại công suất âm tần: Hiệu suất max chỉ là 75% trên lý thuyết, nhưng với các mạch số trong điện thoại thì khác sẽ tổn hao rất thấp, và công suất phát ra rất lớn.