ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและอัตราส่วนการทำงานในการควบคุมความกว้างพัลส์ (PWM) คืออย่างไร?

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและอัตราส่วนการทำงานในการควบคุมความกว้างช่วงสัญญาณ (PWM)

การควบคุมความกว้างช่วงสัญญาณ (PWM) เป็นเทคนิคที่ควบคุมแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยโดยการควบคุมอัตราส่วนการทำงานของสัญญาณสวิตชิง PWM ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การควบคุมมอเตอร์ การจัดการพลังงาน และการปรับความสว่างของ LED การเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและอัตราส่วนการทำงานใน PWM เป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานและการออกแบบระบบ PWM อย่างถูกต้อง

1. หลักการพื้นฐานของ PWM

• สัญญาณ PWM: สัญญาณ PWM เป็นสัญญาณรูปสี่เหลี่ยมคลื่นที่มีความถี่คงที่แต่มีสัดส่วนของระดับสูง (เปิด) และระดับต่ำ (ปิด) ภายในแต่ละวงจรที่เปลี่ยนแปลงได้ สัดส่วนนี้เรียกว่า อัตราส่วนการทำงาน

• อัตราส่วนการทำงาน: อัตราส่วนการทำงานคือสัดส่วนของเวลาที่สัญญาณอยู่ในระดับสูง (เปิด) ต่อระยะเวลาทั้งหมดของวงจร PWM มักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์หรือเศษส่วนระหว่าง 0 ถึง 1 ตัวอย่างเช่น อัตราส่วนการทำงาน 50% หมายความว่าสัญญาณอยู่ในระดับสูงครึ่งหนึ่งของวงจรและอยู่ในระดับต่ำอีกครึ่งหนึ่ง อัตราส่วนการทำงาน 100% หมายความว่าสัญญาณอยู่ในระดับสูงตลอดเวลา และอัตราส่วนการทำงาน 0% หมายความว่าสัญญาณอยู่ในระดับต่ำตลอดเวลา

• ความถี่ของ PWM: ความถี่ของสัญญาณ PWM กำหนดระยะเวลาของแต่ละวงจร ความถี่ที่สูงขึ้นทำให้วงจรสั้นลง และสัญญาณ PWM เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วมากขึ้น

2. ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและอัตราส่วนการทำงานใน PWM

• แรงดันเฉลี่ย: ใน PWM แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยเป็นสัดส่วนตามอัตราส่วนการทำงาน ถ้าแรงดันสูงสุดของสัญญาณ PWM คือ   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ย   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

เมื่อ:

• Vavg คือ แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ย

• D คือ อัตราส่วนการทำงาน (0 ≤ D ≤ 1)

• Vmax คือ แรงดันสูงสุดของสัญญาณ PWM (โดยทั่วไปคือแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่าย)

• ผลของอัตราส่วนการทำงานต่อแรงดันเฉลี่ย:

• เมื่ออัตราส่วนการทำงานเป็น 0%, สัญญาณ PWM อยู่ในระดับต่ำตลอดเวลา และแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยเท่ากับ 0

• เมื่ออัตราส่วนการทำงานเป็น 100%, สัญญาณ PWM อยู่ในระดับสูงตลอดเวลา และแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยเท่ากับแรงดันสูงสุด Vmax

• เมื่ออัตราส่วนการทำงานอยู่ระหว่าง 0% ถึง 100%, แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยเป็นสัดส่วนของแรงดันสูงสุด ตัวอย่างเช่น อัตราส่วนการทำงาน 50% จะทำให้แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยเท่ากับครึ่งหนึ่งของแรงดันสูงสุด

3. ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ PWM

a. การควบคุมมอเตอร์

• ในการควบคุมมอเตอร์ PWM ใช้เพื่อควบคุมความเร็วหรือแรงบิดของมอเตอร์ โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนการทำงานของสัญญาณ PWM แรงดันเฉลี่ยที่นำไปใช้กับมอเตอร์สามารถควบคุมได้ ทำให้สามารถปรับกำลังเอาต์พุตของมอเตอร์ได้ ตัวอย่างเช่น การลดอัตราส่วนการทำงานจะลดแรงดันเฉลี่ย ทำให้มอเตอร์ทำงานช้าลง ในขณะที่การเพิ่มอัตราส่วนการทำงานจะเพิ่มแรงดันเฉลี่ย ทำให้มอเตอร์ทำงานเร็วขึ้น

b. การปรับความสว่างของ LED

• ในการปรับความสว่างของ LED PWM ใช้เพื่อปรับความสว่างของ LED โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนการทำงานของสัญญาณ PWM กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยผ่าน LED สามารถควบคุมได้ ทำให้สามารถปรับความสว่างได้ ตัวอย่างเช่น อัตราส่วนการทำงาน 50% จะทำให้ความสว่างของ LED เท่ากับครึ่งหนึ่งของความสว่างสูงสุด ในขณะที่อัตราส่วนการทำงาน 100% จะทำให้ LED สว่างเต็มที่

c. คอนเวอร์เตอร์ DC-DC

• ในคอนเวอร์เตอร์ DC-DC (เช่น คอนเวอร์เตอร์บั๊ก หรือคอนเวอร์เตอร์บูสต์) PWM ใช้เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต โดยการปรับอัตราส่วนการทำงานของสัญญาณ PWM สามารถควบคุมเวลาเปิดและปิดของอุปกรณ์สวิตชิง ซึ่งทำให้สามารถปรับแรงดันเอาต์พุตได้ ตัวอย่างเช่น ในคอนเวอร์เตอร์บั๊ก การเพิ่มอัตราส่วนการทำงานจะเพิ่มแรงดันเอาต์พุต ในขณะที่การลดอัตราส่วนการทำงานจะลดแรงดันเอาต์พุต

4. ข้อดีของ PWM

• ประสิทธิภาพสูง: PWM ควบคุมแรงดันผ่านการสวิตชิงแทนการควบคุมแบบเชิงเส้น (เช่น การใช้ตัวแบ่งแรงดันแบบต้านทาน) ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานน้อยลงและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

• การควบคุมที่แม่นยำ: โดยการปรับอัตราส่วนการทำงานอย่างแม่นยำ PWM ช่วยให้สามารถควบคุมแรงดันหรือกระแสเอาต์พุตได้อย่างละเอียด

• ความยืดหยุ่น: PWM สามารถปรับใช้ได้กับหลากหลายแอปพลิเคชัน เช่น การควบคุมมอเตอร์ การปรับความสว่างของ LED และการจัดการพลังงาน

5. ข้อจำกัดของ PWM

• การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI): เนื่องจากสัญญาณ PWM เป็นสัญญาณสวิตชิงความถี่สูง จึงอาจสร้างการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะที่ความถี่สูง ควรใช้เทคนิคการกรองและป้องกันการรบกวนในการออกแบบระบบ PWM

• เสียงรบกวน: ในบางแอปพลิเคชัน สัญญาณ PWM อาจสร้างเสียงรบกวนที่ได้ยินได้ โดยเฉพาะในอุปกรณ์เสียงหรือเครื่องขับมอเตอร์ ปัญหานี้สามารถลดลงได้โดยการเลือกความถี่ PWM ที่เหมาะสม

สรุป

ในการควบคุมความกว้างช่วงสัญญาณ (PWM) แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยเป็นสัดส่วนตามอัตราส่วนการทำงาน อัตราส่วนการทำงานกำหนดสัดส่วนของเวลาที่สัญญาณอยู่ในระดับสูงภายในวงจร PWM ซึ่งทำให้เกิดแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ย โดยการปรับอัตราส่วนการทำงาน แรงดันหรือกระแสเอาต์พุตสามารถควบคุมได้อย่างยืดหยุ่นโดยไม่ต้องเปลี่ยนแรงดันจากแหล่งจ่าย PWM ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมมอเตอร์ การปรับความสว่างของ LED การจัดการพลังงาน และแอปพลิเคชันอื่นๆ นำเสนอประสิทธิภาพสูงและความสามารถในการควบคุมที่แม่นยำ