変調は、1 つの信号 (搬送波) のパラメータが別の信号 (変調、情報) によって変更される非線形電気プロセスです。周波数、振幅、および位相変調は、通信工学で広く使用されています。パワー エレクトロニクスとマイクロプロセッサ技術では、パルス幅変調が広く使用されています。
PWM（パルス幅変調）とは
パルス幅変調では、元の信号の振幅、周波数、位相は変化しません。情報信号の影響により、矩形パルスの持続時間（幅）が変化することがあります。英語の技術文献では、略語 PWM - パルス幅変調で表されます。
PWMの動作原理
パルス幅変調信号は、次の 2 つの方法で形成されます。
- アナログ;
- デジタル。
アナログ PWM 信号の生成方法は、反転時にノコギリ波または三角波のキャリア信号を使用します。 コンパレータの入力情報信号はコンパレータの非反転入力に送られます。搬送波の瞬時レベルが変調信号よりも高い場合、コンパレータの出力は 0 になり、低い場合は 1 になります。出力は、搬送波の三角波またはのこぎり波の周波数に対応する周波数と、変調電圧レベルに比例するパルス長を持つ離散信号です。
例として、線形増加信号による三角波信号のパルス幅変調が示されています。出力パルスの持続時間は、出力信号のレベルに比例します。
アナログ PWM コントローラは、コンパレータとキャリア生成回路を含む市販の集積回路としても入手できます。外部周波数エンコーダ要素を接続し、情報信号を供給するための入力があります。出力から、強力な外部スイッチを制御する信号が取得されます。フィードバック用の入力もあります。これらは、設定された調整パラメーターを維持するために必要です。これは、たとえば TL494 チップです。コンシューマの電力が比較的低い場合は、キーを内蔵した PWM コントローラを使用できます。最大 3 アンペアの電流用に、LM2596 チップの内部スイッチが設計されています。
デジタル方式は、特殊なチップまたはマイクロプロセッサを使用して実行されます。パルス幅は内部プログラムによって制御されます。一般的な PIC や AVR を含む多くのマイクロコントローラーには、ハードウェア PWM 実装用のモジュールが搭載されています。 PWM 信号を取得するには、モジュールを有効にして動作パラメータを設定する必要があります。そのようなモジュールがない場合は、純粋にソフトウェアの方法で PWM を構成できます。難しくありません。この方法では、出力を柔軟に使用できるため、より多くの可能性と自由度が得られますが、コントローラーのより多くのリソースが必要になります。
PWM信号特性
PWM 信号の重要な特性は次のとおりです。
- 振幅 (U);
- 周波数 (f);
- デューティ サイクル (S) またはフィル ファクター D。
ボルト単位の振幅は、負荷に応じて設定されます。消費者の公称供給電圧を提供する必要があります。
パルス幅変調信号の周波数は、次の考慮事項から選択されます。
- 周波数が高いほど、レギュレーションの精度が高くなります。
- 周波数は、PWM によって制御されるデバイスの応答時間よりも低くしてはなりません。そうしないと、調整されたパラメーターの顕著な脈動が発生します。
- 周波数が高いほど、スイッチング損失が大きくなります。これは、キーの切り替え時間が有限であるためです。ラッチ状態では、電源電圧全体がキーエレメントにかかりますが、電流はほとんどありません。オープン状態では、全負荷電流がキーを流れますが、通過抵抗が数オームであるため、電圧降下は小さくなります。どちらの場合も、消費電力は無視できます。ある状態から別の状態への遷移は高速ですが、瞬時ではありません。開閉プロセス中に、部分的に開いた要素で大きな電圧が低下し、同時に大きな電流が流れます。この時点で、消費電力は高い値に達します。この期間は短く、キーはかなりウォームアップする時間がありません。しかし、周波数が高くなるにつれて、単位時間あたりの時間間隔が増え、熱損失が増加します。したがって、キーの構築には即効性の要素を使用することが重要です。
- 制御時 モーターの 周波数は、人間の可聴範囲 (25 kHz 以上) を超えてリードする必要があります。より低い PWM 周波数では、不快な口笛が発生するためです。
これらの要件は相反することが多いため、周波数の選択は妥協点を探すことになります。
変調の大きさは、デューティサイクルによって特徴付けられます。パルスの繰り返し率が一定であるため、周期も一定です (T=1/f)。期間はパルスと一時停止で構成され、それぞれの持続時間は t です。インプ と一時停止、ここで tインプ+t一時停止=Т。比率は、周期に対するパルス持続時間の比率です - S=tインプ/T。しかし実際には、逆の値を使用する方が便利であることがわかりました - 曲線因子: D=1/S=T/tインプ。.フィルファクターをパーセンテージで表すとさらに便利です。
PWMとPWMの違いは何ですか
海外の技術文献では、パルス幅変調とパルス幅制御 (PWM) の区別はありません。ロシアの専門家は、これらの概念を区別しようとしています。実際、PWMは一種の変調です。つまり、別の変調信号の作用下でのキャリア信号の変化です。キャリア信号は情報のキャリアとして機能し、変調信号はこの情報を設定します。また、パルス幅制御は、PWM による負荷モードの調整です。
PWMの理由と用途
パルス幅変調の原理は、 強力誘導電動機用スピードコントローラ.この場合、調整可能な周波数 (単相または三相) の変調信号は、低電力の正弦波発生器によって形成され、アナログ方式で搬送波に重畳されます。出力は PWM 信号で、電力要求キーに供給されます。次に、結果のパルス シーケンスを単純な RC チェーンなどのローパス フィルターに通し、元の正弦波を分離できます。または、それなしで行うこともできます-モーターの慣性により、フィルタリングが自然に行われます。明らかに、搬送波周波数が高いほど、出力信号の形状は元の正弦波に近くなります。
当然の疑問が生じます - たとえば、オシレータ信号を一度に増幅できないのはなぜですか? ハイパワートランジスタを使用?線形モードで動作する調整要素は、負荷とスイッチの間で電力を再分配するためです。これは、重要な要素に多くの電力が浪費されていることを意味します。一方、強力な調整要素 (トリニスタ、トライアック、RGBT トランジスタ) がキー モードで動作する場合、電力は時間とともに分配されます。損失ははるかに低くなり、効率ははるかに高くなります。
デジタル技術では、パルス幅制御に代わる特別な方法はありません。そこでは信号振幅は一定であり、電圧と電流を変更する唯一の方法は、パルス幅キャリアを変調して平均化することです。したがって、PWM は、パルス信号を平均化できるオブジェクトで電圧と電流を調整するために使用されます。平均化はさまざまな方法で行われます。
- 負荷慣性による。したがって、熱電ヒーターと白熱灯の熱慣性により、パルス間の一時停止中に制御オブジェクトが著しく冷却されることはありません。
- 知覚の慣性による。 LED にはパルスからパルスへとフェードする時間がありますが、人間の目はこれに気付かず、強度が変化する一定の輝きとして認識します。 LED モニターの輝度制御は、この原理に基づいています。しかし、数百ヘルツの頻度で知覚できないまばたきがまだ存在し、目の疲労を引き起こします。
- 機械的慣性のため。このプロパティは、DC コレクター モーターを制御するために使用されます。制御周波数が適切に選択されている場合、モーターはデッド タイムの一時停止でストールする時間がありません。
したがって、PWM は電圧または電流の平均値が決定的な役割を果たす場合に使用されます。上記の一般的なケースに加えて、PWM 方式は、溶接機やバッテリー充電器などの平均電流を調整します。
自然な平均化が不可能な場合、多くの場合、この役割は前述のローパス フィルター (LPF) RCチェーンの形で。実用上はこれで十分ですが、LPF を使用して歪みなしで元の信号を PWM から分離することは不可能であることを理解する必要があります。結局のところ、PWM スペクトルには無数の高調波が含まれており、必然的にフィルター帯域幅に入ります。したがって、復元された正弦波の形状について幻想を持たないでください。
RGB LED の PWM 制御は非常に効果的で効率的です。このデバイスには、赤、青、緑の 3 つの p-n ジャンクションがあります。各チャンネルの明るさを個別に変更することで、ほぼすべての色の LED グローを得ることができます (純粋な白を除く)。 PWM で光の効果を作成する可能性は無限大です。
デジタルパルス幅変調信号の最も一般的なアプリケーションは、負荷を流れる平均電流または電圧を制御することです。しかし、このタイプの変調の非標準的な使用も可能です。それはすべてデザイナーの想像力にかかっています。
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