변조는 한 신호(반송파)의 매개변수가 다른 신호(변조, 정보)에 의해 변경되는 비선형 전기 프로세스입니다. 주파수, 진폭 및 위상 변조는 통신 공학에서 널리 사용됩니다. 전력 전자 및 마이크로 프로세서 기술에서 펄스 폭 변조는 널리 퍼져 있습니다.
PWM(펄스 폭 변조)이란?
펄스 폭 변조에서 원래 신호의 진폭, 주파수 및 위상은 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 정보 신호의 영향으로 직사각형 펄스의 지속 시간(폭)이 변경됩니다. 영어 기술 문헌에서는 PWM(펄스 폭 변조)이라는 약어로 표시됩니다.
PWM의 작동 원리
펄스 폭 변조 신호는 두 가지 방식으로 형성됩니다.
- 비슷한 물건;
- 디지털.
아날로그 PWM 신호 생성 방식은 반전 시 톱니 또는 삼각형 캐리어 신호를 사용합니다. 비교기의 입력정보 신호는 비교기의 비반전 입력으로 전송됩니다. 반송파의 순시 레벨이 변조 신호보다 높으면 비교기 출력은 0이고 낮으면 1입니다.출력은 반송파 삼각형 또는 톱니의 주파수에 해당하는 주파수와 변조 전압 레벨에 비례하는 펄스 길이를 갖는 이산 신호입니다.
예를 들어, 선형 증가 신호에 의한 삼각형 신호의 펄스 폭 변조가 표시됩니다. 출력 펄스의 지속 시간은 출력 신호의 레벨에 비례합니다.
아날로그 PWM 컨트롤러는 비교기 및 캐리어 생성 회로가 포함된 기성 집적 회로로도 제공됩니다. 외부 주파수 인코더 요소를 연결하고 정보 신호를 공급하기 위한 입력이 있습니다. 출력에서 강력한 외부 스위치를 제어하는 신호를 가져옵니다. 피드백을 위한 입력도 있습니다. 이는 설정된 조절 매개변수를 유지하는 데 필요합니다. 예를 들어, 이것은 TL494 칩입니다. 소비자 전력이 상대적으로 낮은 경우 키가 내장된 PWM 컨트롤러를 사용할 수 있습니다. 최대 3A의 전류에 대해 LM2596 칩의 내부 스위치가 설계되었습니다.
디지털 방식은 특수 칩 또는 마이크로 프로세서를 사용하여 수행됩니다. 펄스 길이는 내부 프로그램에 의해 제어됩니다. 널리 사용되는 PIC 및 AVR을 비롯한 많은 마이크로컨트롤러에는 하드웨어 PWM 구현을 위한 온보드 모듈이 있습니다. PWM 신호를 얻으려면 모듈을 활성화하고 작동 매개변수를 설정해야 합니다. 이러한 모듈이 없으면 순수한 소프트웨어 방식으로 PWM을 구성할 수 있으므로 어렵지 않습니다. 이 방법은 출력의 유연한 사용으로 인해 더 많은 가능성을 제공하고 더 많은 자유를 제공하지만 컨트롤러의 더 많은 리소스가 필요합니다.
PWM 신호 특성
PWM 신호의 중요한 특성은 다음과 같습니다.
- 진폭(U);
- 주파수(f);
- 듀티 사이클(S) 또는 충전 계수 D.
볼트의 진폭은 부하에 따라 설정됩니다. 소비자의 공칭 공급 전압을 제공해야 합니다.
펄스 폭 변조 신호의 주파수는 다음 고려 사항에서 선택됩니다.
- 주파수가 높을수록 조절 정확도가 높아집니다.
- 주파수는 PWM에 의해 제어되는 장치의 응답 시간보다 낮아서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 조절된 매개변수의 맥동이 눈에 띄게 나타납니다.
- 주파수가 높을수록 스위칭 손실이 높아집니다. 이는 키의 전환 시간이 유한하기 때문입니다. 래치 상태에서는 전체 공급 전압이 핵심 요소에 떨어지지만 전류는 거의 없습니다. 열린 상태에서 전체 부하 전류는 키를 통해 흐르지만 통과 저항이 몇 옴이기 때문에 전압 강하는 작습니다. 두 경우 모두 전력 손실은 무시할 수 있습니다. 한 상태에서 다른 상태로의 전환은 빠르지만 즉각적이지는 않습니다. 개방-폐쇄 과정에서 부분적으로 개방된 요소에 큰 전압 강하가 발생하고 동시에 상당한 전류가 이를 통해 흐릅니다. 이 때 전력 손실은 높은 값에 도달합니다. 이 기간은 짧고 키는 상당히 워밍업할 시간이 없습니다. 그러나 주파수가 증가할수록 단위 시간당 이러한 시간 간격이 많아지고 열 손실이 증가합니다. 따라서 키 구성에 빠르게 작용하는 요소를 사용하는 것이 중요합니다.
- 제어할 때 모터의 주파수는 사람이 들을 수 있는 범위(25kHz 이상)를 넘어서야 합니다. 낮은 PWM 주파수에서는 불쾌한 휘파람이 발생하기 때문입니다.
이러한 요구 사항은 종종 서로 충돌하므로 경우에 따라 빈도 선택은 절충안을 찾는 것입니다.
변조의 크기는 듀티 사이클에 의해 특징지어집니다. 펄스 반복률이 일정하기 때문에 주기도 일정합니다(T=1/f). 주기는 펄스와 일시 중지로 구성되며 각각 지속 시간이 t입니다.꼬마 도깨비 그리고 t정지시키다, 여기서 t꼬마 도깨비+t정지시키다=T. 비율은 주기에 대한 펄스 지속 시간의 비율입니다. - S=t꼬마 도깨비/티.그러나 실제로는 역값을 사용하는 것이 더 편리한 것으로 판명되었습니다. 채우기 계수: D=1/S=T/t꼬마 도깨비.. 채우기 비율을 백분율로 표현하는 것이 훨씬 더 편리합니다.
PWM과 PWM의 차이점은 무엇입니까
외국 기술 문헌에서는 펄스 폭 변조와 펄스 폭 제어(PWM)를 구분하지 않습니다. 러시아 전문가들은 이러한 개념을 구별하려고 노력하고 있습니다. 실제로 PWM은 일종의 변조, 즉 다른 변조 신호의 작용에 따라 반송파 신호가 변경되는 것입니다. 반송파 신호는 정보의 반송파 역할을 하고 변조 신호는 이 정보를 설정합니다. 그리고 펄스 폭 제어는 PWM을 통한 부하 모드의 조절입니다.
PWM의 이유 및 적용
펄스 폭 변조의 원리는 다음에서 사용됩니다. 강력한 유도 전동기를 위한 속도 컨트롤러. 이 경우 조정 가능한 주파수(단상 또는 3상)의 변조 신호는 저전력 사인파 발생기에 의해 형성되고 아날로그 방식으로 반송파에 중첩됩니다. 출력은 전력 수요 키에 공급되는 PWM 신호입니다. 그런 다음 간단한 RC 체인과 같은 저역 통과 필터를 통해 결과적인 펄스 시퀀스를 전달하고 원래 정현파를 분리할 수 있습니다. 또는 모터 없이도 할 수 있습니다. 모터의 관성으로 인해 필터링이 자연스럽게 발생합니다. 분명히 캐리어 주파수가 높을수록 출력 신호의 모양이 원래 사인 곡선에 더 가깝습니다.
자연스러운 질문이 발생합니다. 예를 들어 발진기 신호를 한 번에 증폭할 수 없는 이유는 무엇입니까? 고전력 트랜지스터를 사용하여? 선형 모드에서 작동하는 조절 요소가 부하와 스위치 사이에 전력을 재분배하기 때문입니다. 이는 핵심 요소에 많은 전력이 낭비됨을 의미합니다. 반면에 강력한 조절 요소가 키 모드(트리니스터, 트라이액, RGBT 트랜지스터)에서 작동하는 경우 전력은 시간이 지남에 따라 분배됩니다.손실은 훨씬 줄어들고 효율성은 훨씬 높아집니다.
디지털 기술에서 펄스 폭 제어에 대한 특별한 대안은 없습니다. 신호 진폭은 일정하며 전압과 전류를 변경하는 유일한 방법은 펄스 폭 캐리어를 변조한 다음 평균을 내는 것입니다. 따라서 PWM은 펄스 신호를 평균화할 수 있는 대상에서 전압과 전류를 조절하는 데 사용됩니다. 평균화는 다양한 방식으로 발생합니다.
- 부하 관성에 의해. 따라서 열전 히터 및 백열 램프의 열 관성은 펄스 사이의 일시 중지에서 제어 대상이 눈에 띄게 냉각되지 않도록 합니다.
- 지각의 관성 때문입니다. LED는 펄스에서 펄스로 페이드할 시간이 있지만 인간의 눈은 이를 알아채지 못하고 다양한 강도의 일정한 빛으로 인식합니다. LED 모니터의 밝기 제어는 이 원리를 기반으로 합니다. 그러나 수백 헤르츠의 주파수로 감지할 수 없는 깜박임이 여전히 존재하며 눈의 피로를 유발합니다.
- 기계적 관성 때문입니다. 이 속성은 DC 컬렉터 모터를 제어하는 데 사용됩니다. 제어 주파수가 적절하게 선택되면 모터는 데드 타임 일시 정지에서 스톨할 시간이 없습니다.
따라서 PWM은 전압 또는 전류의 평균값이 결정적인 역할을 하는 경우에 사용됩니다. 언급된 일반적인 경우 외에도 PWM 방식은 용접기 및 배터리 충전기 등의 평균 전류를 조절합니다.
자연 평균화가 불가능한 경우 이미 언급한 저역 통과 필터(LPF) RC 체인 형태로. 실용적인 목적으로는 이것으로 충분하지만 왜곡 없이 LPF를 사용하여 PWM에서 원래 신호를 분리하는 것은 불가능하다는 점을 이해해야 합니다. 결국 PWM 스펙트럼에는 필연적으로 필터 대역폭에 들어갈 무한히 많은 수의 고조파가 포함됩니다.따라서 복원된 정현파의 형태에 대해 어떠한 환상도 갖지 마십시오.
RGB LED의 PWM 제어는 매우 효과적이고 효율적입니다. 이 장치에는 빨간색, 파란색, 녹색의 세 가지 pn 접합이 있습니다. 각 채널의 밝기를 개별적으로 변경하면 거의 모든 색상의 LED 광선을 얻을 수 있습니다(순백색 제외). PWM으로 조명 효과를 만들 수 있는 가능성은 무궁무진합니다.
디지털 펄스 폭 변조 신호의 가장 일반적인 적용은 부하를 통해 흐르는 평균 전류 또는 전압을 제어하는 것입니다. 그러나 이러한 유형의 변조를 비표준으로 사용할 수도 있습니다. 그것은 모두 디자이너의 상상력에 달려 있습니다.
관련 기사:
