펄스 폭 변조

펄스 폭 변조(PWM)는 디지털 신호를 사용하여 전력 애플리케이션을 제어할 뿐만 아니라 최소한의 하드웨어로 다시 아날로그로 쉽게 변환할 수 있습니다.

선형 전원 공급 장치와 같은 아날로그 시스템은 기본적으로 많은 전류를 전달하는 가변 저항기이기 때문에 많은 열을 발생시키는 경향이 있습니다. 디지털 시스템은 일반적으로 열을 많이 발생하지 않습니다. 스위칭 장치에서 발생하는 거의 모든 열은 전환(빠르게 수행됨) 중에 발생하지만 장치는 켜져 있거나 꺼져 있지 않고 그 사이에 있습니다. 이는 전력이 다음 공식을 따르기 때문입니다.

P =E I 또는 와트 =전압 X 전류

전압이나 전류가 0에 가까우면 전력은 0에 가까울 것입니다. PWM은 이 사실을 최대한 활용합니다.

PWM은 디지털 신호가 자유 회전할 수 있다는 점에서 아날로그 제어 시스템의 많은 특성을 가질 수 있습니다. PWM은 데이터를 캡처할 필요가 없지만 고급 컨트롤러에는 예외가 있습니다.

듀티 사이클

구형파의 매개변수 중 하나는 듀티 사이클입니다. 대부분의 구형파는 50%입니다. 이것은 논의할 때 표준이지만 대칭일 필요는 없습니다. ON 시간은 신호가 꺼진 상태에서 완전히 켜진 상태, 0%에서 100% 사이, 그리고 그 사이의 모든 범위에서 완전히 달라질 수 있습니다.

아래에는 10%, 50% 및 90% 듀티 사이클의 예가 나와 있습니다. 빈도는 각각 동일하지만 필수 사항은 아닙니다.

PWM이 인기 있는 이유는 간단합니다. 저항과 같은 많은 부하는 전력을 백분율과 일치하는 숫자로 통합합니다. 아날로그 등가 값으로 변환하는 것은 간단합니다. LED는 전류에 대한 응답이 매우 비선형적이며 LED에 정격 전류의 절반을 제공하지만 여전히 LED가 생성할 수 있는 빛의 절반 이상을 얻습니다. PWM을 사용하면 LED에서 생성되는 조명 수준이 매우 선형적입니다. 나중에 다룰 모터도 PWM에 매우 민감합니다.

PWM을 생성할 수 있는 여러 방법 중 하나는 톱니파형과 비교기를 사용하는 것입니다. 아래와 같이 톱니(또는 삼각파)가 대칭일 필요는 없지만 파형의 선형성이 중요합니다. 톱니파형의 주파수는 신호의 샘플링 속도입니다.

관련된 계산이 없으면 PWM이 빠를 수 있습니다. 제한 요소는 비교기 주파수 응답입니다. 꽤 많은 용도가 상당히 낮은 속도이기 때문에 이것은 문제가 아닐 수도 있습니다. 일부 마이크로컨트롤러에는 PWM이 내장되어 있으며 요청 시 신호를 기록하거나 생성할 수 있습니다.

PWM의 용도는 다양합니다. 클래스 D 오디오 증폭기의 핵심은 전압을 높이면 최대 출력이 증가하고 사람이 들을 수 없는 주파수(일반적으로 44Khz)를 선택하여 PWM을 사용할 수 있다는 점입니다. 스피커는 높은 주파수에 응답하지 않고 오디오 신호인 낮은 주파수를 복제합니다. 더 높은 샘플링 속도를 사용하여 충실도를 높일 수 있으며 100Khz 이상은 전례가 없습니다.

또 다른 인기 있는 응용 프로그램은 모터 속도 제어입니다. 클래스로서의 모터는 작동하기 위해 매우 높은 전류가 필요합니다. PWM으로 속도를 변경할 수 있으면 전체 시스템의 효율성이 상당히 향상됩니다. PWM은 선형 방식보다 낮은 RPM에서 모터 속도를 제어하는 ​​데 더 효과적입니다.

H-브리지

PWM은 종종 H-Bridge와 함께 사용됩니다. 이 구성은 문자 H와 유사하고 전원 공급 장치가 부하의 양쪽에 걸쳐 전환될 수 있기 때문에 부하 전체의 유효 전압이 두 배가 되기 때문에 그렇게 명명되었습니다. 모터와 같은 유도 부하의 경우 다이오드를 사용하여 유도 스파이크를 억제하여 트랜지스터를 손상시킬 수 있습니다. 모터의 인덕턴스는 또한 파형의 고주파수 성분을 거부하는 경향이 있습니다. 이 구성은 클래스 D 오디오 앰프용 스피커에도 사용할 수 있습니다.

기본적으로 정확하지만 이 H-Bridge 회로도에는 한 가지 심각한 결함이 있습니다. MOSFET 간에 전환하는 동안 상단과 하단의 두 트랜지스터가 동시에 켜지고 전원 공급 장치가 제공할 수 있는 모든 것을 전면적으로 취할 수 있습니다. 이 상태를 슛 스루라고 합니다. H-Bridge에 사용되는 모든 유형의 트랜지스터에서 발생할 수 있습니다. 전원 공급 장치가 충분히 강력하면 트랜지스터가 생존하지 못합니다. 이것은 트랜지스터 앞에 있는 드라이버를 사용하여 처리되며, 이 드라이버는 다른 하나가 켜지도록 하기 전에 하나를 끌 수 있습니다.

전환 모드 전원 공급 장치

SMPS(스위칭 모드 전원 공급 장치)도 PWM을 사용할 수 있지만 다른 방법도 있습니다. 주요 스위칭 구성 요소 이후에 인덕터와 커패시터 모두에 저장된 전력을 사용하는 토폴로지를 추가하면 이러한 장치의 효율성을 상당히 높일 수 있으며 경우에 따라 90%를 초과합니다. 다음은 이러한 구성의 예입니다.

이 경우 효율은 와트로 측정됩니다. 효율이 90%인 SMPS가 있고 10A에서 12VDC를 5VDC로 변환하는 경우 12V 쪽은 약 4.6A를 끌어옵니다. 설명되지 않은 10%(5와트)는 폐열로 표시됩니다. 이 유형의 레귤레이터는 약간 더 시끄럽지만 선형 레귤레이터보다 훨씬 더 차갑게 작동합니다.

관련 워크시트:

<울>

설계 프로젝트:펄스 폭 변조(PWM) 신호 발생기 워크시트

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신호 변조 워크시트