パルス幅変調

PWM または PWM (パルス幅変調) は、負荷への電源供給を制御する方法です。制御は、一定のパルス繰り返し率でパルス持続時間を変更することから構成されます。パルス幅変調は、アナログ、デジタル、バイナリ、およびターナリで使用できます。

パルス幅変調を使用すると、電気コンバータ、特に今日さまざまな電子機器の二次電源の基礎を形成しているパルスコンバータの効率を高めることができます。フライバックおよびフォワード シングル、プッシュプルおよびハーフブリッジ、ならびにブリッジ スイッチング コンバータは現在、PWM を利用して制御されており、これは共振コンバータにも当てはまります。

パルス幅変調により、携帯電話、スマートフォン、ノートパソコンの液晶ディスプレイのバックライトの明るさを調整できます。 PWMが実装されているのは、 溶接機現在、すべての充電器は動作に PWM を使用しています。

キーモード バイポーラ トランジスタと電界効果トランジスタは、最新の高周波コンバータのスイッチング素子として使用されています。これは、トランジスタが完全に開いている期間の一部と完全に閉じている期間の一部を意味します。

また、数十ナノ秒しか続かない過渡状態では、スイッチによって放出される電力はスイッチング電力に比べて小さいため、結果として、スイッチ上で熱の形で放出される平均電力は無視できることがわかります。この場合、閉状態では、スイッチとしてのトランジスタの抵抗は非常に小さく、その両端の電圧降下はゼロに近づきます。

オープン状態では、トランジスタの導電率はゼロに近く、電流は実際には流れません。これにより、高効率、つまり熱損失の少ない、コンパクトなコンバータを作成することが可能になります。 ZCS (ゼロ電流スイッチング) 共振コンバータは、これらの損失を最小限に抑えます。

アナログタイプの PWM 発生器では、たとえば三角波または三極管信号がコンパレータの反転入力に印加され、変調連続信号が非反転入力に印加されると、アナログ コンパレータによって制御信号が生成されます。

出力パルスを受信 長方形、その繰り返し率は鋸歯状波（または三角波）の周波数に等しく、パルスの正の部分の持続時間は変調DC信号のレベルが鋸歯状波の非反転入力に印加される時間に関係します。コンパレータは、反転入力に供給されるソー信号のレベルよりも高くなります。のこぎり電圧が変調信号より高い場合、出力はパルスの負の部分になります。

鋸がコンパレータの非反転入力に印加され、変調信号が反転入力に印加された場合、鋸電圧が変調信号の値より高い場合、方形波出力パルスは正の値になります。反転入力に適用され、負の値 - のこぎり電圧が変調信号より低い場合。アナログ PWM 生成の例としては、スイッチング電源の構築に今日広く使用されている TL494 チップがあります。

デジタル PWM はバイナリ デジタル テクノロジで使用されます。出力パルスも 2 つの値 (オンまたはオフ) のうちの 1 つだけを取り、平均出力レベルは目的の値に近づきます。ここで、ノコギリ波信号は N ビットのカウンターを使用して得られます。

PWM デジタル デバイスも一定の周波数で動作し、必然的に制御対象デバイスの応答時間を超えます。このアプローチはオーバーサンプリングと呼ばれます。クロックエッジ間では、デジタル PWM 出力は、カウンタ信号と近似デジタル信号のレベルを比較するデジタル コンパレータの出力の現在の状態に応じて、ハイまたはローで安定したままになります。

出力は状態 1 と 0 の一連のパルスとしてクロックされ、クロックの各状態は反転する場合と反転しない場合があります。パルスの周波数は接近する信号のレベルに比例し、連続するユニットはより幅広で長いパルスを形成できます。

結果の可変幅パルスはクロック周期の倍数になり、周波数は 1 / 2NT に等しくなります。ここで、T はクロック周期、N はクロック サイクル数です。ここでは、クロック周波数の点でより低い周波数が実現可能です。説明されているデジタル生成方式は、1 ビットまたは 2 レベルの PWM、パルス符号化 PCM 変調です。

この 2 段階のパルス符号化変調は、基本的に、周波数 1/T、幅 T または 0 のパルスのシーケンスです。オーバーサンプリングは、より長い期間にわたる平均化に使用されます。高品質の PWM は、パルス周波数変調とも呼ばれる、シングルビットのパルス密度変調によって実現されます。

デジタル パルス幅変調では、周期を満たす長方形のサブパルスが周期内のどこにでも現れる可能性があり、その数だけがその周期の信号の平均値に影響します。したがって、周期を 8 つの部分に分割すると、パルスの組み合わせは 11001100、11110000、11000101、10101010 などとなります。同じ期間平均が得られますが、個々のユニットによりキー トランジスタのデューティ サイクルが重くなります。

エレクトロニクスの著名人は、PWM について、力学と同様の例えを示します。エンジンをオンまたはオフにできるようになった後、エンジンで重いフライホイールを回すと、フライホイールは空転して回転し続けるか、エンジンがオフのときに摩擦により停止します。

しかし、エンジンが1分間に数秒間オンになると、フライホイールの回転は慣性によって一定の速度で維持されます。そして、エンジンを長くオンにすると、フライホイールの回転速度が高くなります。したがって、PWM を使用すると、オンとオフの信号 (0 と 1) が出力に入力され、結果は平均値になります。パルスの電圧を時間にわたって積分することにより、パルスの下の面積が得られ、作業体への影響は電圧の平均値による作業と同じになります。

これがコンバータの仕組みであり、スイッチングが 1 秒間に数千回発生し、周波数はメガヘルツ単位に達します。特別な PWM コントローラは、省エネランプの安定器、電源、 モーター用周波数変換器 等

パルス期間の合計持続時間とオン時間 (パルスの正の部分) の比は、デューティ サイクルと呼ばれます。したがって、ターンオン時間が 10 μs で、その周期が 100 μs 続く場合、周波数 10 kHz ではデューティ サイクルは 10 となり、S = 10 と書かれます。 逆のデューティ サイクルはデューティと呼ばれます。サイクル、英語ではデューティサイクルまたは略して DC。

したがって、指定された例では、10/100 = 0.1 であるため、DC = 0.1 となります。パルス幅変調では、パルスのデューティ サイクルを調整することによって、つまり直流電流を変更することによって、電子またはモーターなどの他の電気デバイスの出力で必要な平均値が得られます。