スイッチング技術としてのPWMの使用
パルス幅変調（PWM）は、電気機器へのDC電力を一般的に制御するために一般的に使用される手法であり、最新の電子電源スイッチによって実用化されています。ただし、ACチョッパーにもその場所があります。負荷に供給される電流の平均値は、スイッチの位置とその状態の持続時間によって制御されます。スイッチのオン期間がオフ期間に比べて長い場合、負荷は比較的高い電力を受け取ります。したがって、PWMスイッチング周波数はより速くなければなりません。
“開ループ制御システムの例 ”
通常、切り替えは、電気ストーブで1分間に数回、ランプ調光器で120 Hz、モータードライブの場合は数キロヘルツ（kHz）から数十kHzまで行う必要があります。オーディオアンプとコンピュータ電源のスイッチング周波数は約10から数百kHzです。パルスの期間に対するオン時間の比率は、デューティサイクルとして知られています。デューティサイクルが低い場合、それは低電力を意味します。
デバイスのオフ状態ではほとんど無視できる量の電流が流れ、オフ状態では無視できる量の電圧降下があるため、スイッチングデバイスの電力損失は非常に低くなります。デジタル制御もPWM技術を使用します。PWMは、そのデューティサイクルが通信チャネルを介して情報を伝達するために使用されている特定の通信システムでも使用されています。
PWMを使用すると、電力伝達が抵抗手段によって制限されている場合に通常発生する損失なしに、負荷に供給される電力の総量を調整できます。欠点は、デューティサイクル、スイッチング周波数、および負荷の特性によって定義される脈動です。十分に高いスイッチング周波数と、必要に応じて追加のパッシブ電子フィルターを使用すると、パルス列を平滑化し、平均的なアナログ波形を復元できます。高周波PWM制御システムは、半導体スイッチを使用して簡単に実装できます。
すでに上で述べたように、オン状態でもオフ状態でも、スイッチによって電力が消費されることはほとんどありません。ただし、オン状態とオフ状態の間の遷移中は、電圧と電流の両方がゼロ以外であるため、スイッチでかなりの電力が消費されます。幸いなことに、完全オンと完全オフの間の状態変化は、通常のオン時間またはオフ時間に比べて非常に高速（通常は100ナノ秒未満）であるため、スイッチング周波数が高い場合でも、平均消費電力は供給される電力に比べて非常に低くなります使用されています。
PWMを使用してDC電力を負荷に供給
ほとんどの産業プロセスは、ドライブの速度が関係する特定のパラメーターで実行する必要があります。多くの産業用アプリケーションで使用される電気駆動システムは、制御が容易なため、より高い性能、信頼性、可変速度を必要とします。ザ・ DCモーターの速度制御 精度と保護が不可欠なアプリケーションでは重要です。モーター速度コントローラーの目的は、必要な速度を表す信号を受け取り、その速度でモーターを駆動することです。
パルス幅変調（PWM）は、モーター制御に適用されるため、連続的に変化する（アナログ）信号ではなく、一連のパルスを介してエネルギーを供給する方法です。パルス幅を増減することにより、コントローラーはモーターシャフトへのエネルギーの流れを調整します。モーター自体のインダクタンスはフィルターのように機能し、「オン」サイクル中にエネルギーを蓄積し、入力信号または基準信号に対応する速度でエネルギーを放出します。言い換えると、エネルギーはスイッチング周波数ではなく、基準周波数で負荷に流れ込みます。
回路はの速度を制御するために使用されます DCモーター PWM技術を使用して。直列可変速度DCモーターコントローラー12Vは、555タイマーICをPWMパルスジェネレーターとして使用して、モーター速度DC12ボルトを調整します。 IC 555は、タイマー回路の作成に使用される人気のタイマーチップです。それは1972年にSigneticsによって導入されました。内部に5Kの抵抗が3つあるため、555と呼ばれます。このICは、抵抗チェーン、フリップフロップ、および出力段の2つのコンパレータで構成されています。それは3つの基本モードで動作します-非安定、単安定（ワンショットパルスジェネレータと双安定モードとして機能します。つまり、トリガーされると、タイミング抵抗とコンデンサの値に基づいて一定期間出力がハイになります。非安定モード（AMV）では、ICはフリーランニングマルチバイブレータとして機能します。出力は連続的にハイとローになり、オシレータとして脈動出力を提供します。シュミットトリガーとも呼ばれる双安定モードでは、ICは高または各トリガーとリセットの低出力。
この回路では、IRF540MOSFETが使用されています。これはNチャネルエンハンスメントMOSFETです。これは、ブレークダウンアバランシェ動作モードで指定されたレベルのエネルギーに耐えるように設計、テスト、および保証された高度なパワーMOSFETです。このパワーMOSFETは、スイッチングレギュレータ、スイッチングコンバータ、モータードライバ、リレードライバ、および高速で低ゲート駆動電力を必要とする高電力バイポーラスイッチングトランジスタのドライバなどのアプリケーション向けに設計されています。これらのタイプは、集積回路から直接操作できます。この回路の動作電圧は、駆動されるDCモーターのニーズに応じて調整できます。この回路は5-18VDCで動作します。
上記の回路、すなわち PWMによるDCモーター速度制御 技術はデューティサイクルを変化させ、それが次にモーターの速度を制御します。 IC 555は、非安定モードのフリーランニングマルチバイブレータに接続されています。この回路は、ポテンショメータと2つのダイオードの配置で構成されており、デューティサイクルを変更して周波数を一定に保つために使用されます。可変抵抗器またはポテンショメータの抵抗が変化すると、MOSFETに印加されるパルスのデューティサイクルが変化し、それに応じてモーターへのDC電力が変化し、デューティサイクルが増加するにつれてその速度が増加します。
負荷にAC電力を供給するためのPWMの使用
MOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）などの最新の半導体スイッチは非常に理想的なコンポーネントです。したがって、高効率のコントローラーを構築できます。通常、ACモーターの制御に使用される周波数変換器の効率は98％を上回ります。スイッチング電源は、出力電圧レベルが低いために効率が低くなりますが（マイクロプロセッサの場合、2 V未満が必要になることがよくあります）、70〜80％を超える効率を達成できます。
ACのこの種の制御は、電力既知の遅延発火角度法です。無視できるノイズを発生させる実際のPWM制御と比較して、安価で多くの電気ノイズと高調波を生成します。
産業用暖房、照明制御、ソフトスタート誘導モーター、ファンやポンプの速度コントローラーなどの多くのアプリケーションでは、固定AC電源からの可変AC電圧が必要です。レギュレータの位相角制御は、これらの要件に広く使用されています。シンプルで大量の電力を経済的に制御できるなど、いくつかの利点があります。ただし、発火角度が遅れると、負荷電流に不連続性と豊富な高調波が発生し、発火角度が大きくなるとAC側で力率の遅れが発生します。
これらの問題は、PWMACチョッパーを使用することで改善できます。このPWMACチョッパーには、力率がほぼ1の正弦波入力電流などのいくつかの利点があります。ただし、フィルターサイズを小さくし、出力レギュレーターの品質を向上させるには、スイッチング周波数を上げる必要があります。これにより、高いスイッチング損失が発生します。別の問題は、転送スイッチS1とフリーホイールスイッチS2の間の転流です。両方のスイッチが同時にオンになると電流スパイクが発生し（短絡）、両方のスイッチがオフになると電圧スパイクが発生します（フリーホイールパスなし）。これらの問題を回避するために、RCスナバが使用されました。ただし、これにより回路の電力損失が増加し、高電力アプリケーションでは困難で、高価で、かさばり、非効率的です。ゼロ電流電圧スイッチングを備えたACチョッパー（ZCS-ZVS）が提案されています。その出力電圧レギュレータは、PWM信号によって制御されるスイッチオフ時間を変更する必要があります。したがって、ソフトスイッチングを実現するには周波数制御を使用する必要があり、一般的な制御システムはPWM技術を使用してスイッチオン時間を生成します。この手法には、シグマデルタ変調による単純な制御や入力電流の継続などの利点があります。提案された回路構成とPWMチョップドパターンの特徴を以下に示します。
