PWMとは何ですか、それを測定する方法

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PWMはパルス幅変調の略で、ディスクリートIC、MCU、トランジスタ回路などの特定のソースから生成される可能性のあるパルス幅の可変性を示します。

PWMとは

簡単に言うと、PWMプロセスは、オン/オフのタイミング比が異なる特定のレートで電源電圧のオンとオフを切り替えることに他なりません。ここでは、電圧のスイッチオンの長さは、スイッチのオフの長さより長くても小さくてもかまいません。



たとえば、PWMは、2秒オン1秒オフ、1秒オン2秒オフ、または1秒オン、1秒オフのレートでオンとオフを切り替えるように固定された電圧で構成されます。

この供給電圧のオン/オフレートが異なる方法で最適化されている場合、電圧はPWMまたはパルス幅変調されていると言えます。



以下に示すように、一定のDC電位が電圧v / s時間グラフにどのように表示されるかについては既によく知っている必要があります。

上の画像では、9Vレベルで直線を見ることができます。これは、9Vレベルが時間に対して変化しないため、直線を確認できるためです。

この9Vが1秒ごとにオンとオフに切り替わると、上のグラフは次のようになります。

9Vは毎秒交互にオンとオフに切り替わるため、9Vラインは1秒ごとにブロック形式の直線評価器ではなくなったことがはっきりとわかります。

上記のトレースは長方形のブロックのように見えます。これは、9Vのオンとオフを切り替えると、操作が瞬時に行われ、突然9Vがゼロレベルになり、次に突然9Vレベルになり、グラフ上に長方形の形状が形成されるためです。

上記の条件は、測定されるべき2つのパラメータ、すなわち、ピーク電圧および平均電圧またはRMS電圧を有する脈動電圧を生じさせる。

ピーク電圧と平均電圧

最初の画像では、ピーク電圧は明らかに9Vであり、平均電圧も9Vです。これは、電圧が途切れることなく一定であるためです。

ただし、2番目の画像では、電圧が1 Hzレート(1秒オン、1秒オフ)でオン/オフに切り替えられても、オン期間中は常にピークが9Vマークに達しているため、ピークは9Vに等しくなります。ただし、ここでの平均電圧は9Vではなく4.5Vです。これは、電圧のメイクとブレークが50%の割合で行われるためです。

PWMの説明では、このオン/オフレートはPWMのデューティサイクルと呼ばれるため、上記の場合は50%のデューティサイクルになります。

DC範囲でデジタルマルチメータを使用してPWMを測定すると、常にメータの平均値が読み取られます。

新しい愛好家はしばしばこの読みと混同し、それをピーク値と見なしますが、これは完全に間違っています。

上で説明したように、PWMのピーク値は回路に供給される供給電圧にほぼ等しくなりますが、メーターの平均電圧はPWMのオン/オフ期間の平均になります。

PWMによるMOSFETの切り替え

したがって、PWMでMOSFETを切り替えていて、ゲート電圧がたとえば3Vであることがわかった場合、これはメーターによって示される平均電圧である可能性があるため、慌てる必要はありません。ピーク電圧は回路の電源と同じくらい高くなる可能性があります。電圧。

したがって、MOSFETはこれらのピーク値を介して細かく完全に導通していると予想でき、平均電圧はその導通期間にのみ影響し、デバイスのスイッチング仕様には影響しません。

前のセクションで説明したように、PWMは基本的にパルス幅の変化、つまりDCのオン期間とオフ期間の変化を伴います。

たとえば、ON時間がON時間より50%短いPWM出力が必要だとします。

次の図に示すように、選択したオン時間が1/2秒の場合、オフ時間は1秒に等しくなり、1/2秒のオンと1秒のオフのデューティサイクルが発生するとします。 。

PWMのデューティサイクルの分析

この例では、PWMは9Vのピーク電圧を生成するように最適化されていますが、オン時間は1つの完全なオン/オフサイクルのわずか35%であるため、平均電圧は3.15Vです。

1つの完全なサイクルとは、特定のパルスが1つの完全なオン時間と1つのオフ時間を完了することを可能にする期間を指します。

同様に、次のデータを使用して周波数のパルス幅を最適化することもできます。

ここでは、オン時間がオフ時間よりも1サイクル全体で65%増加していることがわかります。したがって、ここでは、電圧の平均値は5.85Vになります。

上記の平均電圧は、RMSまたは電圧の二乗平均平方根値とも呼ばれます。

これらはすべて長方形または正方形のパルスであるため、RMSはデューティサイクルのパーセンテージにピーク電圧を掛けるだけで計算できます。

正弦波をシミュレートするためのPWMの最適化

ただし、PWMがACパルスをシミュレートするように最適化されている場合、RMSの計算は少し複雑になります。

変化する振幅または正弦波AC信号のレベルに対応して幅を変化させるように最適化された次のPWMの例を見てみましょう。

これについては、IC555の使用方法を説明した以前の記事の1つで詳しく知ることができます。 正弦波相当のPWM出力を生成 。

上の画像でわかるように、パルスの幅は正弦波の瞬間レベルに対して変化しています。正弦波がピークに達する傾向があるため、対応するパルスの幅が広くなり、その逆も同様です。

SPWMの使用

これは、正弦波の電圧レベルが時間とともに絶えず変化しているため、PWMもその幅を絶えず変化させることによって時間とともに変化していることを示しています。このようなPWMは、SPWMまたは正弦波パルス幅変調とも呼ばれます。

したがって、上記の場合、パルスは決して一定ではなく、時間とともに幅が異なって変化します。

これにより、RMSまたは平均値の計算が少し複雑になり、RMSを達成するためにデューティサイクルにピーク電圧を単純に乗算することはできません。

RMS式を導出するための実際の式は非常に複雑ですが、適切に導出した後、最終的な実装は実際には非常に簡単になります。

PWMのRMS電圧の計算

したがって、正弦波に応答して変化するPWM電圧のRMSを計算するには、0.7(定数)にピーク電圧を乗算することで取得できます。

したがって、9Vピークの場合、9 x 0.7 = 6.3Vが得られます。これは、正弦波をシミュレートするRMS電圧または9VピークツーピークPWMの平均値です。

電子回路におけるPWMの役割?

PWMの概念は本質的に関連していることがわかります
インダクタを含む回路設計、特にインバータなどの降圧ブーストトポロジ、 SMPS 、MPPT、LEDドライバ回路など。

インダクタがない場合、PWM機能は特定の回路で実際の値や役割を持たない可能性があります。これは、インダクタだけが、変化するパルス幅を同等のステップアップ(ブースト)またはステップダウン(バック)に変換する固有の機能を備えているためです。電圧または電流。これは、PWMテクノロジーの全体的かつ唯一のアイデアになります。

インダクタでPWMを使用する

PWMが電圧と電流の観点からインダクタ出力にどのように影響するかを理解するには、脈動電圧の影響下でインダクタがどのように動作するかを学ぶことが最初に重要です。

以前の投稿の1つで、 降圧ブースト回路のしくみ 、これは、PWMまたはさまざまなパルス幅を使用してインダクタ出力の寸法を決定する方法を示す典型的な例です。

「性質」により、インダクタは常にその両端の電圧の突然の印加に対抗し、巻線の仕様に応じて一定時間後にのみ通過できることはよく知られています。このプロセス中に、インダクタは同等の量のエネルギーをそれ。

ここで、上記のプロセスの過程で電圧が突然オフになった場合、インダクタは再びこの印加電圧の突然の消失に対処できず、蓄積された電流を解放することによってバランスをとろうとします。

PWMに対するインダクタの反応

したがって、インダクタは、電流を蓄積することによって電圧のスイッチオンに対抗しようとし、蓄積されたエネルギーをシステムに「キック」することによって、電圧の突然のスイッチオフに応答して均等化しようとします。

このキックバックはインダクタの逆起電力と呼ばれ、このエネルギーの内容(電圧、電流)はインダクタの巻線仕様に依存します。

基本的に、巻数によってEMFの電圧を供給電圧より高くするか、供給するかを決定し、ワイヤの太さによってインダクタが供給できる電流の量を決定します。

上記のインダクタには、電圧のオン/オフ期間のタイミングという別の側面があります。

ここで、PWMの使用が重要になります。

巻数は基本的に特定の出力値を決定しますが、最適化されたPWMをインダクタに供給することにより、これらを必要に応じて変えることもできます。

可変PWMを介して、インダクタに、ステップアップ電圧(低減電流)またはステップアップ電流(低減電圧)、あるいはその逆のいずれかとして、任意のレートで電圧と電流を生成/変換させることができます。

一部のアプリケーションでは、LEDライトを調光する場合など、インダクタがなくてもPWMを使用できます。また、出力を最適化してさまざまなスイッチオン、スイッチオフ期間で負荷を制御するMCUタイマー回路を使用することもできます。その意図された動作仕様。




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