펄스 폭 변조 (PWM)

스위칭 기술로 PWM 사용

펄스 폭 변조 (PWM)는 일반적으로 전기 장치에 대한 DC 전원을 제어하는 ​​데 일반적으로 사용되는 기술로, 현대 전자 전원 스위치로 실용화되었습니다. 그러나 AC 초퍼에서도 그 자리를 차지합니다. 부하에 공급되는 전류의 평균값은 스위치 위치와 상태 지속 시간에 의해 제어됩니다. 스위치의 켜짐 기간이 꺼짐 기간에 비해 더 길면 부하가 비교적 높은 전력을받습니다. 따라서 PWM 스위칭 주파수는 더 빨라야합니다.

일반적으로 전환은 전기 스토브에서 1 분에 여러 번, 램프 조광기에서는 120Hz, 모터 드라이브의 경우 수 킬로 헤르츠 (kHz)에서 수십 kHz까지 전환해야합니다. 오디오 증폭기 및 컴퓨터 전원 공급 장치의 스위칭 주파수는 약 10 ~ 수백 kHz입니다. 펄스 시간에 대한 ON 시간의 비율을 듀티 사이클이라고합니다. 듀티 사이클이 낮 으면 낮은 전력을 의미합니다.

스위칭 장치의 전력 손실은 장치가 꺼진 상태에서 흐르는 전류의 양이 거의 무시할 수 있고 꺼짐 상태에서 전압 강하가 거의 없기 때문에 매우 낮습니다. 디지털 제어는 또한 PWM 기술을 사용합니다 .PWM은 통신 채널을 통해 정보를 전달하기 위해 듀티 사이클이 사용되는 특정 통신 시스템에서도 사용되었습니다.

PWM은 전력 전송이 저항성 수단에 의해 제한 될 때 일반적으로 발생하는 손실없이 부하에 전달되는 총 전력량을 조정하는 데 사용할 수 있습니다. 단점은 듀티 사이클, 스위칭 주파수 및 부하 속성에 의해 정의되는 맥동입니다. 충분히 높은 스위칭 주파수와 필요한 경우 추가 수동 전자 필터를 사용하여 펄스 트레인을 평활화하고 평균 아날로그 파형을 복구 할 수 있습니다. 고주파 PWM 제어 시스템은 반도체 스위치를 사용하여 쉽게 구현할 수 있습니다.

위에서 이미 언급했듯이 켜짐 또는 꺼짐 상태에서 스위치에 의해 거의 전력이 소모되지 않습니다. 그러나 켜짐과 꺼짐 상태 사이의 전환 동안 전압과 전류는 모두 0이 아니므로 스위치에서 상당한 전력이 소모됩니다. 다행히도 완전 켜짐과 완전 꺼짐 사이의 상태 변화는 일반적인 켜짐 또는 꺼짐 시간에 비해 상당히 빠르며 (일반적으로 100 나노초 미만), 따라서 높은 스위칭 주파수에서도 전달되는 전력에 비해 평균 전력 손실이 매우 낮습니다. 사용됩니다.

PWM을 사용하여 부하에 DC 전력 공급

대부분의 산업 공정은 드라이브 속도와 관련된 특정 매개 변수에서 실행되어야합니다. 많은 산업 응용 분야에 사용되는 전기 구동 시스템은 제어 용이성으로 인해 더 높은 성능, 신뢰성, 가변 속도가 필요합니다. 그만큼 DC 모터의 속도 제어 정밀도와 보호가 중요한 응용 분야에서 중요합니다. 모터 속도 컨트롤러의 목적은 필요한 속도를 나타내는 신호를 받아 그 속도로 모터를 구동하는 것입니다.

모터 제어에 적용되는 펄스 폭 변조 (PWM)는 지속적으로 변화하는 (아날로그) 신호가 아닌 연속적인 펄스를 통해 에너지를 전달하는 방법입니다. 펄스 폭을 늘리거나 줄임으로써 컨트롤러는 모터 샤프트로의 에너지 흐름을 조절합니다. 모터의 자체 인덕턴스는 필터처럼 작동하여 'ON'주기 동안 에너지를 저장하고 입력 또는 기준 신호에 해당하는 속도로 방출합니다. 즉, 에너지는 스위칭 주파수가 아니라 기준 주파수에서 부하로 흐릅니다.

회로는 속도를 제어하는 ​​데 사용됩니다. DC 모터 PWM 기술을 사용하여. 시리즈 가변 속도 DC 모터 컨트롤러 12V는 555 타이머 IC를 PWM 펄스 발생기로 사용하여 모터 속도 DC12 볼트를 조절합니다. IC 555는 타이머 회로를 만드는 데 사용되는 인기있는 타이머 칩입니다. 1972 년 Signetics에 의해 소개되었습니다. 내부에 3 개의 5K 저항이 있기 때문에 555라고합니다. IC는 두 개의 비교기, 저항 체인, 플립 플롭 및 출력 스테이지로 구성됩니다. 그것은 세 가지 기본 모드-안정, 단 안정 (원샷 펄스 발생기 및 쌍 안정 모드로 작동하는 경우)에서 작동합니다. 즉, 트리거 될 때 출력은 타이밍 저항과 커패시터의 값에 따라 일정 기간 동안 높아집니다. 안정 모드 (AMV), IC는 자유 실행 멀티 바이브레이터로 작동합니다. 출력은 지속적으로 높고 낮게 변하여 진동 출력을 발진기로 제공합니다. 쌍 안정 모드 (슈미트 트리거라고도 함)에서 IC는 높음이있는 플립 플롭으로 작동합니다. 또는 각 트리거 및 재설정에서 낮은 출력.

이 회로에서는 IRF540 MOSFET이 사용됩니다. 이것은 N 채널 향상 MOSFET입니다. 고장 눈사태 작동 모드에서 지정된 수준의 에너지를 견딜 수 있도록 설계, 테스트 및 보증 된 고급 전력 MOSFET입니다. 이 전력 MOSFET은 고속 및 저 게이트 구동 전력이 필요한 고전력 바이폴라 스위칭 트랜지스터 용 스위칭 조정기, 스위칭 컨버터, 모터 구동기, 릴레이 구동기 및 구동기와 같은 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. 이러한 유형은 집적 회로에서 직접 작동 할 수 있습니다. 이 회로의 작동 전압은 구동되는 DC 모터의 필요에 따라 조정할 수 있습니다. 이 회로는 5-18VDC에서 작동 할 수 있습니다.

위 회로 즉. PWM에 의한 DC 모터 속도 제어 기술은 모터의 속도를 제어하는 ​​듀티 사이클을 변경합니다. IC 555는 다중 진동기를 실행하는 불안정한 모드로 연결됩니다. 회로는 전위차계와 두 개의 다이오드로 구성되어 듀티 사이클을 변경하고 주파수를 일정하게 유지하는 데 사용됩니다. 가변 저항기 또는 전위차계의 저항이 변하면 MOSFET에 적용되는 펄스의 듀티 사이클이 변하고 그에 따라 모터의 DC 전력이 변하므로 듀티 사이클이 증가함에 따라 속도가 증가합니다.

PWM을 사용하여 부하에 AC 전원 공급

MOSFET 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT)와 같은 최신 반도체 스위치는 매우 이상적인 구성 요소입니다. 따라서 고효율 컨트롤러를 구축 할 수 있습니다. 일반적으로 AC 모터를 제어하는 ​​데 사용되는 주파수 변환기는 효율이 98 % 이상입니다. 스위칭 전원 공급 장치는 낮은 출력 전압 수준으로 인해 효율성이 낮지 만 (종종 마이크로 프로세서의 경우 2V 미만이 필요함) 70-80 % 이상의 효율성을 달성 할 수 있습니다.

AC에 대한 이러한 종류의 제어는 전력 알려진 지연 발사 각도 방법입니다. 무시할 수있는 노이즈를 발생시키는 실제 PWM 제어에 비해 저렴하고 많은 전기 노이즈와 고조파를 생성합니다.

산업용 난방, 조명 제어, 소프트 스타트 유도 모터 및 팬 및 펌프 용 속도 컨트롤러와 같은 많은 애플리케이션에서 고정 AC 소스의 가변 AC 전압이 필요합니다. 레귤레이터의 위상 각 제어는 이러한 요구 사항에 널리 사용되었습니다. 단순성 및 많은 양의 전력을 경제적으로 제어 할 수있는 능력과 같은 몇 가지 장점을 제공합니다. 그러나 지연된 발화 각은 불연속성과 부하 전류의 풍부한 고조파를 유발하고 발화 각이 증가하면 AC 측에서 지연 역률이 발생합니다.

이러한 문제는 PWM AC 초퍼를 사용하여 개선 할 수 있습니다. 이 PWM AC 초퍼는 거의 단일 역률을 갖는 정현파 입력 전류와 같은 몇 가지 장점을 제공합니다. 그러나 필터 크기를 줄이고 출력 레귤레이터의 품질을 개선하려면 스위칭 주파수를 높여야합니다. 이로 인해 높은 스위칭 손실이 발생합니다. 또 다른 문제는 전환 스위치 S1과 프리 휠링 스위치 S2 사이의 정류입니다. 두 스위치가 동시에 켜지면 (단락) 전류 스파이크가 발생하고 두 스위치가 모두 꺼져 있으면 전압 스파이크가 발생합니다 (프리 휠링 경로 없음). 이러한 문제를 피하기 위해 RC 스 너버가 사용되었습니다. 그러나 이것은 회로의 전력 손실을 증가시키고 고전력 애플리케이션에서는 어렵고 비싸고 부피가 크며 비효율적입니다. 제로 전류 전압 스위칭 (ZCS-ZVS)이있는 AC 초퍼가 제안되었습니다. 출력 전압 조정기는 PWM 신호로 제어되는 스위칭 오프 시간을 변경해야합니다. 따라서 소프트 스위칭을 위해서는 주파수 제어가 필요하며 일반 제어 시스템은 PWM 기술을 사용하여 스위칭 온 시간을 생성합니다. 이 기술은 시그마-델타 변조를 통한 간단한 제어와 같은 장점이 있으며 입력 전류를 계속합니다. 제안 된 회로 구성과 PWM chopped 패턴의 특징은 다음과 같습니다.