パルス幅変調 (PWM) は、電子信号を固定周波数で急速に切り替えることによって、電子信号の実効出力を調整する電力制御技術です。全サイクルに対する「導通」時間の比率を調整することで、デジタル信号源は常に変化するアナログ電圧レベルをシミュレートし、それによって負荷に供給される平均エネルギーを制御できます。
より広義に言うと、変調技術とは、回路やシステムの動作に影響を与えるために、電気波形を変更したり、情報を電気波形にエンコードしたりすることを指します。実際の電子製品では、これは、データを送信したり、デバイスに到達する電圧や電流の大きさを管理したりできるように信号を整形することを意味します。この原理は、モータードライブ、照明調光、オーディオシステムに加え、電力変換やバッテリー充電回路にも広く適用されています。
PWM、振幅変調 (AM)、および周波数変調 (FM) は、振幅または周波数の信号認識を制御するための主な戦略ですが、この記事では特に PWM について説明します。
PWM の基礎 - デューティ サイクルとスイッチング周波数
前述したように、PWM は負荷に供給される実効電圧と電流を調整することで波形を形成します。これは、スイッチング デバイス (通常はトランジスタ) を高速に駆動して、完全なオン状態と完全なオフ状態を切り替えることによって実現されます。各状態でスイッチング デバイスの保持時間を変更することにより、システムは高レベルと低レベルの間隔の相対的な継続時間を通じて情報をエンコードします。
実際、PWM は、各スイッチング サイクルでデバイスが最大電源電圧を取得するのにかかる時間を変更することで、正味電力を制限します。 「導通時間」を長くすると平均出力電圧が増加しますが、「導通時間」を短くすると負荷の実効電圧レベルが低くなります。この動作は、デューティ サイクルとスイッチング周波数という 2 つの主要なパラメータによって説明できます。
デューティ サイクルは、完全な波形サイクル内で信号がアクティブまたはハイ レベル状態にある時間の割合を表します。この比率は通常、パーセンテージ (%) で表され、各サイクル中に出力がオン (有効) 状態に留まる時間を示します。たとえば、デジタル波形が 3 ミリ秒間ハイ レベルを維持し、1 ミリ秒間ロー レベルを維持する場合、合計期間は 4 ミリ秒、デューティ サイクルは 75%、対応するスイッチング周波数は 250 Hz になります。
デューティ サイクルは各パルス励磁セクションの継続時間を直接決定するため、デューティ サイクルを変更すると、実際の電源電圧を変更せずに、ハイ レベル時間とロー レベル時間の比率を変更することで、負荷に供給される実効電力を制御できます。多くのシステムでは、電圧と周波数は固定パラメータであり、デューティ サイクルが主な調整可能な制御変数です。 PWM 駆動の発熱体などのアプリケーションでは、デューティ サイクルの監視は、システムによって提供される予想される電力レベルを決定するための信頼できる指標としても機能します。
スイッチング周波数は、特定の期間内にイベントが繰り返される回数を表します。ここで、PWM 信号を駆動するスイッチング デバイスによって 1 秒あたりに実行される「オン/オフ」サイクルの数を指します。この周波数はヘルツ (Hz) で測定され、動作サイクル全体にわたる電力レベルの循環速度を表します。
負荷の期待される性能を確保するには、適切な PWM スイッチング周波数を選択する必要があります。特定のアプリケーション向けに設定された周波数が高すぎる場合、リレーや特定の種類のアクチュエーターなどの機械コンポーネントが高速なスイッチング速度を達成できず、早期故障が発生する可能性があります。逆に、スイッチング周波数が低いと、騒音、振動、制御対象機器の不安定性などの悪影響が生じる可能性があります。たとえば、モーターの駆動には比較的低い周波数が許容されますが、LED などのソリッドステート負荷は通常、ちらつきなくスムーズに動作するために非常に高いスイッチング周波数を必要とします。