パルス幅変調

パルス幅変調（PWM）は、デジタル信号を使用して電力アプリケーションを制御するだけでなく、最小限のハードウェアでアナログに戻すのも非常に簡単です。

リニア電源などのアナログシステムは、基本的に多くの電流を流す可変抵抗器であるため、多くの熱を発生する傾向があります。デジタルシステムは通常、それほど多くの熱を発生しません。スイッチングデバイスによって生成されるほとんどすべての熱は、デバイスがオンでもオフでもない間、移行中（迅速に実行されます）に発生します。これは、電力が次の式に従うためです。

P =E I、またはワット=電圧X電流

電圧または電流のいずれかがゼロに近い場合、電力はゼロに近くなります。 PWMはこの事実を最大限に活用しています。

PWMは、デジタル信号をフリーホイーリングできるという点で、アナログ制御システムの多くの特性を備えています。 PWMはデータをキャプチャする必要はありませんが、ハイエンドコントローラでは例外があります。

デューティサイクル

方形波のパラメータの1つは、デューティサイクルです。ほとんどの方形波は50％です。これは、それらを議論するときの標準ですが、対称である必要はありません。オン時間は、信号がオフから完全にオンになるまで、0％から100％まで、およびすべての範囲で完全に変えることができます。

以下に示すのは、10％、50％、および90％のデューティサイクルの例です。頻度はそれぞれ同じですが、これは必須ではありません。

PWMが普及している理由は単純です。抵抗器などの多くの負荷は、電力をパーセンテージに一致する数値に統合します。アナログ等価値への変換は簡単です。 LEDは電流に対する応答が非常に非線形であり、LEDに定格電流の半分を与え、それでもLEDが生成できる光の半分以上を得ることができます。 PWMを使用すると、LEDによって生成される光レベルは非常に線形になります。後で説明するモーターも、PWMに非常に敏感です。

PWMを生成するいくつかの方法の1つは、のこぎり波とコンパレータを使用することです。以下に示すように、のこぎり波（または三角波）は対称である必要はありませんが、波形の線形性は重要です。のこぎり波の周波数は、信号のサンプリングレートです。

関係する計算がない場合、PWMは高速になる可能性があります。制限要因は、コンパレータの周波数応答です。使用のかなりの数がかなり低速であるため、これは問題ではないかもしれません。一部のマイクロコントローラーにはPWMが組み込まれており、オンデマンドで信号を記録または作成できます。

PWMの用途は大きく異なります。これはクラスDオーディオアンプの心臓部であり、電圧を上げることで最大出力を上げ、人間の可聴域を超える周波数（通常は44Khz）を選択することでPWMを使用できます。スピーカーは高周波数に応答しませんが、オーディオ信号である低周波数を複製します。より高いサンプリングレートを使用して忠実度をさらに高めることができ、100Khz以上は前代未聞ではありません。

もう1つの一般的なアプリケーションは、モーター速度制御です。クラスとしてのモーターは、動作するために非常に高い電流を必要とします。 PWMを使用して速度を変更できると、システム全体の効率が大幅に向上します。 PWMは、線形方式よりも低RPMでのモーター速度の制御に効果的です。

Hブリッジ

PWMは、Hブリッジと組み合わせて使用​​されることがよくあります。この構成は、文字Hに似ていることからこのように名付けられており、電源を負荷の両側で切り替えることができるため、負荷の両端の実効電圧を2倍にすることができます。モーターなどの誘導性負荷の場合、トランジスタを損傷する可能性のある誘導性スパイクを抑制するためにダイオードが使用されます。モーターのインダクタンスも、波形の高周波成分を排除する傾向があります。この構成は、クラスDオーディオアンプのスピーカーでも使用できます。

基本的に正確ですが、このHブリッジの回路図には重大な欠陥が1つあります。MOSFET間で遷移するときに、上部と下部の両方のトランジスタが同時にオンになり、電源が提供できるものを完全に活用する可能性があります。この状態は、シュートスルーと呼ばれます。 また、Hブリッジで使用されるあらゆるタイプのトランジスタで発生する可能性があります。電源が十分に強力である場合、トランジスタは生き残れません。これは、トランジスタの前にあるドライバを使用して処理され、一方をオフにしてからもう一方をオンにすることができます。

スイッチングモード電源

スイッチングモード電源（SMPS）もPWMを使用できますが、他の方法もあります。主なスイッチングコンポーネントの後にインダクタとコンデンサの両方に蓄積された電力を使用するトポロジを追加すると、これらのデバイスの効率が非常に高くなり、場合によっては90％を超える可能性があります。以下はそのような構成の例です。

この場合、効率はワット数として測定されます。効率が90％のSMPSがあり、10アンペアで12VDCを5VDCに変換する場合、12V側は約4.6アンペアを引き出します。考慮されていない10％（5ワット）は排熱として表示されます。このタイプのレギュレーターは少しノイズが多いですが、線形のレギュレーターよりもはるかに低温で動作します。

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