펄스 폭 변조(PWM)란 무엇이며 어떻게 사용해야 하나요?

펄스 폭 변조(PWM)가 개발되기 전, 조광을 위해 전압 또는 전류를 조정하는 유일한 방법은 가변 저항기 또는 전위차계를 사용하는 것이었습니다. 또한 PWM을 사용하면 모터, 밸브, 펌프, 유압 시스템 및 기타 기계식 부품과 같은 큰 부품을 보다 쉽게 제어할 수 있습니다.

일반적으로 DC 전압은 0 위 또는 아래의 특정 값에서 일정하게 유지됩니다. 펄스 폭 변조는 ON 상태와 OFF 상태로 유지되는 시간을 변경하여 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환합니다. 용어 "듀티 사이클"은 OFF의 경우와 비교하여 ON 상태를 유지하는 시간의 비율을 설명하는 데 사용됩니다. 일반적으로 PWM 출력을 생성할 수 있는 장치는 평균 전력이 부하에 대해 일정하게 "나타나도록" 매우 높은 재생률을 갖습니다. 예를 들어 저는 재생률에 대해 약 500Hz를 판독하는 디지털 분석기를 사용하여 Arduino를 테스트했습니다. 다음은 PWM 신호가 어떻게 나타나는지 보여주는 한 예입니다. 저는 LTSpice를 사용하여 신호를 시뮬레이션하고 파형 그림을 캡처했습니다.

LTSpice(Analog Devices에서 제조한 회로 시뮬레이션 프로그램)를 통해 생성된 PWM 신호.

저는 다른 전압 수준을 사용했으며 듀티 사이클 간 차이를 표시하기 위해 각 신호에 대해 오프셋을 배치했습니다. 여기에서 볼 수 있듯이 듀티 사이클이 높을수록 ON 상태가 OFF 상태보다 더 오래 유지되며, 듀티 사이클이 낮을 경우에는 그 반대로 적용됩니다.

이러한 신호 유형의 정확한 역할은 무엇일까요? PWM이 가능한 장치는 사용자가 정의하는 듀티 사이클을 유지하며 사용자는 경우에 따라 언제든지 펄스 폭의 변경을 프로그래밍할 수 있습니다. 수학적으로 말하면, PWM이 가능한 장치는 "평균" 전압이 나타나도록 출력을 변경합니다. 50% 듀티 사이클로 설정된 신호는 부하에 제공되는 평균 전압을 약 50% 줄입니다. 그러나 이는 대부분의 경우 현실적이지 못합니다. 장치가 100% 정확하지는 않기 때문입니다. 고려해 볼 수 있는 더 적절한 측정 방법은 제곱 평균(RMS) 측정입니다. 여러 다중 계측기 및 기타 측정 장비에서 RMS 측정 방법을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, LTSpice 시뮬레이션에서 5V_DC 신호(50% 듀티 사이클, 60Hz 화면 주사율)는 3.57V의 RMS 전압을 제공합니다. 동일한 시뮬레이션에서 PWM 펄스 없이 일반적으로 1A를 소비하는 부하를 배치하면 약 714mA RMS(50% 듀티 사이클)가 인식됩니다.

디지털 신호는 응용 제품에 따라 약 5V 또는 3.3V로 유지되는 경향이 있지만 MOSFET을 사용하여 더 큰 전압에 미치는 영향을 "복제"할 수 있습니다. 이러한 트랜지스터는 흔히 전압 제어 스위치로 사용되기 때문에 게이트-소스 전압에 따라 PWM 신호와 동일한 속도로 켜지고 꺼집니다. 이러한 반응은 고전압이 PWM 신호처럼 표시되고 동일한 동작을 따르도록 합니다. PWM은 특히 여러 부품에 대한 "조광" 효과를 에뮬레이션할 때 유용합니다. LED는 전위차계에 제대로 반응하지 않으며 이는 더 높은 전류 및 전압 LED일 때 특히 그렇습니다. 그러나 MOSFET과 함께 사용되는 PWM 장치는 전압을 충분히 높은 수준으로 유지하여 LED를 더 오래 ON 상태로 유지함으로써 더 큰 조광 범위를 생성합니다. PWM은 또한 동일한 개념을 사용하는 모터에 대한 속도를 제어하는 데 사용됩니다.

PWM을 처음 사용하여 실험하려는 경우 Arduino 플랫폼을 권장합니다. 제가 사용한 두 모델은 1050-1024-ND와 1050-1018-ND입니다. MEGA는 PWM 출력이 가능한 핀이 더 많습니다. Arduino는 "analogWrite (pin, val)" 함수를 사용하여 이를 수행합니다. 핀 변수는 PWM이 가능한 I/O(핀 옆에 ~ 표시)이고 0에서 255 사이의 값을 가질 수 있습니다. 0은 0% 듀티 사이클이고 255는 100% 듀티 사이클입니다.