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ArduinoでDC/AC電源の電力制御を行う方法(理論)

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電源の電力制御を行うための技術を

簡単にまとめました。




※電圧を電力という言葉で表現しています。

電圧を変えることが結局、

負荷に渡る電力が変わるためです。

あまり気にせずに読んでください。




この電力制御技術は、

調光・モータ制御・ヒータの温度調整などで

使われることが多いです。




ここで言うのは、

ON/OFFだけの2値だけでなく、

ある一定期間において、

どの程度のONなのかという話しです。




英語で「Power Control」といいます。




ざっくり言って

直流 or 交流で少し違いますが、

根本的な考え方はみな同じです。




それでは順にみていきましょう。



PWM (Pulse-Width Modulation)



「パルス幅変調」です。



直流もしくはデジタル回路を扱う回路で

出力するときの電力制御の考え方です。




ある一定期間にどれだけパルス波が

負荷に流れたかということで、

電力(電圧)を調整します。






一定期間(周期)にパルス波を

ON と OFF させます。

ONする時間とOFFする時間の

割合が出力電圧に影響します。



この割合のことを

「デューティ比」と言います。




上の画像のように、

ある一定期間の半分がONであれば、

出力電圧はHighの半分になります。




一定期間ずっとONであれば、

Highと同じ電圧が出力されます。




そしてデジタル回路において、

デューティ比が50%のパルス波を

つなぎ合わせれば、

Highの半分の電圧が得られます。




HighとLowしかないデジタル回路で、

それ以外の電圧を扱うときに用います。

マイコンのアナログ出力というのは、

このPWM技術を用いています。




Arduinoのデジタルピンを見てみると、

基盤にPWMと書かれているピンがあります。

そのピンを使うことで、

疑似的なアナログ出力が出来ます。




実際に例えば、

LEDの明るさを変えようとした場合、

電圧を変えることでLEDに流れる電流が

変わるためLEDの明るさも変わります。




単純計算、電圧が半分になれば、

50%の明るになります。






ここで少し応用してみましょう。




上の画像では、

デューティ比が50%のパルス波を

つなぎ合わせて2.5Vを出力しました。






それではデューティ比を

少しずつ変えていったら

どうなるでしょうか。




例えば、デューティ比を

だんだん大きくし、だんだん小さくする

ということを繰り返します。

するとこのようになります。


引用:富士電機「インバータの仕組み」




デューティ比を変えていくと、

電圧を周期的に変えることが出来ます。

つまり「交流」です。




インバータ回路は、このPWMを使って、

直流から交流に変換しています。




このPWMはパルス波を使っているので、

基本的にはデジタル回路 (直流) で

使える電力制御です。




では交流の電力を制御したい場合は、

どうすればよいのでしょうか。




考え方は同じで、

ある一定期間にどれだけの割合で

負荷に電力を渡すかです。



位相制御:Phase Control


ここで前提の確認をしておきましょう。

交流電源は、ex. 商用コンセントとします。



そして、それから

得られる電力を制御するために、

Arduino等のマイコンを使います。






話を戻しまして。。。

交流の制御には2パターンあります。

ゼロクロスを利用しているか否かです。

※ゼロクロスとは交流が0Vになる点




この位相制御方式は、

ゼロクロスを利用していません。




位相制御方式は英語で、

Phase Control とか

Phase Angle Controlとか

Phase-fired Controlと呼ばれています。





なぜ「位相」かと言うと、

交流をsin関数としたときに、



本来は0度から電圧が印加するところを

90度から印加させる、といった具合に

ONにするタイミングをずらすからです。




いつかのタイミングで、

ONにするわけですから、

トリガ(パルス波 )が必要です。






下の画像を見て下さい。



まず交流が流れています。

何もしなければそのまま負荷に、

終始ピークtoピークで電圧がかかります。

(黒い色のグラフです。)




この状態であれば、

LED電球や交流モータが

全力で仕事をするわけです。




しかしそんなに全力で、

仕事をしなくても良い時があるはずです。




そういうときに、

位相制御を用います。




交流回路にスイッチを置いておきます。

そしてタイミングを見計らって

トリガをスイッチに流してやります。




すると、スイッチはONになり、

交流回路に電流が流れます。




上の画像で例えば

最大値の75%の電力を

負荷にかけたいとします。




そうしたら一定期間(半波長)のうち、

25%の時間はOFFにして

75%の時間はONにします。




※あくまでイメージです。

実際の計算式は少し違います。




PWMと本質的な考え方は同じです。




ちなみに次の制御方式もそうですが、

トリガで制御するスイッチには、

半導体が使用されています。




トライアックという半導体が

使われています。

トライアックはサイリスタを

逆向き並列につなげたものです。




詳しい説明は長くなるので、

当記事では割愛しますが、

トライアックを用いたリレー(SSR)が

スイッチの正体です。





分周制御:Zero Cross Switching



この制御方式では、

ゼロクロスポイントを使います。

ゼロクロスで必ず電圧が印加します。




仮にゼロクロスでない位置で

トリガが入っても、

ゼロクロスになるまで

スイッチはONになりません。







交流がゼロクロスになるまで、

負荷に電圧が印加されません。




位相制御と違って、

スイッチがONになるのは、

ゼロクロスです。




なので半波長を一周期とすると、

ゼロクロスを使った制御では、

常に100%の出力になってしまいます。




そこで複数の半波長をまとめます。

そして、そのうちいくつかの

半波長をONにして残りをOFFにします。




上の画像のように、

半分ONにしたら50%出力になります。

調光だと明るさが半分になります。




分周制御は位相制御と違って、

ゼロクロスの位置で印加します。

つまり立ち上がりが急峻ではないため、

立ち上がり時に発生する損失が少なります。




逆に周期が位相制御と比べて

長くなってしまうので、

短い時間の細かい制御には

分周制御は向いていないです。






今回は電力制御についてまとめてみました。

最後まで読んでいただきありがとうございました。


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