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。