PWM 신호의 원리 - 실험 도서관

PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 신호는 디지털 신호의 형태로, 신호의 주기 내에서 펄스의 폭(혹은 듀티 사이클)을 조절함으로써 아날로그 값을 표현하는 방법이다. 이는 다양한 전자기기, 특히 모터 제어나 LED 밝기 조절과 같은 애플리케이션에서 많이 사용된다.

기본 개념

PWM 신호는 주기적인 펄스 형태를 띠며, 펄스의 '높음'(on) 상태와 '낮음'(off) 상태의 비율에 따라 평균 전압이 결정된다. PWM 신호의 기본 파라미터는 다음과 같다:

주기 (Period, $T$ ): 신호가 반복되는 한 사이클의 시간이다.
주파수 (Frequency, $f$ ): 주기의 역수로, 신호가 1초 동안 반복되는 횟수이다. $f = \frac{1}{T}$ .
듀티 사이클 (Duty Cycle, $D$ ): 펄스가 '높음' 상태를 유지하는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 것이다. 듀티 사이클은 다음 식으로 정의된다.

$D = \frac{t_{\text{on}}}{T} \times 100\%$

여기서 $t_{\text{on}}$ 은 펄스가 '높음' 상태를 유지하는 시간이다.

신호 생성

PWM 신호는 주로 타이머나 카운터를 이용하여 생성된다. 마이크로컨트롤러나 디지털 신호 처리기(DSP)는 이러한 타이머를 통해 정밀한 PWM 신호를 생성할 수 있다.

예를 들어, 주기 $T$ 를 가지는 PWM 신호를 생성하기 위해, 타이머는 $T$ 만큼의 시간을 카운트하고, 그 시간 동안 듀티 사이클 $D$ 에 따라 '높음' 상태와 '낮음' 상태를 전환한다.

PWM 신호의 생성 예제

void setup() {
  pinMode(9, OUTPUT);  // 핀 9를 출력 모드로 설정
}

void loop() {
  analogWrite(9, 128); // 듀티 사이클을 50%로 설정 (0~255)
}

위 예제에서는 Arduino를 사용하여 핀 9에 PWM 신호를 출력하는 코드이다. analogWrite 함수는 듀티 사이클을 0부터 255까지 설정할 수 있으며, 128은 50% 듀티 사이클을 의미한다.

듀티 사이클과 출력 전압의 관계

PWM 신호의 듀티 사이클 $D$ 는 출력 전압 $V_{\text{out}}$ 와 직접적인 관계가 있다. 이를 다음 식으로 표현할 수 있다:

$V_{\text{out}} = D \times V_{\text{in}}$

여기서 $V_{\text{in}}$ 은 입력 전압이다. 예를 들어, 입력 전압이 5V일 때 듀티 사이클이 50%라면 출력 전압은 2.5V가 된다.

듀티 사이클 조절

듀티 사이클을 조절함으로써 다양한 아날로그 값을 생성할 수 있다. 예를 들어, 모터의 속도를 조절하거나 LED의 밝기를 조절하는 데 사용된다.

모터 속도 제어

모터의 속도는 입력 전압에 비례한다. 따라서 PWM 신호의 듀티 사이클을 조절하여 모터에 전달되는 평균 전압을 변화시킴으로써 모터의 속도를 제어할 수 있다.

void loop() {
  analogWrite(9, 192); // 듀티 사이클을 75%로 설정
}

위 코드에서 듀티 사이클을 75%로 설정하면, 모터는 최대 속도의 75%로 회전하게 된다.

주파수의 중요성

PWM 신호의 주파수는 신호의 용도에 따라 적절히 선택해야 한다. 예를 들어, 모터 제어의 경우 주파수가 너무 낮으면 모터가 진동하거나 소음이 발생할 수 있다. 반면에 LED 밝기 조절의 경우 인간의 눈에 깜박임이 인식되지 않도록 충분히 높은 주파수를 사용해야 한다.

주파수 선택의 고려 사항

모터 제어: 주파수가 너무 낮으면 모터가 진동하거나 소음을 발생시킬 수 있다. 일반적으로 모터 제어에서는 1kHz에서 20kHz 사이의 주파수가 사용된다. 너무 높은 주파수는 스위칭 손실을 증가시킬 수 있으므로 적절한 주파수를 선택하는 것이 중요하다.
LED 밝기 조절: 인간의 눈에 깜박임이 인식되지 않도록 충분히 높은 주파수를 사용해야 한다. 일반적으로 100Hz 이상의 주파수를 사용하면 깜박임을 인식하지 못한다. LED 조명 시스템에서는 1kHz 이상의 주파수를 사용하는 경우가 많다.
오디오 신호 처리: 오디오 애플리케이션에서는 PWM 주파수가 인간의 청각 범위(20Hz에서 20kHz)를 넘어야 한다. 일반적으로 오디오 신호 처리에서는 40kHz 이상의 주파수가 필요하다.

PWM의 장점

효율성: PWM 방식은 매우 효율적이다. 전력 소모가 낮고, 특히 스위칭 소자(예: 트랜지스터)가 완전히 켜지거나 꺼져 있을 때 손실이 최소화된다.
정밀도: 높은 정밀도로 아날로그 값을 표현할 수 있다. 듀티 사이클을 세밀하게 조절함으로써 정확한 출력 전압을 얻을 수 있다.
응용 범위: 다양한 응용 분야에서 사용된다. 모터 제어, 조명 제어, 오디오 신호 처리 등 여러 분야에서 유용하게 사용된다.

PWM의 단점

스위칭 손실: 높은 주파수에서 스위칭 손실이 증가할 수 있다. 이는 발열 문제를 야기할 수 있으며, 적절한 방열 대책이 필요하다.
EMI (전자기 간섭): 고주파 스위칭은 전자기 간섭을 유발할 수 있다. 이는 주변 전자기기나 신호에 영향을 줄 수 있다.
복잡성: 정확한 듀티 사이클 조절과 주파수 선택은 복잡할 수 있다. 이를 위해 적절한 타이머 설정과 회로 설계가 필요하다.

PWM 신호는 아날로그 값을 디지털 방식으로 표현하는 매우 유용한 방법이다. 듀티 사이클을 조절함으로써 다양한 출력 값을 얻을 수 있으며, 효율적이고 정밀한 제어가 가능한다. 주파수 선택과 듀티 사이클 조절을 통해 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있으며, 적절한 설계를 통해 단점을 최소화할 수 있다.