パルス幅変調（PWM）：それは何か？それはどう使われるのか

パルス幅変調（PWM）が開発されるまで、調光目的で電圧または電流を調整する唯一の方法は、レオスタット（加減抵抗器）またはポテンショメータを使用することでした。また、PWMを使用すると、モータ、バルブ、ポンプ、油圧、その他の機械的部品などの大きめのコンポーネントの制御が簡単になります。

通常、DC電圧はゼロ以上またはゼロ以下の値で一定のままです。パルス幅変調は、オンとオフを維持する時間のタイミングを変更することにより、デジタル信号をアナログ信号に変換します。「デューティサイクル」という用語は、オフ時と比較して、オンになっている時間の割合または比率を表すために使用されます。通常、PWM出力を生成できるデバイスは、平均電力が負荷に対して一定に「見える」ようにするために非常に高いリフレッシュレートを備えています。例として、リフレッシュレートが約500HzのデジタルアナライザでArduinoをテストしました。以下は、PWM信号パターンの例です。LTSpiceを使用して信号をシミュレートし、波形画像をキャプチャしました。

Analog Devices製の回路シミュレータLTSpiceをを使用して生成されたPWM信号。

異なる電圧レベルを使用し、各信号にオフセットを設定して、デューティサイクル間の違いを示しました。ご覧のように、デューティサイクルが高いと、信号がオフになるよりもオンのままになる一方で、デューティサイクルが低い場合はその逆になります。

このタイプの信号は、正確には何をしているのでしょう？PWMが可能なデバイスは、ユーザーが定義したデューティサイクルを維持しますが、場合によってはユーザーがいつでもパルス幅の変化をプログラムすることができます。数学的に言えば、PWMが可能なデバイスは、「平均」電圧が存在するように出力を変更します。信号を50%のデューティサイクルに設定すると、負荷にかかる平均電圧がおよそ50%減少します。ただし、デバイスは100%正確ではないため、ほとんどの場合、これは実用的ではありません。より良い測定法として考慮すべきは、二乗平均平方根（RMS）測定です。多くのマルチメータやその他の測定機器で、RMS測定を行うことができます。たとえば、LTSpiceのシミュレーションでは、リフレッシュレート60Hzで、50%のデューティサイクルの5V_DC信号のRMS電圧は3.57Vです。また、同じシミュレーションでPWMパルスなしで標準1Aを消費する負荷をかけました。これの読み取り値は、50%のデューティサイクルで約714mA RMSです。

デジタル信号はアプリケーションに応じて5Vまたは3.3V付近にとどまる傾向がありますが、MOSFETを使用して、より大きな電圧への影響を「複製」することが可能です。これらのトランジスタは電圧制御スイッチとしてよく使用されるため、ゲート～ソース間電圧に応じて、PWM信号と同じレートでオン/オフします。このリアクションにより、高電圧がPWM信号のように見え、同じ動作を実行できます。PWMは、一部のコンポーネントの「調光」効果をエミュレートするのに特に役立ちます。LEDは、ポテンショメータ、特に高電流および高電圧のLEDにはあまり反応しません。ただし、MOSFETと連携したPWMデバイスは、LEDをより長くオンに保つために十分高いレベルに電圧を保ち、より大きな調光範囲を生み出します。PWMは、同じコンセプトを使用してモータの速度を制御するのにも使用されます。

初めてPWMを試す場合は、Arduinoプラットフォームをお勧めします。私が使用した2つのモデルは、1050-1024-NDと1050-1018-NDです。MEGAには、PWM出力が可能なピンがさらにあります。Arduinoはこれを実現するために「analogWrite（pin、val）」関数を使用します。ピン変数はPWMが可能なI/O（ピン横の〜）ですが、値は0〜255の値にすることができます。ゼロは0%のデューティサイクル、255は100%のデューティサイクルになります。