電子回路の基本知識（10）‐パルス制御とPWMの基礎

電子回路では、単にオン・オフの信号を扱うだけでなく、「時間軸で制御されたパルス」を使って出力を細かく調整する技術が重要です。その代表が「PWM（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）」です。PWMは、LEDの明るさ調整やモーターの速度制御、オーディオ出力や電源制御など、様々な場面で活躍します。

今回は、このPWMの基本的な仕組みと、電子回路における使い方を解説します。

■ パルス信号とは？

パルスとは、短時間だけオンになる矩形波のことです。周期的に繰り返されると、クロックのような波形になり、デジタル回路の制御に使われます。

パルスには以下の重要な要素があります：

周期（Period）…パルスが1回繰り返される時間

パルス幅（High時間）…オン状態が続く時間

デューティ比（Duty Ratio）…パルス幅 ÷ 周期（％で表す）

例：周期が10msでパルス幅が5msなら、デューティ比は50%

■ PWM（パルス幅変調）とは？

PWMとは、パルスの「デューティ比」を変化させることで、出力の平均電圧やエネルギーを制御する手法です。オンとオフの時間を調整することで、擬似的にアナログ的な出力変化を作り出すことができます。

たとえば、5Vの電源でデューティ比50%のPWM信号を出力すると、負荷が受け取る平均電圧は約2.5Vになります。

■ PWMの回路構成（基本例）

PWM波形を生成するには、以下のような回路構成が使われます。

【アナログ比較型】
・三角波（またはのこぎり波）発振器＋コンパレータ
・入力電圧と波形を比較して、ON/OFFのタイミングを決定

【デジタル方式（タイマー利用）】
・マイコンや555タイマーICで周期とデューティ比を制御
・PWMモード搭載のマイコンでは、専用出力ピンから簡単に生成可能

■ 実用例①：LEDの明るさ調整

LEDは電圧に比例して明るさが変化するわけではなく、一定以上の電圧でほぼ最大輝度になります。そのため、アナログ的な制御にはPWMが最適です。

PWMでデューティ比を変えることで、LEDの点滅と人間の目の残像効果を利用し、明るさを段階的に見せることができます（例：暗い→中間→明るい）。

■ 実用例②：DCモーターの速度制御

モーターは電圧や電流によって回転速度が変わりますが、電圧そのものをアナログ的に調整するのは難しいため、PWMがよく使われます。

PWMのデューティ比を上げると回転が速くなり、下げると遅くなります。モーターは慣性があるため、PWMの高速なオン・オフを「平均電力」として受け取り、滑らかに動きます。

■ 実用例③：加熱制御・電源制御

ヒーターや電源装置などでも、PWMによって「必要な電力」だけを負荷に与えることができます。特にスイッチング電源では、PWMは最も基本的な制御手段です。

■ PWM制御の注意点

・スイッチング周波数の選定
　低すぎるとちらつきや振動が発生、高すぎるとスイッチング損失が増加します。
　例：LED制御なら1kHz〜数十kHz、モーターなら10kHz〜20kHz程度が一般的。

・フィルタの併用
　PWM波形をアナログに近づけたい場合、ローパスフィルタ（抵抗＋コンデンサ）で平滑化することがあります。

・EMIノイズ対策
　高速スイッチングは電磁ノイズの原因になるため、シールドやスロープ制御が必要になる場合があります。

■ マイコンによるPWM制御

最近のマイコン（例：Arduino、Raspberry Pi Pico、STM32など）には、PWM出力機能が標準搭載されており、次のような操作でPWM信号を生成できます。

analogWrite(pin, duty); // Arduinoの場合、0〜255でデューティ比指定

このように簡単なコードでLEDの明るさ調整やサーボ制御が可能になります。

■ まとめ

PWMは、デジタル信号でアナログ量を疑似的に制御する強力な技術です。構造はシンプルながら、LED制御、モーター制御、電源回路など、あらゆる電子機器に使われており、非常に応用範囲が広いです。

次回は「電子回路の基本知識（11）‐センサの種類とアナログ・デジタル変換」と題して、温度・光・圧力などを電気信号に変換する各種センサと、それを扱うためのA/D変換・D/A変換の基礎について解説いたします。