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電気機械におけるPWM（パルス幅変調）は、初心者にも理解しやすい技術で、モーター制御やLEDの明るさ調整などに広く使用されています。本記事では、PWMの基本概念からその応用方法までを詳しく解説します。

PWMとは何か

PWM（パルス幅変調）は、信号の幅を変えることで出力の平均電圧を調整する技術です。この方法により、デジタル信号を使ってアナログ的な制御を実現することができます。PWMは、電圧を直接変えるのではなく、オンとオフを繰り返すことで平均的な電圧を調整します。

PWMの基本原理

PWMの基本的な考え方は、一定の周期で信号をオンとオフに切り替えることです。この切り替えの比率を「デューティ比」と呼び、デューティ比が高いほど平均電圧が高くなります。たとえば、デューティ比が50%の場合、信号はオンの時間とオフの時間が等しいため、平均電圧は供給電圧の半分になります。

PWMの構成要素

PWM信号を生成するためには、いくつかの構成要素が必要です。主な要素は以下の通りです。

1. **タイマー**: PWM信号の周期を決定します。
2. **カウンター**: タイマーによってカウントされ、デューティ比を設定します。
3. **比較器**: カウンターの値と設定したデューティ比を比較し、信号のオンオフを決定します。

PWMの応用例

PWMは多くの分野で利用されています。以下にいくつかの具体例を挙げます。

モーター制御

PWMはDCモーターの速度制御に広く使われています。デューティ比を調整することで、モーターに供給される平均電圧を変化させ、回転速度を調整します。これにより、モーターの動作を効率的に制御することが可能です。

LEDの明るさ調整

LEDの明るさもPWMで調整できます。デューティ比を変更することで、LEDに供給される平均電圧が変わり、明るさが変化します。この技術は、照明の調整やディスプレイ技術でも利用されています。

音声合成

PWMは音声合成にも利用されます。音の波形をPWM信号で表現することで、スピーカーから音を出力することができます。デューティ比を変えることで音の高さや音量を調整します。

PWMの利点と欠点

PWMには多くの利点がありますが、いくつかの欠点も存在します。

利点

– **効率的なエネルギー使用**: PWMはエネルギー損失が少なく、効率的に動作します。
– **高精度な制御**: デューティ比を細かく調整できるため、高精度な制御が可能です。

欠点

– **ノイズの発生**: PWM信号は高周波成分を含むため、ノイズが発生しやすいです。
– **フィルタリングが必要**: アナログ信号に変換する際にはフィルタリングが必要です。

PWMを使ったプロジェクトの例

PWMを利用した簡単なプロジェクトとして、LEDの明るさを調整する回路を作成してみましょう。

必要な材料

– Arduinoボード
– LED
– 抵抗（220Ω）
– ブレッドボード
– ジャンパーケーブル

回路の接続

1. LEDのアノード（長い足）をArduinoのデジタルピンに接続します。
2. LEDのカソード（短い足）を抵抗を介してGNDに接続します。

プログラムの作成

以下のコードをArduinoにアップロードします。

“`cpp
int ledPin = 9; // PWM対応のデジタルピン

void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) { analogWrite(ledPin, brightness); // LEDの明るさを設定 delay(10); // 明るさが変わるスピードを調整 } for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness–) {
analogWrite(ledPin, brightness); // LEDの明るさを設定
delay(10); // 明るさが変わるスピードを調整
}
}
“`

このプログラムでは、LEDの明るさが徐々に変化し、フェードイン・フェードアウトの効果を持たせています。