インバーター、コンバーター、SMPS回路およびスピードコントローラー….これらすべての回路に共通することの1つは、内部に多くの電子スイッチが含まれていることです。これらのスイッチは、MOSFET、IGBT、トライアックなどのパワーエレクトロニクスデバイスに他なりません。このようなパワーエレクトロニクススイッチを制御するために、私たちは通常、PWM信号（パルス幅変調）と呼ばれるものを使用します。これとは別に、PWM信号はサーボモーターの駆動やLEDの明るさの制御などの他の簡単なタスクにも使用されます。
前回の記事ではADCについて学びましたが、ADCはマイクロコントローラーなどのデジタルデバイスでアナログ信号を読み取るために使用されます。PWMは、その正反対と見なすことができます。PWMは、マイクロコントローラーなどのデジタルデバイスからアナログ信号を生成するために使用されます。この記事では、PWM、PWM信号、およびそれに関連するいくつかのパラメーターについて学習し、設計でそれらを使用できるようにします。
PWM（パルス幅変調）とは何ですか？
PWMはPulseWidthModulationの略です。そのような名前の理由については後で説明します。しかし、今のところ、PWMはマイクロコントローラーや555タイマーなどのデジタルICから生成できる信号の一種として理解してください。このように生成された信号は一連のパルスを持ち、これらのパルスは方形波の形になります。つまり、任意の時点で、波は高くなるか低くなります。理解を容易にするために、5V PWM信号を考えてみましょう。この場合、PWM信号は5V（高）またはグランドレベル0V（低）のいずれかになります。信号がハイのままである期間は「 オンタイム 」と呼ばれ、信号がローのままである期間は「 オフタイム 」と呼ばれます。
PWM信号の場合、それに関連する2つの重要なパラメータを確認する必要があります。1つはPWMデューティサイクルで、もう1つはPWM周波数です。
PWMのデューティサイクル
前に述べたように、PWM信号は特定の時間オンのままで、残りの期間はオフのままです。このPWM信号を特別で便利なものにしているのは、PWM信号のデューティサイクルを制御することで、このPWM信号をオンに保つ時間を設定できることです。
PWM信号がHIGH（オンタイム）のままである時間のパーセンテージは、デューティサイクルと呼ばれます。信号が常にオンの場合は100％のデューティサイクルであり、常にオフの場合は0％のデューティサイクルです。デューティサイクルの計算式を以下に示します。
デューティサイクル=ターンオン時間/（ターンオン時間+ターンオフ時間）
次の画像は、デューティサイクルが50％のPWM信号を表しています。ご覧のとおり、全期間（オン時間+オフ時間）を考慮すると、PWM信号は期間の50％の間だけオンのままになります。
頻度= 1 /期間 期間=オン時間+オフ時間
通常、マイクロコントローラーによって生成されるPWM信号は約500 Hzであり、このような高周波は、インバーターやコンバーターなどの高速スイッチングデバイスで使用されます。しかし、すべてのアプリケーションが高周波を必要とするわけではありません。たとえば、サーボモーターを制御するには、50Hzの周波数のPWM信号を生成する必要があるため、PWM信号の周波数もすべてのマイクロコントローラーのプログラムで制御できます。
PWMに関してよくある質問
PWM信号のデューティサイクルと周波数の違いは何ですか？
PWM信号のデューティサイクルと周波数はしばしば混同されます。ご存知のように、PWM信号は特定のオン時間とオフ時間の方形波です。この オン時間 と オフ時間 の合計は、1つの期間と呼ばれます。1つの期間の逆数は周波数と呼ばれます。PWM信号が1つの期間にオンのままである時間の長さは、PWMのデューティサイクルによって決定されます。
簡単に言うと、PWM信号のオンとオフの速度はPWM信号の周波数によって決まり、その速度ではPWM信号のオンを維持する時間はPWM信号のデューティサイクルによって決まります。
PWM信号をアナログ電圧に変換する方法は？
DCモーターの速度の制御やLEDの輝度の調整などの単純なアプリケーションでは、PWM信号をアナログ電圧に変換する必要があります。これはRCフィルターを使用して簡単に行うことができ、DAC機能が必要な場合に一般的に使用されます。そのための回路を以下に示します。
上図のグラフでは、黄色がPWM信号、青色が出力アナログ電圧です。抵抗R1とコンデンサC1の値は、PWM信号の周波数に基づいて計算できますが、通常は5.7Kまたは10Kの抵抗と0.1uまたは1uのコンデンサが使用されます。
PWM信号の出力電圧を計算する方法は？
PWM信号をアナログに変換した後の出力電圧は、デューティサイクルのパーセンテージになります。たとえば、動作電圧が5Vの場合、PWM信号もハイのときに5Vになります。このような場合、100％のデューティサイクルの場合、出力電圧は5Vになり、50％のデューティサイクルの場合は2.5Vになります。
出力電圧=デューティサイクル（％）* 5
例：
これまで、多くのプロジェクトでさまざまなマイクロコントローラーでPWMを使用してきました。
- ATmega32によるパルス幅変調
- ArduinoUnoを使用したPWM
- PICマイクロコントローラーを使用したPWMの生成
- Raspberry PiPWMチュートリアル
- RaspberryPiによるサーボモーター制御
- MSP430G2を使用したパルス幅変調（PWM）
- STM32F103C8のパルス幅変調（PWM）
- RaspberryPiによるサーボモーター制御
- RaspberryPiによるDCモーター制御
- 1ワットのLED調光器
- PWMを使用したArduinoベースのLED調光器
ここですべてのPWM関連プロジェクトをさらに確認してください。