第2回 PWM制御(1) 〜PWMとは〜

最初に「PWM」とは何かを理解します。

PWMとは

PWMとは「Pulse Width Modulation」の略で、変調方式の一つです。。。。。。。

って感じで説明を始めてもさっぱり…って感じですよね。ということで、「PWM」とは何か?、簡単な例から説明してみます。

基礎編の第8回で、マイコンを使った製作に入る前に、LEDと抵抗、電池だけを使ってLEDを点灯させました。

ブレッドボードに組み立てるとこんな感じになりましたよね。

この回路で使用している電池ボックスにはスイッチが付いています。当然ですが、スイッチをOFFにするとLEDは消灯、ONにすると点灯します。最近のLEDは発光効率がいいので、このような回路で点灯させるとかなり明るく光ります。

では、この回路で、LEDの明るさをちょっと暗くするにはどうしたらいいでしょうか。

すぐに思いつくのは、抵抗を変える、という方法です。基礎編(第8回)で説明しましたが、抵抗を変えると明るさが調整できます。例えば上の画像の回路で使用している抵抗は330Ωです。抵抗の値が大きくなると電流が流れにくくなりますので、抵抗を10kΩ(=10,000Ω)に入れ替えると暗くなります。

また、この回路では電池を4本使用していますが、本数を減らして電圧を下げると暗くなります。

では、抵抗や電池を変えない、つまり、上の画像の回路のままでLEDの明るさを変更するにはどうしたらよいでしょうか。

そんな方法絶対になさそうですよね。

でも一つ方法があるんです。実は上の画像の回路ではなかなか難しいのですが、思いっきり早くスイッチをバチバチしてOFF/ONを繰り返すんです。

小さい頃、部屋の照明のスイッチをバチバチやって怒られた経験がある方もいらっしゃるかもしれませんが、照明器具のスイッチをバチバチやっても明かりが点滅するだけでしたよね。

でも、このバチバチをものすごく早くやると点滅していないように見えるんです。この点滅を1秒間にだいたい100〜200回以上行うと、人間の目には早すぎて点滅として認識できなくなります。

このバチバチですが、横軸に時間軸をとって点滅の状態を図示すると以下のようになります。

この図では、LEDをONにする時間とOFFにする時間は同じにしています。ON/OFFの繰り返し1回分のうち、50%をON、50%をOFFにしています。つまり、LEDをずっとONにした状態に比べると、半分の時間しか点灯していません。このような点滅制御をしているLEDを人間が見ると、LEDは半分ぐらいの明るさで光って見えるようになります。

ONとOFFの時間を同じにすると、半分の時間しか点灯しなくなって半分ぐらいの明るさに見える、ということは、ONの時間をOFFの時間より短くするとどうなるのでしょうか。例えばこんな感じでLEDの点滅を制御します。

この場合、先ほどのONの時間が50%の場合より、さらにLEDが点灯している時間が20%と短くなるわけですから、より暗く光っているように見えます。当然ながら、以下のようにONの時間をOFFの時間より長くすると、ON/OFFの時間が同じ場合より明るく見えます。

このように、スイッチをバチバチやる時にONの時間とOFFの時間の比率を変えると明るさが調整できる、ということになります。これが「PWM」制御です。

「PWM」とは「Pulse Width Modulation」の略です。日本語に無理やり訳すと「パルスの幅の調整」という感じです。なぜこのように呼ばれるかもう少し補足します。

上の図のような、ある一定時間だけONになる信号は「パルス信号(Pulse Signal)」と呼ばれています。

「Pulse」とは「鼓動」などの意味です。

ちょっと話がそれますが、宇宙には面白い星があります。基礎編で作ったタイマー回路のLEDのように、周期的にピカッ、ピカッ、と光る星があります。このような星のことをパルス状の光を発する、ということで「パルサー(Pulsar)」と呼ばれています。

LEDをバチバチ制御する際に、このパルス(Pulse)の時間幅(Width)を変えて制御しました。「変えて制御すること」は一般に「変調」と呼ばれていて、英語では「Modulation」と呼ばれています。

ということでこのような制御方法を「PWM制御」と呼んでいます。

ここまでの説明で、PWM制御、というのはどのようなものか概要はつかめたでしょうか。

なお、応用編ではLEDをPWM制御しますが、モーターをPWM制御すると回転速度の制御ができます。

それではこれから、マイコンでプログラム制御することによりLEDをPWM制御して明るさを調整してみます。

マイコンでPWM制御する際、いろいろな言葉が出てきますので、実際の制御方法を考える前にPWM制御ついてもうちょっと詳しく説明します。

PWM制御で出てくる用語

PWM制御自体の考え方は理解できましたでしょうか。

ところで、PWM制御をする上で、いろいろな用語が出てきますので、これからPWM制御の用語を覚えていきましょう。

PWM制御をする場合、何が決まれば信号のパターンが決まるでしょうか。

信号のパターンは2種類の時間を決めるとパターンが決まります。

ひとつは「1回分のON/OFFの時間」、もうひとつは「ONを継続する時間」です。これらが決まるとPWM制御信号が生成できます。

PWM制御では、「1回分のON/OFFの時間」を「周期」と呼んでいます。また、「ONの時間」を「デューティサイクル」または「パルス幅」と呼んでいます。

「ONの時間」のことを「パルス幅」と呼ぶのは直感的にわかる感じがします。でも、「デューティサイクル」ってちょっと難しい言葉ですよね。英文では「Duty Cycle」ですが、「Duty」とは「仕事」とか「任務」などという意味です。「Cycle」は「期間」という意味ですので、「Duty Cycle」は「仕事の期間」という意味になります。

どういうことかというと、ONの期間というのは何だかなんとなく働いてる期間、という感じがしませんか？

OFFは休んでる期間です。このONの期間を仕事をしている期間と見立てて、この期間のことを「Duty Cycle」と呼んでいます。

PWM制御では、もう一つ言葉が出てきます。

周期に対するデューティサイクルの比率を「デューティー比」と呼んでいます。

それでは、具体例で確認しましょう。