電子工学

PWMとは?(初心者向け)基本的に、わかりやすく説明

PWMとは?(初心者向け)基本的に、わかりやすく説明

電気を利用した「エネルギー」その制御方法などを、効率的に運用すると より快適で便利に利用できます。

それらの制御方法の1つに、昨今ではデジタル的な手法を用いて応用されています。

PWMとは

PWM:「Pulse Width Modulation」の略

いきなり、意味不明ですよね、ただでさえ見えない電気 それをいきなり幅だの変調だの……

砕いて説明いたしますと、、、その前に、

電気の世界においてパルスとは、デジタル的「ON」・「OFF」な要素に関係します。

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パルス信号

パルス(Pulse)とは、短時間の間に急峻(急で険しい)な状態の変化、それを信号とする総称です。

つまり、短時間内での電気的な変化(電圧や電流のON/OFF)を表します。

パルス幅

ウィトス(Width)は幅、パルス(ON又はOFF)の状態、経過時間を幅で示します。

 

パルス変調

モデュレイション(Modulation)

調子(リズム)を変えること。調子が変わること。

変調とは、パルス(信号)を別の調子と変えて変化させ、物理的な変化を表現すること。

従って、PWM(Pulse Width Modulation)とは、「パルス・幅・変調」、
使用する電力を、パルスONとOFFのそれらを変化させ制御する方法をいいます。

しかしながら、これら文字列からでは意味不明ですよね、
ここからは、PWMを解説すべき基本となる、その関連された意味・図などを説明いたします。

デジタル要素の「パルス」の話で、「波」?こちらは、アナログ的ですが、この様にご理解下さい。

パルス、その1つでは単発的な状態変化で、ONからOFF、OFFからON、の状況変化にしかなりません。
しかし、パルス信号として、連続的な「周期」を持たせ意味をすると、変化を持つ信号になります。

周期

山(ON)と 山(ON)、つまり山(パルス)同士の間隔を周期といいます。

また、周波数とは、1秒間に波の向きが変化する数、単位は「Hz」が一般的で、
つまり、ある周期の波形が1秒間に何回あられるかを意味しています。

例:
1「Hz」:1秒間に1つの波形
100「Hz」:1秒間に100回の波形

また、商用・家庭用電源で例えると
50/60「Hz」:1秒間に電気の波の向きが50回又は60回の変化する交流電源

 

パルス幅

短時間に変化信号がパルス、山(ON)と谷(OFF)のある波形、
それらの長さがパルス幅で、単位は、時間「s」(秒)です。

 

 

制御

ここからは、実際の制御方法について、光「LEDの光」で簡略的に説明します、

なお、ここでは、Lピカ(単純なLED点灯)を例にします。

発光する 「光」 を

“暗く” する為 の制御方法として、

 

電圧・電流

使用する電圧電流を軽減させると、暗く光ます。

 

パルス制御

上記の電圧・電流制御とは異なる方法、「パルス」を意識した制御方法。

これが、PWM方式です。これを利用して暗くするには、

・・・・パルス幅を変えそのデューティー比に . .. ……

との、話の前に…、

下記の様な、スイッチに連動する回路を、連想してみてください。

① スイッチを連打(プッシュ・プッシュ) 点滅しますよね、そうです ”手動Lチカ” です。

② その連打速度を早く! → 頑張って早く! → もっと早く!! 連射・連打!

③ しかし、人間の手では限界があり、名人でもその光は点滅して見えます。

④ そこで電子回路やその他の方法を用いて、そのスピードを物凄く速く実現させると、

あまりの速さに人間の目ではその点滅周期に追い付かず 「点灯」しているように見えます。

最近の自転車の自動LEDライトを見てみると・・・


タイヤの回転がゆっくり(走行スピードが低い)時は”点滅”
徐々にそのスピードが上がると同時に”点灯”しているように見えますよね

つまり、人間の目では、周期が早くなるとその点滅についていけず、周波数100Hzでも点灯している様に見えてしまっています。

なお、この例では、LEDをONにするタイミングとOFFにするタイミングは同じです。

従って、繰返し周期の1回分の中、ON・OFFは50%です。

この対50%の状態は、LEDの点灯状態は1周期の半分の時間での点灯状態となります。

この状況下になると、人間の目は LEDが約半分の明るさで点灯しているように見えます。

 

このONの時間をOFFの時間より短く制御すると、

この場合は、LEDが点灯している時間が30%で更に暗く点灯しているように見えます、

反対に、ONの時間をOFFの時間より長く制御すると、

LEDが点灯している時間が80%ですので、少し暗く点灯しているように見えます。

 

デューティー比

ONのパルス幅 この事象を、英語で仕事・任務を由来する「Duty」と表現し、
また、その間隔を「Cycle」として関連させたものが 「Duty Cycle」 です。

「Duty Cycle」 = ON(仕事中の期間)+ OFF(休息中の期間)

また、PWM制御では、これら周期に対する「Duty Cycle」として、比率「デューティー比」と呼んでいます。

デューティー比

「デューティー比(%)」= パルス幅 / 周期 × 100
※ 周期的な電気信号などの現象にて、その1周期に対する ONの期間の割合

 

まとめ

  • 電気エネルギーの制御方法の1つで、デジタルパルスを利用した方法。
  • PWMとは、パルス信号(P)の 幅(W)を 調整・変調(M)した制御方法
  • デューティ比 = ON時間 ÷ 1周期(ON+OFF時間)

PWMは、ONとOFFのパルスの繰返しを切替えることで、電力を制御