PWM（Pulse Width Modulation／パルス幅変調）は、電子機器や電力制御、さらには音響機器まで、幅広い分野で利用されている基本的かつ強力な信号変調方式の一つです。
PWMは単純な構造ながらも、高精度な制御が可能で、モーターの速度調整やLEDの明るさ制御など、IT・エレクトロニクス領域で不可欠な技術です。
本記事では、PWMの原理、デューティー比の概念、実際のアプリケーションへの応用事例、そして設計上の注意点までを、ITエンジニアや開発者向けにわかりやすく解説します。
PWM（パルス幅変調）の基礎知識
PWMとは何か？
PWMは、一定周期のパルス波のオン時間（HIGH）とオフ時間（LOW）の比率を変えることで、出力の平均電力や信号値を表現する変調方式です。
デューティー比とは？
PWMでは、一つのパルス周期に対するオン時間の割合を「デューティー比（duty ratio）」と呼びます。
-
デューティー比 100% → 常時ON（最大出力）
-
デューティー比 50% → ONとOFFが半々
-
デューティー比 0% → 常時OFF（出力ゼロ）
たとえば、PWM信号の周期が10msで、オンの時間が6msの場合、デューティー比は60%となります。
PWMの仕組みとその利点
なぜPWMが使われるのか？
PWMが多くの電子制御に使われる主な理由は、以下のとおりです：
-
高効率：出力が常に最大電圧かゼロ電圧のため、電力損失が少ない。
-
高精度制御：デューティー比を細かく調整することで、出力を緻密にコントロール可能。
-
実装の簡易性：マイコンやFPGAで容易に生成・解析可能。
信号再現のしくみ
PWM信号は、アナログ信号のようにパルスの平均値を出力信号として再現できます。
これにより、アナログ機器への入力としても活用でき、D/A変換的な役割を担うこともあります。
実用例：IT・電子機器でのPWM応用
モーター制御
PWMは最も一般的にはDCモーターの回転速度制御に使われます。
デューティー比を変えることで、回転力を調整し、精密なモーションコントロールが実現できます。
例：
-
デューティー比 80% → 高速回転
-
デューティー比 30% → 低速回転
また、モーター停止時にはデューティー比を0%に設定することで、安全かつ即座に停止できます。
LEDの明るさ調整
PWMはLEDの明るさ制御にも広く使われています。
人間の目では点滅を認識できないため、デューティー比が高いほど明るく見えるという仕組みです。
音源回路・オーディオ
PWMはデジタル音声の出力方式としても使われており、オーディオアンプやマイコンのビープ音などに応用されています。
ITシステムにおけるPWM実装のポイント
マイコン／マイコンボードでのPWM生成
ArduinoやRaspberry Piなどの開発ボードでは、PWM出力ピンを使って簡単に制御信号を生成することができます。
タイマ割り込みやPWMモジュールを使用して、精度の高い制御が可能です。
FPGA／回路設計でのPWM制御
FPGAによるPWM制御では、高周波数かつ多チャンネルな出力が可能です。
PWM生成のためには、以下の構成が一般的です：
-
クロック分周器（カウンタ）
-
デューティー比制御レジスタ
-
比較器によるパルス生成
他のパルス変調方式との比較
PWMはシンプルかつ実装コストが低く、制御精度も高いため、多用途での使用が可能です。
まとめ
PWM（Pulse Width Modulation／パルス幅変調）は、現代のITシステムや電子機器において、非常に重要な役割を果たしています。
本記事のポイントをおさらい：
-
PWMはパルスのオン時間とオフ時間の比率（デューティー比）を制御する方式
-
モーターやLED制御、オーディオ再生など、様々な応用が存在
-
高効率・高精度な制御が可能で、マイコンやFPGAでの実装も容易
-
他の変調方式と比べてもシンプルで効果的
PWMを理解・活用することで、省電力で精密な制御が求められるシステム開発において、大きなアドバンテージを得られます。
今後の開発業務にもぜひ役立ててください。