PWMとは？ArduinoのanalogWrite、デューティ比、周波数のガイド

Arduinoのデジタルピンが知っているのは0 Vか5 Vの2つだけです。では、LEDを半分の明るさにしたり、モーターをゆっくり回したりするにはどうすればよいのでしょうか。答えはPWM（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）です。ピンをとても速くオン・オフし、オンになっている時間の割合を変えることで、負荷に届く平均の電力を設定します。LEDの調光、モーターの速度制御、サーボの駆動、音を出すこと、さらにはスマホの充電器まで、この技術を使っています。

PWMはどう動く？

PWM信号は矩形波です。しばらくHIGHになり、次にLOWになり、このサイクルを何度も繰り返します。オン・オフ1サイクルの長さが周期で、周期のうち信号がHIGHになっている割合がデューティ比です。デューティ比25%では信号は4分の1の時間だけオンなので、5 Vのピンは平均すると1.25 Vのようにふるまいます。LEDは1秒に約490回点滅しますが、目はそれについていけず、平均の明るさだけを見ます。モーターは慣性のおかげでパルスをならし、平均の速さで回ります。

人の目は光に対して直線的には反応しません。暗いレベルでの変化にはとても敏感で、明るいレベルでの変化にはずっと鈍感です。そのため、デューティ比50%のLEDは半分よりずっと明るく見えます。自然に見える調光には、下で紹介するガンマ補正を使います。

周波数：PWMはどのくらい速い？

周波数は、信号が1秒に何回オン・オフするかです。Arduino Unoでは、5番と6番ピンが約980 Hz、3、9、10、11番ピンが約490 Hzで動きます。LEDにはこれで十分すぎるほどです。しかしモーターの場合、490 Hzは耳に聞こえる範囲なので、モーターがかすかにうなることがあります。ESP32やPicoなら周波数を20 kHzまで上げて静かにできます。ただし、必要以上に周波数を上げると、トランジスタやMOSFETが発熱します。

analogWriteでLEDの明るさを変える

ArduinoではPWMをanalogWrite(pin, value)で出力し、値は0〜255です。紛らわしい名前ですが、この命令は本当のアナログ電圧ではなくPWMを出します。使えるのは~の付いたピンだけです。下のコードはLEDをゆっくり明るくしたり暗くしたりして、「呼吸する」ような効果を出します。

1const int LED_PIN = 9;   // ~ işaretli PWM pini / PWM pin marked with ~
2
3void setup() {
4  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
5}
6
7void loop() {
8  for (int v = 0; v <= 255; v++) {   // yavaşça yan / fade in
9    analogWrite(LED_PIN, v);
10    delay(8);
11  }
12  for (int v = 255; v >= 0; v--) {   // yavaşça sön / fade out
13    analogWrite(LED_PIN, v);
14    delay(8);
15  }
16}

ポテンショメーターで明るさを調整する

A0にポテンショメーターをつなげば、LEDの明るさを手で設定できます。analogRead()は0〜1023の値を返すので、4で割るとanalogWriteが必要とする0〜255の範囲になります。ポテンショメーターの配線はポテンショメーターとは？で解説しています。

1void loop() {
2  int pot = analogRead(A0);   // 0–1023
3  analogWrite(9, pot / 4);    // 0–255
4}

PWMでDCモーターの速度を変える

小さなDCモーターでも数百ミリアンペアを消費しますが、Arduinoのピンが安全に出せるのは約20 mAだけです。そのため、モーターはトランジスタ、MOSFET、またはL298Nのようなモータードライバを通して駆動し、PWM信号はドライバの速度入力に送ります。L298Nではこの入力がENAピン（2つ目のモーターはENB）で、PWMを使うにはそこに付いているジャンパーを外す必要があります。IN1とIN2のピンで回転方向を決めます。

1const int ENA = 9;   // hız (PWM) / speed (PWM)
2const int IN1 = 8;   // yön / direction
3const int IN2 = 7;
4
5void setup() {
6  pinMode(ENA, OUTPUT);
7  pinMode(IN1, OUTPUT);
8  pinMode(IN2, OUTPUT);
9  digitalWrite(IN1, HIGH);   // ileri / forward
10  digitalWrite(IN2, LOW);
11}
12
13void loop() {
14  analogWrite(ENA, 255);  delay(2000);   // tam hız / full speed
15  analogWrite(ENA, 150);  delay(2000);   // orta hız / medium speed
16  analogWrite(ENA, 0);    delay(2000);   // dur / stop
17}

サーボモーターとPWMは同じもの？

サーボモーターもパルスで制御しますが、考え方が違います。位置を決めるのはデューティ比ではなくパルスの幅です。サーボは1秒に50回（50 Hz）のパルスを受け取り、1ミリ秒のパルスで約0°、1.5 msで90°、2 msで180°になります。analogWriteではこのタイミングを作れないので、サーボにはServoライブラリを使います。詳しくはサーボモーターとは？で解説しています。

PWMから本当のアナログ電圧を得る：RCフィルター

オペアンプに基準電圧を与えたり、音声を出力したりするときのように、本当に一定の電圧が必要になることもあります。その場合は、PWMを抵抗とコンデンサで作ったローパスフィルターに通します。10 kΩと10 µFなら時定数は0.1秒で、出力はかなりなめらかになりますが、変化への反応は遅くなります。いろいろな値はRC時定数計算ツールで試せます。また、初代ESP32にはGPIO 25と26に2つのDACがあり、本当のアナログ出力を出せます。

ESP32のPWM：LEDC

ESP32では、PWMはLEDCというハードウェアで作られ、周波数と分解能を自分で選べます。Arduinoコア3.xではledcAttach(pin, frequency, resolution)とledcWrite(pin, value)を使います。古い2.xでは、チャンネルを使うledcSetupとledcAttachPinという命令でした。下の例は、5 kHz、8ビット分解能でLEDをフェードさせます。

1const int LED_PIN = 2;
2
3void setup() {
4  ledcAttach(LED_PIN, 5000, 8);   // 5 kHz, 8 bit (0–255) — ESP32 Arduino core 3.x
5}
6
7void loop() {
8  for (int d = 0; d <= 255; d++) { ledcWrite(LED_PIN, d); delay(5); }
9  for (int d = 255; d >= 0; d--) { ledcWrite(LED_PIN, d); delay(5); }
10}

Raspberry Pi PicoのPWM（MicroPython）

PicoはすべてのGPIOピンでPWMを出力できます。MicroPythonではPWMクラスを使い、周波数をfreq()で、デューティ比を0〜65535の値をとるduty_u16()で設定します。

1from machine import Pin, PWM
2import time
3
4led = PWM(Pin(15))
5led.freq(1000)                        # 1 kHz
6
7while True:
8    for d in range(0, 65536, 512):    # yavaşça yan / fade in
9        led.duty_u16(d)
10        time.sleep_ms(5)
11    for d in range(65535, -1, -512):  # yavaşça sön / fade out
12        led.duty_u16(d)
13        time.sleep_ms(5)

PWMのプロジェクトアイデア

• 呼吸するLED：スタンバイ中の機器のように、ゆっくり明るくなったり暗くなったりする状態表示ランプです。
• 調光できるデスクライト：ポテンショメーターで明るさを設定できるLEDランプです。
• 温度で動くファン：DHT11で測った温度が上がるにつれてファンを速くします。
• 混色：3つのPWMチャンネルで、RGB LEDに何百万もの色を出します。
• ロボットカー：2つのモーターの速度を別々に設定して、曲がるときの動きをなめらかにします。
• 日の出ランプ：朝のアラームの前に、15分かけてゆっくり明かりを強くします。

よくあるミスと直し方

• PWM非対応のピンでanalogWriteを使う：Unoでは、~のないピンはオンかオフにしかなりません。128以上はオン、それ未満はオフとして扱われます。
• Servoライブラリと9番・10番ピン：UnoではServoライブラリがTimer1を使い、この2本のピンのPWMを無効にします。LEDやモーターは別のPWMピンに移してください。
• tone()と3番・11番ピン：tone()はTimer2を使うので、これらのピンのPWMが乱れます。
• モーターをピンに直接つなぐ：必ずトランジスタ、MOSFET、またはモータードライバを使ってください。
• ガンマ計算のオーバーフロー：v * vがintの上限を超えます。(long)のキャストを加えてください。
• PWMを本当のアナログとして扱う：テスターは平均値を表示しますが、信号は相変わらず0 Vと5 Vの間を行き来しています。繊細な回路にはRCフィルターかDACを使ってください。

PWMは、Arduinoで学ぶ考え方のなかでもとくに役立つものです。LED、モーター、ファン、スピーカーは、すべてこのシンプルなしくみで制御されています。基本についてはLEDとは？を見てみてください。BlueGraysアプリには、PWMでのLEDのフェード、ポテンショメーターでの明るさ調整、RGBの色のフェードのプロジェクトがコード付きでステップごとに載っています。