パルス幅変調（PWM）：原理、応用、設計の洞察

パルス幅変調（PWM）は、精密なデジタル波形を用いて電力供給を制御し、アナログ信号への低ハードウェアパスを提供します。

リニア電源では、可変抵抗が大電流を連続的に流すため発熱が主要な欠点です。一方、デジタルスイッチングデバイスは、オンとオフの状態間の短い遷移中にのみ大部分の電力を消費します。これは基本的な電力方程式に従います：

P = V × I – 電圧または電流のいずれかがゼロに近いとき、消費電力は最小です。PWMはトランジスタをサイクルの大部分で完全にオンまたはオフに保つことで、平均電力と発熱を低減します。

PWM波形は連続的なデータ取得を必要とせず（ハイエンドコントローラを除く）自由に変調できるため、デジタルのシンプルさを保ちながらアナログ制御システムのように振る舞います。

デューティサイクル

デューティサイクルは、1周期内で信号がハイ状態を維持する時間の割合を定義します。50%デューティサイクルが従来の「バランスの取れた」ケースですが、PWMでは0%（完全オフ）から100%（完全オン）まで任意の値を取れます。以下の図は、同じ周波数での10%、50%、90%デューティサイクルを示していますが、周波数は独立して変化可能です。

抵抗などの負荷は、デューティサイクルに比例した平均電力を自然に積分します。LEDは非線形な電流-光関係を持ちますが、PWMに対してリニアに応答し、精密な輝度制御を可能にします。モータも速度制御のためにPWMの応答性の恩恵を受けます。

PWMを生成する一般的な方法の一つは、ノコギリ波（または三角波）波形を基準レベルと比較することです。ランプの直線性とその周波数（サンプリングレートとして機能）が、正確なデューティサイクル制御の鍵となります。

計算が不要な場合、PWMは主にコンパレータの帯域幅によって制限される非常に高速で動作できます。多くのマイクロコントローラは専用PWMモジュールを備え、オンザフライで信号生成が可能です。

応用

パルス幅変調はクラスDオーディオ増幅器に不可欠です。出力電圧を上げ、人間の可聴域を超えるスイッチング周波数（典型的に44kHz）を選択することで、増幅器はオーディオ波形を再現し、スピーカーは低周波成分のみに応答します。より高いスイッチングレート（例：100kHz）は更なる高忠実度化をもたらします。

モータ速度制御はもう一つの主要なユースケースです。PWMは特に低回転数（RPM）領域で、リニア電圧スケーリングが電力を浪費する高電流モータの効率的な制御を可能にします。

Hブリッジ

Hブリッジ構成と組み合わせると、PWMは電源を負荷の両側間で切り替えることで、負荷両端の電圧を効果的に2倍にできます。モータなどの誘導性負荷では、フライバックダイオードがトランジスタを破損させる電圧スパイクを抑制します。固有のインダクタンスもPWMの高周波成分をフィルタリングします。

しかし、慎重なゲート駆動シーケンシングが不可欠です。「スルー」と呼ばれる、上下両方のトランジスタが同時に導通して電源を過負荷にする状態を防ぐためです。専用ドライバICがこの状態を防ぐために必要なデッドタイムを提供します。

スイッチングモード電源（SMPS）

SMPS設計は頻繁にPWMを使用しますが、他の変調方式も存在します。オフサイクル中にインダクタとコンデンサにエネルギーを蓄えることで、最適なトポロジでは90%を超える効率を達成できます。

例えば、90%効率のSMPSが12VDCを5VDC 10Aに変換する場合、入力から約4.6Aを引き出します（12V × 4.6A ≈ 55W）。残りの5Wは最小限の熱として現れ、リニアレギュレータよりレギュレータを涼しく保ちますが、わずかにノイズが増えます。

関連ワークシート：

• 設計プロジェクト：パルス幅変調（PWM）信号発生器 ワークシート
• 信号変調 ワークシート