マイコンを使ったLED制御の課題で出てくるPWM（Pulse Width Modulation）は、HighとLowの時間を切り替えることで平均電圧を制御する方法です。多くの学生はDuty比が変わるだけでHigh/Lowの値は変わらないため、LEDの明るさではなく点灯間隔が変わるだけだと誤解しがちです。本記事では、PWM制御がなぜLEDの明るさを変えるように見えるのかを解説します。
PWM制御とは何か
PWMは一定周期で信号をHighとLowに切り替える制御方式です。
Duty比はHighの時間の割合であり、この値を変えることでLEDにかかる平均電圧を変化させます。
たとえばDuty比50%であれば、周期の半分だけHighになり、残りの半分はLowとなります。
LEDの明るさが変わる理由
LEDは人間の目で光を認識する特性があります。高速で点滅するPWMの場合、目には点滅が融合して平均的な明るさとして知覚されます。
Duty比が100%の時は常時点灯なので最大の明るさに見えますが、Duty比50%では平均的に半分の電流しか流れないため、目には暗く見えます。
つまり、High/Lowの電圧自体は変わらなくても、平均電流が変化するため明るさが変わるのです。
点灯間隔と平均出力の関係
Duty比を変えると点灯時間の割合は変わりますが、PWM周期が十分に短ければLEDは点滅していることを目で認識できません。
そのため、High/Lowの時間が変わっても点灯している時間の感覚ではなく、平均電流に応じて明るさが変わると知覚されます。
誤解の元は「Highの電圧が変わるわけではないから明るさは変わらない」という認識です。
実際の制御例
たとえばArduinoでLEDをPWM制御する場合、analogWrite()で0〜255の値を与えます。
値127ならDuty比50%、255なら100%です。LEDの明るさはこの値に比例して変化します。
このときLEDの電圧はHigh時に変わらず一定ですが、平均的に流れる電流が変化して明るさが変わります。
まとめ
PWM制御ではHigh/Lowの電圧値自体は変わりませんが、Duty比を調整することでLEDに流れる平均電流が変わり、人間の目には明るさが変わるように見えます。点灯間隔ではなく、平均出力が変化している点が理解のポイントです。LEDの明るさの変化を正しく理解するためには、Duty比と平均電流の関係を意識することが重要です。
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