DCとPWMの違いを徹底解説！初心者でもすぐ分かる3つのポイント

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DCとPWMの基本を知ろう

DCはDirect Current の略で、電流が一定の方向に流れる電気のことです。日常で身近な例としては乾電池やスマホの充電器が挙げられ、回路に接続するだけで安定した電圧を得られます。モーターを動かす場合、DCをそのまま使うとモーターは決まった回転数で回り続けたり、負荷が変わると回転数が変動することがあります。そこで登場するのがPWMという方法です。

PWMでは電源を一瞬でONとOFFを繰り返し、ONの時間とOFFの時間の割合を変えます。ONが多いほど平均的な電圧が高く、ONが少ないほど低くなります。つまりデューティ比と呼ばれる割合を変えるだけで、モーターの回転数やLEDの明るさを滑らかに調節できるのです。ここで理解しておきたいのはPWMは電圧を変えるのではなく平均値を変える考え方だという点です。熱の出方も変わってきます。

さらに実装のコツとして、周波数の選択があります。周波数が低すぎるとモーターが唸ったりブラシの摩耗が増え、LEDではちらつきが目立ちます。逆に周波数が高すぎるとスイッチングの損失が増え、効率が悪くなることもあります。ですので実際の設計では、用途によって適切な周波数を決め、必要なデューティ比の範囲を確認します。安全対策として保護素子の追加やデッドタイムの確保も大切です。

DCとPWMの違いを実用的に比較

DCとPWMの最も大きな違いは、出力の「安定さ」と「調整のしやすさ」です。DCは一定の電圧をそのまま供給するため、負荷が安定していれば回転数も安定します。例えば一定の直流をモーターにかけると、負荷が軽い時は速く、重い時は遅くなることがありますが、基本的には設定した電圧の範囲で動作します。これに対しPWMはデューティ比を変えることで負荷の状態に応じて平均電圧を変え、結果として回転数や明るさを滑らかに調整します。ここで大事なのは効率と熱の関係です。DC直流を下げると内部抵抗で熱が出やすいですが、PWMは高頻度の切り替えで熱を分散させ、同じ出力を得つつ熱を抑えられることが多いです。

またPWMを使うと、コントローラ側のソフトウェアで細かい制御がしやすくなります。デジタル回路と組み合わせて、滑らかな加減速、灯りの微調整、モーターの保護動作などを実現できます。ただしPWMでの問題点もあります。高速に駆動する場合のノイズや、周波数設定を間違えると振動が増え、耐久性に影響を与えることがあります。周波数の選択とデッドタイムの確保、そして適切なフィルタ回路の追加がポイントです。

• 目的と特性: DCは安定、PWMは調整が強力
• 熱と効率: PWMは熱を抑えやすいが設計が難しくなることも
• 実装の難易度: DCは単純、PWMは制御器と周辺部品が必要
• 経済性: 回路規模や回路部品のコストが影響

結論として、用途によって使い分けることが大切です。モーターを高速で一定に回したい場合はDCを直接、速度を滑らかに変えたい場合はPWMを選ぶと良いでしょう。学習の場では、まずDCの挙動を理解し、次にPWMの仕組みとデメリットを理解するのがおすすめです。

ピックアップ解説

小ネタノート 〜 koneta の回想 〜

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konetaは学校の電子工作課でPWMモーターの実験に挑戦していました。最初は「PWMってただのON/OFFだよね」と軽く考えていた彼女。僕が近づくと、彼女は自分のノートにデューティ比を描きながらこう言いました。「ねえ、PWMは単なるON/OFFじゃなくて、出力の質を調整する道具なのね。50%のデューティだと平均電圧は半分くらいに見えるけれど、周波数を上げればモーターの振動は減って静かに動くの」その場にいた仲間も頷き、私たちは実際に50%、75%、90%のデューティでモーターの回転を比べてみました。結果は予想通りで、デューティが高いほど回転は速くなり、低いほど緩やかに動くことを実感しました。konetaは「PWMは魔法じゃなく、きちんとした設計の道具」と理解し、以降は安定して動く回路づくりに熱心になりました。そんな彼女の成長を見て、私もまた基礎を大事にすることの大切さを再確認したのです。

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