脈寬調變 (PWM)：這是什麼？該如何使用？

在脈寬調變 (PWM) 問世之前，若要調光而需調整電壓或電流的唯一方法，就是使用變阻器或電位計。此外，使用 PWM 可以更輕鬆地控制較大的零組件，如馬達、閥門、泵浦、液壓和其他機械式零組件。

通常，DC 電壓會在零值上下保持恆定。脈寬調變會將數位訊號轉變成類比訊號，方法是改變其保持開啟與關閉的時間長度。會使用「工作週期」一詞來表達訊號保持開啟相對於關閉的時間長度百分比或比率。通常，可產生 PWM 輸出的裝置都有非常高的刷新率，可確保平均功率「看起來」與負載保持恆定。例如，我使用可讀取約 500 Hz 刷新率的數位分析儀來測試 Arduino。以下提供 PWM 訊號的範例，我使用 LTSpice 來模擬訊號並擷取波形圖。

透過 Analog Devices 的電路模擬程式 LTSpice 產生的 PWM 訊號。

我使用不同的電壓位準，並針對各個訊號施加偏移，已顯示工作週期之間的差異。如您所見，較高的工作週期代表訊號保持開啟的時間比關閉還多，而低工作週期的情況則相反。

這種類型的訊號到底能達到什麼？具備 PWM 能力的裝置可維持使用者所指定的任何工作週期，在某些情況下，使用者可能隨時會對脈衝寬度的變化進行編程。從數學角度來看，可進行 PWM 的裝置能更改輸出，藉此呈現「平均」電壓。工作週期設定為 50% 的訊號，大約可將負載所呈現的平均電壓降低 50%。但此做法在絕大多數情況下並不實際，因為裝置並非 100% 準確。根均方 (RMS) 測量會是值得考量的更優秀測量方式。許多三用電表及其他量測設備皆可進行 RMS 測量。以 LTSpice 的模擬為例，在 50% 工作週期及 60 Hz 刷新率下的 5 V_DC 訊號，其 RMS 電壓為 3.57 V。我還在相同模擬中，以無 PWM 脈衝的方式測試一般會消耗 1 A 的負載，在 50% 工作舟旗下，讀數約為 714 mA RMS。

數位訊號往往停留在 5 V 或 3.3 V 左右，視應用而定，但在使用 MOSFET 時也可能會對較大的電壓產生「雙倍」效應。由於這些電晶體通常當作壓控開關使用，因此會以跟 PWM 訊號相同的速率進行開啟和關閉，視閘極對源極電壓而定。這種反應會讓高電壓看起來就像 PWM 訊號，且作用也相同。PWM 在多個元件上模擬「調光」效果時特別有用。LED 對電位計的反應不佳，尤其是較高電流與電壓的 LED。但是，PWM 裝置與 MOSFET 串聯時可將電壓保持在夠高的位準，能讓 LED 開啟更久的時間，產生更大的調光範圍。PWM 還可用相同的概念來控制馬達的速度。

如果你要初次試驗 PWM，我推薦 Arduino 平台。我使用以下兩個型號：1050-1024-ND 與 1050-1018-ND。MEGA 有更多引腳，能提供 PWM 輸出。Arduino 使用 “analogWrite(pin, val)” 函數來完成此任務，引腳變數是能具有 PWM 能力的 I/O (引腳旁邊有 ~ 符號)，而該值可以是 0 至 255。零代表 0% 工作週期，而 255 則為 100% 工作週期。