什麼是 PWM（Pulse Width Modulation）？

PWM，全名 Pulse Width Modulation（脈寬調變），是一種用來控制電壓或功率的電子訊號技術。 它的核心概念是：透過改變訊號的高電位時間比例（Duty Cycle），來控制輸出的平均電壓或能量。

PWM 在電子控制、馬達速度控制、LED 調光、音頻輸出等方面非常常見。

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一、PWM 的基本概念

PWM 是一種數位訊號（HIGH/LOW），但透過調整「高電位時間比例」來模擬類比效果。

Duty Cycle（佔空比）

Duty Cycle 指的是「高電位時間 / 總週期時間」。

Duty Cycle = 高電位時間 / (高電位時間 + 低電位時間)

Duty Cycle	平均電壓	說明
0%	0 V	完全關閉
50%	Vcc/2	半功率
100%	Vcc	全功率

頻率（Frequency）

PWM 的頻率是訊號重複的速度，例如 490 Hz 表示每秒重複 490 次。

• LED 調光 → 太低會閃爍，需要 >100Hz
• 馬達控制 → 一般 490Hz 或 980Hz 就足夠

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二、PWM 的應用場景

1. 直流馬達速度控制

• 用 PWM 調整平均電壓，改變馬達轉速
• 搭配 H 橋（如 L298N）可控制方向與速度

2. LED 調光

• 改變 PWM Duty Cycle，LED 亮度隨之改變

3. 音頻信號產生

• 利用高頻 PWM 模擬類比波形，輸出音調

4. 電源控制（DC-DC 降壓）

• PWM 控制 MOSFET 開關，實現高效率電壓轉換

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三、PWM 與 Arduino 的關係

Arduino 提供 analogWrite(pin, value) 來產生 PWM 訊號：

int ledPin = 5;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(ledPin, i); // 調整 LED 亮度
    delay(10);
  }
}

• value 範圍 0~255
• 0 → 完全關閉
• 255 → 全亮（Vcc）
• 中間值 → 半功率，Duty Cycle = value/255

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四、PWM 與平均電壓的關係

假設 Vcc = 5V，PWM Duty Cycle = 40%：

平均電壓 = 5V × 0.4 = 2V

這表示負載會接收到相當於 2V 的平均能量，雖然訊號本身仍是 0V / 5V 方波。

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五、PWM 與馬達、LED 實作示例

LED 調光

int ledPin = 9;

void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); }

void loop() {
  for(int i=0; i<=255; i++){
    analogWrite(ledPin, i);   // 從暗到亮
    delay(10);
  }
  for(int i=255; i>=0; i--){
    analogWrite(ledPin, i);   // 從亮到暗
    delay(10);
  }
}

馬達速度控制（搭配 L298N）

int enA = 5; // PWM 控制速度

void setup() { pinMode(enA, OUTPUT); }

void loop() {
  analogWrite(enA, 128); // 半速
  delay(2000);
  analogWrite(enA, 255); // 全速
  delay(2000);
  analogWrite(enA, 0);   // 停止
  delay(1000);
}

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六、PWM 優點

• 節能高效：不直接降低電壓，而是調整脈衝比例
• 可精確控制：LED、馬達、音量都可精細調整
• 廣泛支援：微控制器、馬達驅動器、電源管理