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ArduinoでLEDを“炎のように”ゆらめかせる：analogWriteとPWMを理解する

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Arduino初心者です。
『Arduinoをはじめよう』という書籍を読みながら、少しずつ学んでいます。
LEDをただ点灯させるだけではなく、キャンドルのようにゆらめく光を再現してみたくなり、試行錯誤しました。
この記事では、私と同じく本当の初心者でもわかるように、基礎的なところから解説をしていきます。
同じような初心者の方の参考になれば嬉しいです。

ArduinoとPWMの基礎知識

▷ Arduinoとは
単純にArduinoというとボードとIDEがありますが、こちらはボードの方の解説。

手軽に使える小型のマイコンボード。頭はよくないですが、安いので気軽に物作りに使うことができます。C++ベースのArduino言語で書き込みができ、簡単にライトやセンサーをつけることができます。

いくつかの種類がありますが、私はArduino Unoという種類のものを使っています。
13つのデジタルピン、６つのアナログINピンがついています

▷ ピン
ピンとは、基板の端についている小さな金属の接点で、電気信号を送ったり受け取ったりするための出入り口のことです。ここに出力（LEDライト）や入力（スイッチ）をつけることでArduinoで制御できる形にします。

今回は「デジタルピン」を使用します。
アナログピンはまだ使ったことがないのですが、光・温度・電圧などの微妙な変化を読み取るために使われるようです。
また、今回は揺らぎ表現のためにPWMを使用するので、13つあるデジタルピンの中でも、PWM対応している3,5,6,9,10,11のどれかを使います。

▷ PWM（パルス幅変調）とは
Arduinoのデジタルピンは通常「ON（5V）」または「OFF（0V）」の2通りしか出力できません。
つまり、LEDは「点灯する」か「消灯する」しかできないはずです。

しかし、人間の目は高速で点滅する光を“明るさの強弱”として認識するという性質があります（残像効果：POV = Persistence of Vision）。この性質を利用し、LEDを非常に短い時間単位でONとOFFを繰り返すことで、「少し明るい」といった中間的な明るさを表現することができます。

このように、ONの時間の割合（デューティ比）を変えることで、アナログ的な出力を擬似的に実現する技術をPWM（Pulse Width Modulation／パルス幅変調）と呼びます。

たとえば：

  • ONの時間が長い → 明るく見える
  • ONとOFFが半々 → 中くらいの明るさ
  • ONの時間が短い → 暗く見える

これを 「デューティ比（duty cycle）」 と呼び、Arduinoでは analogWrite() という関数で簡単に利用できます。また、LEDの明るさ調整だけでなく、モーターの回転速度の制御などにも応用されています。

▷ analogWrite関数

analogWrite(pin, value);
  • pin: 出力先のPWM対応ピン（例：9）
  • value: 0〜255の整数で、ONの時間割合（= デューティ比）

たとえば analogWrite(9, 128); と書くと、約50%のON時間でLEDが中程度の明るさになります。

LEDの接続方法（配線）

PWMに対応したデジタルピン9にLEDを接続し、抵抗を挟んでからGNDに接続します。
配線構成（簡易図）：

Arduino 9番ピン → LED（アノード） → 抵抗 → LED（カソード） → GND

ブレッドボードを使うと、はんだ付けなしで簡単に配線できます。

補足：電子部品の基礎知識

▷ アクチュエーター
電気や信号を受け取って、「動き」や「音」などの物理的な出力を行う部品のことです。
入力に対して何らかの「動作」で応答し、出力装置とも呼ばれます。
今回のアクチュエーターは「LEDランプ」です。
一方、スイッチや光センサーなどは「入力装置（センサー）」と呼ばれます。

▷ カソード/アノード
LEDなどの極性がある電子部品（＝電流の向きが決まっている部品）　では、電気が正しく流れる向きが決まっています。

LEDライトはリード線の長さが異なり、どちらがマイナス側（カソード側）かわかるようになっています。
電流はアノード → カソード の向きにしか流れません。逆につなぐとLEDは光りません。

名前 記号 足の長さ 接続先 役割
アノード A 長い足 プラス側（Arduinoの出力など） 電流の入り口
カソード K 短い足 マイナス側（GND） 電流の出口

▷ ブレッドボード
電子部品をはんだ付けせずに簡単に配線できる、実験用の基板です。
ArduinoやLED、センサーなどを組み合わせて回路を組むときに、配線の確認や動作テストに使われます。

  • 中央エリア（A〜EとF〜J）：横方向に5つずつ連結しています
  • 電源ライン（＋、−）：縦方向に1列全部が接続されています

▷ 抵抗と電流の基礎
LEDには必ず抵抗をつけましょう。抵抗がないと過電流で壊れる可能性があります。

基本的な電気の用語：

  • 電圧（V）：水圧のようなもの（Arduinoは5V）
  • 電流（A）：水の量のようなもの（流れる電気の量）
  • 抵抗（Ω）：電流の流れを妨げる力

オームの法則：
I = V / R
（電流 = 電圧 ÷ 抵抗）

ちなみに、今回のLEDの順方向電圧（Vf）も入れて計算すると以下のような計算式になります。

  0.02A（最大） = (5V - 2V) / R
  R = (5V - 2V) / 0.02A = 150Ω（最小）

炎のような“ゆらぎ”を再現するコード

▷ Arduino IDE
Arduinoにコードを書き込み、プログラムを実行するための公式ソフトウェアです。
ちなみに「IDE」とは「統合開発環境」の略で、エディタ・コンパイラ・書き込みツールがひとつにまとまった便利なツールのことです。有名どころだとVSCode等があります。

// LED を接続するピン番号を定義（今回はピン9）
const int LED = 9;

void setup() {
  // ピン9を「出力モード」に設定（これでLEDを点灯できるようになる）
  pinMode(LED, OUTPUT);

  // ランダムの初期化（未使用ピンからノイズ取得）
  randomSeed(analogRead(0)); 
}

void loop() {
  // ゆらぎ範囲。ランダムにLEDの明るさを設定（100〜255の範囲で変化）
  // 0〜255が最大範囲だが、0（消灯）だと違和感があるので100〜にしている
  int brightness = random(100, 255);

  // 設定した明るさでLEDを点灯させる（PWM出力）
  analogWrite(LED, brightness);

  // 次の点滅までの待ち時間もランダムに設定（30〜100ミリ秒）
  delay(random(30, 100));
}

コードが書けたらArduinoとPCを繋いで、Arduinoに書き込みます。

完成

わかりづらいですが、炎のようにゆらめいています。

コードの数字を変更すると強風の中の蝋燭のような表現にもできます。
（動画だとあまりわからないかも？）

おわりに

本ではLEDをただ光らせるだけの内容でしたが、ひと工夫加えるだけで作業がぐっと楽しくなりました。
これからも、単に本の通りに進めるだけでなく、自分なりの遊び心を取り入れながら、学びをより面白く感じていけたらと思います。

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