【Arduino入門】PWM制御でRGBフルカラーLEDを操る：8色点灯から1677万色グラデーションまで完全実装ガイド

はじめに：なぜRGBフルカラーLEDなのか？

「LEDを光らせるだけでは物足りない」「もっと華やかな演出がしたい」——そんな想いを抱いたことはありませんか？

通常のLEDは単色しか発光できませんが、RGBフルカラーLEDを使えば、1つの部品で赤・緑・青の三原色を自由に混ぜ合わせ、理論上1677万色もの色彩表現が可能になります。照明演出、インジケーター、イルミネーション工作など、応用範囲は無限大です。

本記事では、ArduinoのPWM（パルス幅変調）機能を活用し、以下の2段階でフルカラーLED制御を習得します：

【STEP 1】デジタル出力による8色点灯
→ digitalWrite()でON/OFF制御し、光の三原色の加法混色の基礎を理解

【STEP 2】PWM制御による1677万色グラデーション
→ analogWrite()で各色の輝度を256段階制御し、滑らかな色相変化を実現

「LEDが虹色に光る瞬間」を一緒に体験しましょう。

RGBフルカラーLEDの構造と動作原理

1つのパッケージに3色のLEDチップ

RGBフルカラーLED（RGB LED）は、1つの透明樹脂パッケージ内に以下3色のLEDチップが封入された部品です：

R (Red / 赤): 波長約620-630nm
G (Green / 緑): 波長約515-530nm
B (Blue / 青): 波長約460-470nm

これらは光の三原色と呼ばれ、人間の目の視細胞（錐体細胞）が感知する色の基本成分です。

フルカラーLEDの回路図 — RGBフルカラーLEDの内部構造（共通カソード型）

共通カソード型とコモンアノード型

RGB LEDには2つのタイプがあります：

タイプ	共通端子	各色端子の電位	Arduino制御
共通カソード型	GND（-極）	HIGH=点灯	digitalWrite(R, HIGH)
コモンアノード型	VCC（+極）	LOW=点灯	digitalWrite(R, LOW)

本記事では共通カソード型を使用します。各色のアノード（+極）をArduinoのデジタルピンに接続し、カソード（-極）を共通でGNDに落とす構成です。

加法混色による色の生成原理

RGBの各色を組み合わせることで、以下のような色が生成されます（加法混色）：

R	G	B	結果の色
●	○	○	赤 (Red)
○	●	○	緑 (Green)
○	○	●	青 (Blue)
●	●	○	黄 (Yellow)
●	○	●	マゼンタ (Magenta)
○	●	●	シアン (Cyan)
●	●	●	白 (White)
○	○	○	消灯 (Black)

（●=点灯、○=消灯）

これは2³ = 8通りの組み合わせです。しかし、各色の明るさを調整できれば、256 × 256 × 256 = 16,777,216色の表現が可能になります。これを実現するのが次のPWM制御です。

必要な部品と接続仕様

部品名	仕様	数量	備考
Arduino UNO	R3 / R4 Minima	1	PWM対応ピン使用
RGBフルカラーLED	共通カソード型（4ピン）	1	5mm径、拡散型推奨
抵抗	220Ω（1/4W）	3	電流制限用（各色1個）
ブレッドボード	標準サイズ	1	-
ジャンパー線	オス-オス	4本	-

【STEP 1】デジタル出力による8色点灯制御

回路設計と配線

まずは基本的な8色点灯から始めます。各色をON/OFFするだけのシンプルな回路です。

フルカラーLEDの点灯回路と回路図 — フルカラーLEDの基本回路（共通カソード型）

回路のポイント：

電流制限抵抗は必須
LEDの各色に220Ωの抵抗を直列接続します。Arduino UNOのデジタルピン出力は5Vで、RGB LEDの順方向電圧（Vf）は赤=2.0V、緑/青=3.2V程度です。抵抗なしで接続すると過電流が流れて破損します。
```
流れる電流の計算例:
赤: I = (5V - 2.0V) / 220Ω ≒ 13.6mA
緑/青: I = (5V - 3.2V) / 220Ω ≒ 8.2mA
※LEDの定格電流20mA以下で安全
```
PWM対応ピンを使用
後のSTEP 2でPWM制御を行うため、最初からPWM対応ピン（Arduino UNOの場合 3, 5, 6, 9, 10, 11番）を使用しておくと配線変更が不要です。今回は以下のピンを使用します：
- 9番ピン → 赤(R)
- 10番ピン → 青(B)
- 11番ピン → 緑(G)
共通カソードはGNDへ
RGBフルカラーLEDの最も長いピン（共通カソード）をArduinoのGNDに接続します。

サンプルコード：8色順次点灯

// ピン定義（PWM対応ピンを使用）
#define R 9    // 赤 (Red)
#define G 11   // 緑 (Green)
#define B 10   // 青 (Blue)

void setup() {
   // 各ピンを出力モードに設定
   pinMode(R, OUTPUT);
   pinMode(G, OUTPUT);
   pinMode(B, OUTPUT);
}

void loop() {
   // 1. 赤 (Red)
   digitalWrite(R, HIGH);
   delay(500);
   digitalWrite(R, LOW);

   // 2. 緑 (Green)
   digitalWrite(G, HIGH);
   delay(500);
   digitalWrite(G, LOW);

   // 3. 青 (Blue)
   digitalWrite(B, HIGH);
   delay(500);
   digitalWrite(B, LOW);

   // 4. 黄 (Yellow = Red + Green)
   digitalWrite(R, HIGH);
   digitalWrite(G, HIGH);
   delay(500);
   digitalWrite(R, LOW);
   digitalWrite(G, LOW);

   // 5. シアン (Cyan = Green + Blue)
   digitalWrite(G, HIGH);
   digitalWrite(B, HIGH);
   delay(500);
   digitalWrite(G, LOW);
   digitalWrite(B, LOW);

   // 6. マゼンタ (Magenta = Red + Blue)
   digitalWrite(R, HIGH);
   digitalWrite(B, HIGH);
   delay(500);
   digitalWrite(R, LOW);
   digitalWrite(B, LOW);

   // 7. 白 (White = Red + Green + Blue)
   digitalWrite(R, HIGH);
   digitalWrite(G, HIGH);
   digitalWrite(B, HIGH);
   delay(500);
   
   // 8. 消灯 (Black = All OFF)
   digitalWrite(R, LOW);
   digitalWrite(G, LOW);
   digitalWrite(B, LOW);
   delay(500);
}

コードの動作解説：

pinMode()で各ピンを出力モードに設定
digitalWrite(HIGH)でLED点灯、digitalWrite(LOW)で消灯
各色を0.5秒間隔で順次点灯させ、8色のサイクルを繰り返す
光の三原色の組み合わせにより、赤→緑→青→黄→シアン→マゼンタ→白→消灯の順で発光

動作確認

このコードをArduino IDEで書き込むと、以下の動画のようにRGB LEDが8色を順次表示します：

トラブルシューティング：

症状	原因	対処法
LEDが全く光らない	配線ミス、極性逆接続	カソード（長いピン）がGNDか確認
特定の色だけ光らない	その色の配線断線、抵抗未接続	該当ピンの配線を再確認
すぐにLEDが焼損	抵抗未接続	必ず220Ωを各色に直列接続
色が混ざって見える	拡散型LEDの特性	正常動作（期待通りの加法混色）

【STEP 2】PWM制御で実現する1677万色グラデーション

PWM（パルス幅変調）の原理

デジタルピンの出力はHIGH（5V）とLOW（0V）の2値しかありませんが、高速でON/OFFを切り替え、ONの時間割合（デューティ比）を変えることで、疑似的にアナログ電圧を出力できます。これが**PWM（Pulse Width Modulation）**です。

デューティ比 0% (常にLOW)   → 実効電圧 0V   (消灯)
デューティ比 50% (半々)     → 実効電圧 2.5V (中間輝度)
デューティ比 100% (常にHIGH) → 実効電圧 5V   (最大輝度)

Arduino UNOのPWMは**8bit（256段階）**の分解能を持つため、各色を0〜255の値で制御できます。したがって：

256（赤）× 256（緑）× 256（青）= 16,777,216色

の表現が理論上可能になります。

analogWrite()関数の使い方

ArduinoのPWM制御にはanalogWrite()関数を使用します：

analogWrite(ピン番号, 0〜255の値);

0: 完全にOFF（消灯）
127: 約50%の輝度（中間輝度）
255: 完全にON（最大輝度）

重要： PWM機能が使えるのは、Arduino UNOの場合3, 5, 6, 9, 10, 11番ピンのみです。

三相正弦波によるスムーズなカラーフェード

各色の輝度をサインカーブ（正弦波）に従って変化させ、かつ位相を120度（85ステップ）ずつずらすことで、虹のように滑らかに色が遷移するグラデーション効果を実現します。

フルカラーLEDの出力位相 — 三相正弦波による位相制御（各色を85ステップずらす）

位相差の意味：

赤（R）: 位相0度（基準）
緑（G）: 位相120度（85ステップ後）
青（B）: 位相240度（170ステップ後）

これにより、ある瞬間に赤が最大輝度のとき、緑と青は中間輝度や消灯状態にあり、時間経過とともに各色の輝度バランスが連続的に変化します。結果として、赤→オレンジ→黄→緑→シアン→青→紫→赤…と循環する美しいグラデーションが生まれます。

サンプルコード：1677万色グラデーション

// ピン定義（PWM対応ピンを使用）
#define R 9    // 赤 (Red)
#define G 11   // 緑 (Green)
#define B 10   // 青 (Blue)

void setup() {
   // 各ピンを出力モードに設定
   pinMode(R, OUTPUT);
   pinMode(G, OUTPUT);
   pinMode(B, OUTPUT);
}

void loop() {
   uint8_t r, g, b;  // 各色の輝度値（0-255）
   uint8_t i;        // ループカウンタ

   for (i = 0;; i++) {  // 無限ループ（iは自動的にオーバーフロー）
      // 各色の輝度をサインカーブで計算
      // sin(x)の出力範囲 -1〜+1 を 0〜255 にスケーリング
      r = (sin(2 * 3.14 / 255 * i) + 1) * (255 / 2);
      g = (sin(2 * 3.14 / 255 * (i + 85)) + 1) * (255 / 2);   // 120度位相差
      b = (sin(2 * 3.14 / 255 * (i + 170)) + 1) * (255 / 2);  // 240度位相差

      // PWM出力で各色の輝度を制御
      analogWrite(R, r);
      analogWrite(G, g);
      analogWrite(B, b);
      
      delay(20);  // 20msごとに更新（1周期 = 約5秒）
   }
}

コードの詳細解説：

サイン関数によるスムーズな輝度変化
```
sin(2 * 3.14 / 255 * i)
```
- 2 * 3.14 = 2π（1周期）
- / 255 で255ステップで1周期完結
- iは0〜255で循環（uint8_t型のオーバーフロー利用）
-1〜+1を0〜255にスケーリング
```
(sin(...) + 1) * (255 / 2)
```
- + 1 で範囲を0〜2に変換
- * (255 / 2) で0〜255に拡大

位相差85ステップの意味

360度 / 3色 = 120度
255ステップ × (120 / 360) ≒ 85ステップ

動作確認と期待される結果

このコードを書き込むと、以下の動画のような滑らかなカラーグラデーションが観察できます：

チェックポイント：

✅ 色が急に切り替わらず、なめらかに遷移している
✅ 赤→オレンジ→黄→緑→青→紫の順で循環している
✅ 約5秒で1周期（255ステップ × 20ms）
✅ 明滅やちらつきがない（PWM周波数約490Hz/980Hzで人間の目には認識不可）

応用テクニックとカスタマイズ例

1. グラデーション速度の調整

delay()の値を変更することで、色変化の速さを制御できます：

delay(5);   // 高速（約1.3秒/周期） → ディスコ風
delay(20);  // 標準（約5秒/周期）   → 落ち着いた演出
delay(100); // 低速（約25秒/周期）  → じっくり鑑賞

2. センサー連動による動的色変更

温度センサーや光センサーの値をRGB値に反映させる例：

int sensorValue = analogRead(A0);  // 0-1023の値
int brightness = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255);

analogWrite(R, brightness);
analogWrite(G, 255 - brightness);  // 逆相関
analogWrite(B, 128);  // 固定値

3. 特定の色範囲のみを使う

オレンジ〜赤のグラデーション（暖色系のみ）：

r = 255;  // 赤を常に最大
g = (sin(2 * 3.14 / 255 * i) + 1) * (128 / 2);  // 緑を0-128に制限
b = 0;    // 青を使わない

4. 複数のRGB LEDによるダイナミック点灯

今回は1個のLEDでしたが、複数個を制御する方法：

シフトレジスタ（74HC595）を使用：多数のLEDを少ないピンで制御
WS2812B（NeoPixel）を使用：1本の信号線で数百個を個別制御可能

まとめ：Arduino PWM制御の可能性

本記事では、RGBフルカラーLEDをArduinoで制御する2つのアプローチを実装しました：

習得した技術

✅ 光の三原色と加法混色の理解
　→ RGB（赤・緑・青）の組み合わせで多彩な色を生成

✅ digitalWrite()による8色点灯
　→ デジタル出力の基本、共通カソード型LEDの配線

✅ analogWrite()によるPWM制御
　→ 256段階の輝度調整で1677万色の表現

✅ 三相正弦波による位相制御
　→ 数学的アプローチで美しいグラデーション実現

Arduino PWM制御の応用範囲

今回習得したPWM技術は、LED制御だけでなく以下のような用途にも応用できます：

モーター速度制御: DCモーターの回転数を可変制御
サーボモーター制御: 角度指定（Servo.write()の内部でPWM使用）
スピーカー駆動: tone()関数で周波数を変えてメロディー演奏
調光器: 白色LEDの明るさを無段階調整

次のステップ：さらなる発展

【初級】センサー連動
温度センサー・光センサーの値をRGB値に反映し、環境に応じて色が変わる"スマートライト"を実装

【中級】NeoPixel（WS2812B）の制御
1本の信号線で数百個のフルカラーLEDを個別制御し、流れるような光の演出を実現

【上級】Bluetooth連動スマホアプリ制御
HC-05モジュールを使い、スマホアプリから任意の色をリアルタイム指定

よくある質問（FAQ）

Q1. コモンアノード型のRGB LEDを使いたい場合は？
A. アノード（長いピン）を5VまたはArduinoのVccに接続し、各色のカソードをArduinoピンに接続します。ロジックが反転するため、digitalWrite(R, LOW)で点灯、analogWrite(R, 255 - brightness)で輝度制御します。

Q2. PWM周波数は変更できますか？
A. Arduino UNOのデフォルト周波数（ピン5,6は約980Hz、ピン3,9,10,11は約490Hz）は変更可能ですが、タイマーレジスタの直接操作が必要です。ただし、通常の用途ではデフォルト値で十分です。

Q3. 複数のRGB LEDを同じ色で同期させたい
A. 各LEDの対応する色のピンを並列接続します。ただし、Arduinoの1ピンの最大電流（40mA）を超えないよう、トランジスタでドライブするか、LED数を制限してください。

Q4. 電池で動かすとちらつく
A. 電源容量不足が原因です。RGB LED全点灯時は最大60mA（20mA×3色）消費します。単3×4本（6V）とレギュレータ、またはモバイルバッテリー（5V USB出力）を推奨します。

Q5. もっと多くのLEDを制御したい
A. WS2812B（NeoPixel）やAPA102などのアドレサブルLEDを使用すると、1本の信号線で数百個を個別制御可能です。

おわりに

RGBフルカラーLEDとPWM制御の組み合わせは、Arduino電子工作の中でも特に視覚的な達成感が得られる分野です。単純なON/OFF制御から始まり、数学的なアルゴリズム（三角関数）を応用した美しいグラデーションまで、一つの部品で段階的に学習できるのが魅力です。

「光をプログラムで操る」——この感覚をぜひ体験してみてください。

それでは、良い電子工作ライフを！

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三相正弦波によるスムーズなカラーフェード#

サンプルコード：1677万色グラデーション#

動作確認と期待される結果#

応用テクニックとカスタマイズ例#

1. グラデーション速度の調整#

2. センサー連動による動的色変更#

3. 特定の色範囲のみを使う#

4. 複数のRGB LEDによるダイナミック点灯#

まとめ：Arduino PWM制御の可能性#

習得した技術#

Arduino PWM制御の応用範囲#

次のステップ：さらなる発展#

関連記事：Arduino電子工作シリーズ#

よくある質問（FAQ）#

おわりに#

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