PWM

Die Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet ein Verfahren zur Veränderung des Mittelwerts einer Spannung. Die PWM wird u. A. zur Ansteuerung von Schaltern in der Leistungselektronik eingesetzt. Dabei werden Spannungspulse unterschiedlicher Dauer und konstanter Höhe erzeugt. Die folgende Abbildung zeigt ein PWM-Signal als Beispiel:

Folgende Parameter beschreiben die PWM:

1. Die PWM-Spannung beschreibt die obere Spannung der Pulse. Die untere Spannung beträgt üblicherweise 0V. Eine PWM wird i. A. von einem Mikrocontroller erzeugt. Dieser gibt an seinen Ausgängen Logik-Pegel LOW und HIGH aus. Die PWM-Spannung entspricht dann der Spannung des HIGH-Pegels. Bei einem Arduino-Uno sind das 5V.

2. Die PWM-Frequenz gibt an, wie schnell Pulse aufeinander folgen. Ein LOW-Pegel mit anschließendem HIGH-Pegel (oder anders herum) entspricht der Periodendauer eines Pulses. In der Abbildung oben beträgt die Periodendauer T = 10µs. Das entspricht einer PWM-Frequenz von f = 1 / T = 100kHz.

3. Der Duty-Cycle gibt an, wie hoch der Anteil des High-Pulses an der Periodendauer ist. In der oberen Abbildung beträgt der Duty-Cycle 50%, denn der High-Puls dauert genauso lang wie der LOW-Puls. Bei einem Duty-Cycle von 100% liegen dauerhaft 5V an.

4. Rise-Time und Fall-Time beschreiben die Dauer der Flanken des Signals. In der Abbildung oben ändert sich die Flanke von LOW auf HIGH innerhalb von 0,1µs. Diese Dauer bezeichnen wir als Rise-Time. Die Fall-Time beschreibt die Dauer der Flanke im Übergang von HIGH auf LOW. Sie ist oft genauso lang wie die Rise-Time. Je höher die PWM-Frequenz gewählt wird, desto kleiner müssen die beiden Schaltzeiten sein.

Mittelwert

Der zeitliche Mittelwert eines PWM-Signals wird aus dem Integral der Spannung über der Zeit berechnet. Er kann über die Flächen abgeschätzt werden. Betrachten wir dafür ein etwas anderes Beispiel:

In diesem Beispiel beträgt die PWM-Spannung 100V, die PWM-Frequenz 100Hzt und der Duty-Cycle 25%. Rise- und Fall-Time betragen jeweils 100µs. Der Mittelwert der Spannung beträgt 25V. Die Länge des HIGH-Pulses (Duty-Cycle) beträgt 25% der Periodendauer. Die Fläche unter der Spannung des HIGH-Pulses entspricht 1 / 4 der Gesamtfläche. Deshalb ist der Mittelwert der Spannung 25% der PWM-Spannung.

Erzeugung einer PWM-Spannung

Ein Mikrocontroller kann eine PWM-Spannung zwischen 0V und 5V erzeugen. Dafür brauchen wir nur etwas Software. Mit einer Reihenschaltung aus zwei Schaltern können höhere PWM-Spannungen erreicht werden. Dafür werden die Schalter im Wechsel geöffnet und geschlossen. Das Potential zwischen den Schaltern ist dann abwechselnd mit der Eingangsspannung und mit Masse verbunden.

Der obere Schalter ist 1 / 4 der Zeit geschlossen. Deshalb liegt die Spannung zwischen den Schaltern 1 / 4 der Zeit auf 200V. 3 / 4 der Zeit ist der untere Schalter (Diode) geschlossen. Die Diode übernimmt automatisch den Spulenstrom, sobald der obere Schalter geöffnet wird. Während dieser Zeit beträgt die Spannung zwischen den Schalter 0V.

In blau ist die PWM-Spannung zwischen den Schaltern V_Zwischen dargestellt. Sie ändert sich zwischen 0V und 200V. Der Duty-Cycle der PWM beträgt 25%. Das entspricht dem Duty-Cycle der PWM, die für die Ansteuerung des oberen Schalters verwendet worden ist.

In rot ist der Mittelwert der PWM-Spannung dargestellt. Diese Schaltung wird als Tiefsetzsteller bezeichnet, Sie lernen sie etwas später kennen. Ihre Ausgangsspannung entspricht dem Mittelwert der PWM-Spannung zwischen den Schaltern. Wenn Sie in der Ansteuerung des oberen Schalters den Duty-Cycle ändern, ändert sich direkt die Höhe der Ausgangsspannung.

Weiter