Pulsweitenmodulation

Pulsweitenmodulation – Wikipedia
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Pulsweitenmodulation
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Die Pulsweitenmodulation (PWM) (auch Unterschwingungsverfahren) ist eine Modulationsart, bei der eine
technische Größe (z. B. elektrischer Strom) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz das
Tastverhältnis des Signales moduliert, also die Breite (nicht etwa Weite) eines Impulses. Der englische Begriff für das
Verfahren lautet pulse-width modulation (PWM), das hat den deutschen Sprachgebrauch wohl nachhaltig beeinflusst.
Ein PWM-Signal wird allgemein über einen Tiefpass demoduliert. Die resultierende demodulierte technische Größe
entspricht dem arithmetischen Mittelwert und damit der mittleren Höhe der Fläche unter der modulierten Größe,
mathematisch bestimmt aus dem Integral über eine ganze Zahl von Perioden, geteilt durch die Dauer der Integration.
PWM ist auch unter Pulsbreitenmodulation (PBM) und Pulsdauermodulation (PDM) bekannt.
PWM-Signal mit einem
Tastverhältnis t1 / T = 0,25 = 25 %
Ein anschauliches Beispiel für diese Modulationsart ist ein Schalter, mit dem man eine Heizung ständig ein- und
ausschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit ist, umso höher die mittlere Heizleistung. Die Temperatur der Heizung kann nur
vergleichsweise langsam dem Ein- und Ausschaltvorgang folgen und ergibt so das notwendige Tiefpassverhalten zur Demodulation.
Einsatzgebiete
Die Pulsweitenmodulation wird zur Informationsübertragung und zusätzlich häufig zur Steuerung der Energieumwandlung in einem technischen System
eingesetzt.
Steuerungstechnik
Um analoge Signale über eine digitale Strecke zu übertragen, nutzt man die glättende Tiefpasswirkung einer Induktivität, z. B. eines Motors oder einer Spule, um
diese mit Hilfe digitaler Impulse zu steuern. So lassen sich mit digitalen Schaltungen (z. B. Mikrocontrollern), die nur digitale Signale verarbeiten können,
analoge Geräte (Motoren usw.) ansteuern.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel der PWM in der Steuerungstechnik ist das Dimmen von Beleuchtungskörpern, insbesondere von Leuchtdioden, welche als
Hintergrundbeleuchtung bei Mobiltelefonen oder auch bei neueren Kraftfahrzeugen bei Cockpit-Anzeigen oder der Bremsleuchte eingesetzt werden. Durch die
unterschiedlich lange und steuerbare Ein- bzw. Ausschaltdauer können linear unterschiedliche Helligkeiten erzeugt werden. Die glättende Funktion eines
elektrischen Filters entfällt dabei, es muss lediglich die Grundfrequenz hinreichend hoch gewählt werden, so dass durch die Trägheit des Auges das Flimmern
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auch bei gleichzeitigen Bewegungen nicht störend bemerkt wird.
Leistungselektronik
Weiteres wichtiges Einsatzgebiet der PWM ist die Leistungselektronik. Da an Leistungsschaltern möglichst wenig
Verlustenergie abgegeben werden soll, werden diese nur in zwei Kennpunkten betrieben: Voll sperrend (kaum Strom,
voller Spannungsabfall) oder voll durchgeschaltet (voller Strom, kaum Spannungsabfall). Der Mittelwert der
Spannung wird dabei um das Verhältnis Einschaltzeit / Periodendauer reduziert.
Einsatzbereiche sind Gleichstromsteller, Frequenzumrichter bzw. Elektromotoren, Heizelemente, Dimmer,
Schaltnetzteile, Klasse-D-Verstärker und elektronisch kommutierte Ventilatoren.
Digital-Analog-Umsetzer
Ein weiterer Einsatzbereich findet sich bei Digital-Analog-Umsetzern in der Messtechnik und zur Klangerzeugung z.
B. in Synthesizern oder bei CD-Spielern.
Nachrichtentechnik
Die Pulsdauermodulation findet Anwendung bei der drahtlosen Übermittlung physikalischer Größen (Telemetrie)
und zur energiesparenden Erzeugung einer Amplitudenmodulation in Großsendern.
Pulsweitenmodulation zur Erzeugung
eines annähernd sinusförmigen Verlaufs
des Kurzzeitmittelwertes der Spannung auf träge Verbraucher wirkt dieser
Spannungsverlauf wie eine
Sinusspannung
Erzeugung
Zur Erzeugung eines PWM-Signals aus digital vorliegenden Daten (z. B. Motorsteuerung) kommen geeignete Zähler/Vergleicherschaltungen zum Einsatz. Viele
Mikrocontroller enthalten bereits direkt PWM-Module oder unterstützen durch geeignete Timer-Funktionen deren Implementierung.
Ein PWM-Signal kann auch mittels eines Komparators durch Vergleich des Analogsignals mit einem geeigneten Trägersignal erzeugt werden, wobei vor allem
Sägezahn- und Dreieckssignale zum Einsatz kommen:
Ansteigendes Sägezahnsignal (rückflankenmoduliert): Die Vorderflanke (ansteigende Flanke) der Schaltfunktion ist fest und die Position der Rückflanke
(abfallende Flanke) wird moduliert.
Abfallendes Sägezahnsignal (vorderflankenmoduliert): Die Position der Vorderflanke der Schaltfunktion wird moduliert und die Rückflanke bleibt fest.
Dreiecksignal für symmetrische Modulation: Bei dieser Modulationsart werden die Positionen beider Flanken der Schaltfunktion moduliert. Ändert sich
der Sollwert innerhalb einer Trägerperiode nur wenig, so sind die beiden Schaltflanken näherungsweise symmetrisch zu den Scheitelpunkten des
Dreieckssignals.
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Für die Ermittlung der Pulsweite wird zum Ansatz gebracht, dass der arithmetische Mittelwert des zu modulierenden Signals in einer Pulsperiode genau dem
arithmetischen Mittelwert der PWM-Impulsfolge entsprechen soll. Beide Funktionsverläufe (Analogsignal und PWM-Signal) haben also in einem Pulsintervall
bei einem Spannungssignal die gleiche Spannungs-Zeit-Fläche.
Weitere Pulsmodulationen
Neben der PWM existieren noch weitere Pulsmodulationsarten, wie z. B. Pulsfrequenzmodulation (PFM), bei der die Einzeit gleichbleibend, die Frequenz
jedoch variabel ist, dann noch die Pulsamplitudenmodulation, die Pulscodemodulation und die Pulsphasenmodulation.
Vorteil der PWM ist, dass sich durch die konstante Frequenz Oberschwingungen sehr leicht ausfiltern lassen. Sie kommt bei höheren Leistungen (Ströme über
200 mA) zum Einsatz. PFM hingegen hat niedrigere Leitungs- und Schaltverluste. [1]
Probleme in der Praxis
Ein erhebliches Problem bei Einsatz des Verfahrens der PWM in der Praxis ist die Bildung von Oberschwingungen (ugs. Oberwellen). Diese bilden sich als
Vielfache der Modulationsfrequenz und können in den mittels PWM angesteuerten Induktivitäten unerwünschte Nebeneffekte wie Geräuschbildung,
Erwärmung und Probleme mit Elektromagnetischer Verträglichkeit führen. Abhilfe kann hier durch Kompensation mittels einer zugeschalteten Kapazität oder
durch Veränderung der Modulationsfrequenz der PWM geschaffen werden. Typische Anwendungen, die auch eben diese Problematik behandeln, sind
Frequenzumrichter bzw. die Choppersteuerung.
Vorteile der Pulsweitenmodulation
Im Gegensatz zu einem analogen Signal, das jeden beliebigen Wert innerhalb eines vorgegebenen Bereiches einnehmen kann, ist ein pulsweitenmoduliertes
Signal ein binäres Signal. Es existieren nur zwei Signalwerte (Low- und High-Pegel). Bei der schaltungstechnischen Realisierung eines PWM-Generators mittels
Bipolar-, MOS-Transistoren oder IGBT können diese im Gegensatz zum Analogbetrieb mit seiner hohen Verlustleistung im verlustarmen Schaltbetrieb arbeiten.
Es lassen sich somit Signalverstärker bei PWM-Frequenzen im unteren Kilohertzbereich sogar bis in den oberen Kilowattbereich hinein realisieren. In der
Elektronik sind Verstärker nach dem PWM-Prinzip unter der Bezeichnung Klasse-D-Verstärker (Class-D, Digitalverstärker) bekannt.
Quellen
1. elektroniknet.de (http://www.elektroniknet.de/index.php?id=995)
Weblinks
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Commons: Pulsweitenmodulation (http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Pulse_width_modulation?uselang=de) – Sammlung von Bildern,
Videos und Audiodateien
PWM (engl.) (http://www.netrino.com/Embedded-Systems/How-To/PWM-Pulse-Width-Modulation)
Roboternetz (http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Pulsweitenmodulation)
Strippenstrolch PWM (http://www.strippenstrolch.de/1-3-13-pwm-pulsweitenmodulation.html)
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Kategorien: Leistungselektronik | Modulation (Technik)
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