Pulsweitenmodulation

Projektlabor WS 2010/11
Moksha Birk
Pulsweitenmodulation
Motivation
Das ausschlaggebende Ziel zur Verwendung der PWM ist in unserem Fall das Dimmen
von LEDs, bzw. allgemeiner die Veränderung der an einen Verbraucher abgegebenen
Leistung (z.B. auch bei Motoren, Lüfter, etc.).
Hierbei kommt die PWM zum Einsatz, da der Diodenstrom nur begrenzt sinnvoll varierbar
ist. Bei der Verwendung von Microcontrollern kommt hinzu, dass ein normaler, binärer Port
verwendet und auf teure ADCs verzichtet werden kann.
Funktionsprinzip
Bei der Pulsweitenmodulation wird mit binären
Rechteckimpulsen variabler Weite auf einem
Grundtakt gearbeitet, die Leistungssteuerung
erfolgt dabei über das An-/Aus-Verhältnis des
Signales [1]. Dieses Verhältnis (im folgenden
'D') wird auch als 'Tastgrad' bzw. 'duty cycle'
bezeichnet und ergibt sich zu D = w / T, wobei
'w' die Weite des einzelnen Impulses mit hohem Pegel und 'T' die Periodendauer des
Grundtaktes sind.
Abbildung 1: Tastgrad
Abbildung 2: PWM-Signale, Tastgrad 70%
Abbildung 3: PWM-Signal, Tastgrad 20%
Eigenschaften
PWM bietet die Möglichkeit eine über den gesamten Bereich von 0 - 100% lineare Leistungssteuerung umzusetzen. Die Grundfrequenz bleibt dabei konstant und kann den Anforderungen entsprechend leicht angepasst werden.
Beim Dimmen von Leuchtmitteln ist zu beachten, dass zu niedrige Grundrequenzen ein
wahrnehmbares Flackern verursachen und vermieden werden sollten.
Zudem ist bei höheren Grundfrequenzen zunehmend mit einer Verseuchung der Versorgungsspannung und anderer Schaltungsteile zu rechnen, sodass im Zweifelsfall geeignete
Tiefpassfilter verwendet werden sollten.
Projektlabor WS 2010/11
Moksha Birk
Realisierung
Mit Mikrocontrollern kann ein PWM-Signal durch zyklisches Schalten der Ausgänge erzeugt werden.
Generiert es dagegen mit Hilfe der analogen Schaltungstechnik, so bietet sich der Vergleich eines Grundtaktes und einer Steuerspannung mittels eines Komparators an.
Der Grundtakt kann unter anderem sowohl mit einem Timer-IC vom Typ NE555 (siehe [2])
als auch mit Operationsverstärkern implementiert werden. Für dieses Projekt fiel die Entscheidung auf letzere Möglichkeit zur Erzeugung eines Dreiecksignals als Grundtakt.
Schaltungsentwurf
Die Grundidee zur Generatorschaltung stammt aus [2] und daraus resultierte der Schaltplan in Abbildung 4. Es wurde eine asymmetrische Betriebsspannung gewählt und die Widerstände R0 und R1 versorgen die OPVs mit einem mittleren Spannungslevel mit dessen
Hilfe auch der Spannungsoffset am Ausgang eingestellt werden kann. OP1, R2 & R3 bilden einen Schmitt-Trigger, R4, C1 & OP2 einen Integrator und OP3 den Komparator.
Eine Transientensimulation dieser Schaltung liefert die in den Abbildungen
Quellenangaben
[1]: http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation (08.11.2010 22:10)
[2]: Beispiel für Schaltungen mit Timer: http://home.cogeco.ca/~rpaisley4/LM555.html#17
(08.11.2010 21:20)
[3]: Tietze / Schenk, Halbleiterbauelemente, 12. Auflage, 2002, Springer Verlag, S. 891 ff.
Abbildung 4: (06.11.2010 22:35) http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Pulsform.svg
Abbildung 5: Simmulierte Dreieckund Steuerspannung
Abbildung 4: Schaltplan
Abbildung 6: Simmulierter PWMAusgang