Pulsdauer-Modulation


Pulsdauer-Modulation
PWM-Signal mit einem Tastverhältnis t1 / T = 0,25 = 25 %

Die Pulsweitenmodulation (PWM) (auch Unterschwingungsverfahren) ist eine Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrischer Strom) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird das Tastverhältnis bei konstanter Frequenz moduliert. 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 (Integralrechnung).

PWM ist auch unter Pulsbreitenmodulation (PBM) und Pulsdauermodulation (PDM) bekannt.

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.

Inhaltsverzeichnis

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 auch bei gleichzeitigen Bewegungen nicht störend bemerkt wird.

Leistungselektronik

Pulsweitenmodulation zur Erzeugung eines annähernd sinusförmigen Verlaufs des Kurzzeitmittelwertes der Spannung - auf träge Verbraucher wirkt dieser Spannungsverlauf wie eine Sinusspannung

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 CPU-Lüfter.

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.

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.

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.

Quellen

  1. elektroniknet.de

Weblinks


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