PWM - Pulsweitenmodulation

PWM - Pulsweitenmodulation

Die PWM (Pulsweitenmodulation) ist eine digitale Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. eine elektrische Spannung) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz ein Rechteckimpuls erzeugt (moduliert), dessen Weite, Breite bzw. Länge variiert. Das Verhältnis zwischen Impuls und Periodendauer (Summe von Impuls- und Pausendauer) wird als Tastgrad bzw. Duty Cycle bezeichnet.
Ein PWM-Signal muss von einem PWM-Generator erzeugt werden. Hierzu stellt man eine Frequenz ein (Kehrwert der Periodendauer) und gibt den Tastgrad an, der der Dauer des Impulses innerhalb der Periodendauer entspricht.

Die Pulsweitenmodulation, kurz PWM, wird auch als Pulsbreitenmodulation (PBM), Pulsdauermodulation (PDM), Pulslängenmodulation (PLM) oder Unterschwingungsverfahren bezeichnet.
Englisch: pulse width modulation (PWM), pulse time modulation (PTM) oder pulse duration modulation (PDM).

Anwendungen

Ein PWM-Signal eignet sich ...

  • als Steuersignal in der Steuer- und Regelungstechnik.
  • als Mess-Signal.
  • für die Übertragung von Daten.
  • zum Treiben einer Last mit variabler Spannung durch den Durchschnittswert der Spannung, der durch die Änderung der Impulsbreite veränderbar ist.

PWM-Signal als Steuersignal

PWM-Signal als Steuersignal

Es gibt Anwendungen im Bereich Steuerung und Regelung, wo ein separates PWM-Signal zur Übertragung einer Information zum Steuern oder Regeln verwendet wird. Die Information steckt dann im Duty Cycle des PWM-Signals.

Beispiele dafür sind:

  • Regelung der Servo-Motor-Position: PWM-Signale können verwendet werden, um die Position (Winkel) eines Servo-Motors einzustellen.
  • Regelung der Lüfterdrehzahl: Ein PWM-Signal kann verwendet werden, um die Drehzahl von Lüftern zu regeln.
  • Regelung der Leistung von Wechselstromantrieben: PWM-Signale können verwendet werden, um die Leistung von Wechselstromantrieben, wie Invertern oder Frequenzumrichtern zu regeln.

PWM-Signal als Mess-Signal

Mit einem PWM-Signalgenerator kann man jedes beliebige Rechtecksignal erzeugen. Innerhalb einer Messanwendungen, kann man zum Beispiel die Zeit messen, die benötigt wird, um eine bestimmte Anzahl von Impulsen eines spezifischen PWM-Signals zu empfangen.

Datenübertragung mit PWM-Signal

Signalverlauf eines PWM-modulierten Signals

Bei der Pulsweitenmodulation hat das modulierte Signal eine feste Amplitude (Höhe der Spannung). Dafür ist die Impulsdauer abhängig von der Amplitude des Informationssignals. Je positiver das Informationssignal, desto breiter ist der Impuls. Je negativer das Informationssignal, desto schmaler ist der Impuls.

Leistung von Lasten steuern

Analoge Spannungen (und Ströme) können zur Steuerung der abgegebenen Leistung verwendet werden. Das hat mehrere Nachteile:

  • Die Steuerung großer Lasten (Verbraucher) erfordert große Spannungen und Ströme, die mit Standard-Analogschaltungen und DACs nur schlecht funktioniert.
  • Leistungstransistoren wirken wie geregelte Widerstände und verursachen hohe Verluste in Form von Abwärme.

Bei einem PWM-Signal wird durch schnelles Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung der Durchschnittswert der Spannung und dadurch auch des Stroms im Verhältnis der Ein- und Ausschaltdauer der Last zugeführt. Je länger die Einschaltzeit im PWM-Signal ist, desto höher die effektive Spannung, die die Last geliefert bekommt.
Obwohl das PWM-Signal eine Wechselspannung bzw. eher eine Mischspannung ist, lässt sich damit die Leistung von Gleichstromverbrauchern wie Leuchtdioden, Motoren, Heizwiderständen und ähnliches regulieren.

Typischerweise steuert man solche Bauteile und Komponenten über die Höhe der Betriebsspannung. Wenn man das Software-gesteuert machen will, dann müsste man irgendwie einen Spannungsregler steuert. Einfacher geht es mit einem PWM-Signal, bei dem ein bestimmtes Verhältnis zwischen Impuls und Impulspausen über die Effektivspannung entscheidet. Durch die Änderung der Pulsbreite können wir den Durchschnittswert der an die Last gelieferten Spannung beeinflussen.

Berechnung des Effektivwerts der Spannung mit PWM-Signalform:

Formel zur Berechnung des Effektivwerts

Formel zur Berechnung

Formel zur Berechnung

Beispiele:

Raspberry Pi Pico: Grundlagen zur PWM

Der Raspberry Pi Pico ist ein Mikrocontroller-Board mit dem Mikrocontroller RP2040. Der kann PWM-Signale generieren und auf seinen GPIO-Pins ausgeben. Grundlagen, Beispiele und Anwendungen mit PWM und dem Raspberry Pi Pico.

Weitere verwandte Themen:

Frag Elektronik-Kompendium.de

Kommunikationstechnik-Fibel

Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.

Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.

Das will ich haben!

Kommunikationstechnik-Fibel

Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.

Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.

Das will ich haben!

Netzwerktechnik-Fibel

Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.

Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.

Das will ich haben!