Lerne und verstehe die Grundlagen zur Nutzung eines PWM-Signals. Beispielsweise, um die Helligkeit von LEDs, die Geschwindigkeit von Motoren und vieles mehr zu steuern. Führe spannende Experimente mit einem PWM-Signal durch und entdecke neue Möglichkeiten der Steuerung und Regelung mit einem Mikrocontroller.
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.
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Das 555er-Timer-IC, ob in der bipolaren oder in der CMOS-Version, bietet die Möglichkeit der PWM-Erzeugung mit einer Steuerspannung. Die Steuerung bis zu einem sehr kleinen Tastgrad ist jedoch, IC-intern schaltungsbedingt, nicht möglich. Ist diese Eigenschaft jedoch wichtig und es genügt die Einstellung des Tastgrades mit einem Potmeter, ist dies leicht realisierbar mit der CMOS-Version LMC555 oder TLC555. Es funktioniert deshalb nur mit der CMOS-Version, weil nur diese die Möglichkeit bietet, einen stabilen Rechteckgenerator mit nur einem Timing-Widerstand und einem Timing-Kondensator zu realisieren. Auf dieser Grundlage stützt sich dieser 555-CMOS-Elektronik-Minikurs. Vermittelt wird die Grundlage dazu hier:
Das vorliegende Update besteht aus dem neuen Kapitel „NOCH STABILERE 555-PWM-SCHALTUNG MIT 555-TREIBER“. Die Schaltung in Bild 4 mit einem kleinen Ventilator, PWM-gesteuert und mit einem MOSFET, funktioniert prima und ist nachbaubar. Das Titelbild hier besteht aus vier Teilen. Teilbild A zeigt die Schaltung in Bild 4 mit reduzierter Wiedergabe. Genau genommen wird auch hier die PWM-Erzeugung, durch die Ansteuerung der Gate-Source-Kapazität des MOSFET, rückwirkend geringfügig beeinflusst. Bei dieser Anwendung fällt es nicht auf, ist unkritisch und deshalb ohne zusätzlichen Treiber realisierbar.
Teilbild B zeigt einen invertierenden Treiber, bestehend aus einem zweiten LMC555 (IC:B) und einer Transistorstufe mit schnellschaltenden Transistoren. Die punktierte Verbindung zwischen Pin 3 des LMC555 (IC:B) und dem MOSFET, deutet an, dass man auch ohne Transistorstufe auskommt, wenn es genügt die so eben genannte Rückwirkung zu vermeiden. Die Treiberleistung verbessert sich dadurch nicht. Dies kann aber dann notwendig sein, wenn eine höhere Kapazität (z.B. ein Piezogeber) gesteuert wird, angedeutet in Teilbild D.
Titelbild C zeigt die Alternative der MOSFET-Steuerung mit dem Discharge-Ausgang (Opendrain) des LMC555. Es wird genau erklärt, warum es nicht empfehlenswert, das Gate des MOSFET direkt mit dem Discharge-Ausgang zu verbinden. Diese Schaltung dürfte sich speziell mit geringstem Aufwand für kapazitive Geber eignen. Man beachte dazu die Punkte T in den Bildern C und D.
Viel Spass beim Lesen und möge dieser Inhalt zu eigenen Projektideen anregen.
Gruss
Euer ELKO-Thomas
Die Impulsbreitenmodulation, auch Pulsweitenmodulation (PWM) genannt, ist ein beliebtes Thema im Forum des Elektronik-Kompendium und dies hauptsächlich in Verbindung mit dem 555-Timer-IC. Ich nahm dies zum Anlass, die PWM-Schaltung mit der moderneren CMOS-Version LMC555 (TLC555) zu untersuchen. Diese CMOS-Version ist schon deshalb interessant, weil ein Rechteckgenerator mit nur einem Widerstand und einem Kondensator besonders einfach zu realisieren ist. Die PWM-Erweiterung besteht im Wesentlichen darin, den Widerstand durch ein Potmeter zu ersetzen und dass mittels zweier Dioden der Lade- und Entladestrom des Kondensators getrennte Wege fließen. Die Herleitung vom einfachen zeitsymmetrischen Rechteckgenerator bis zur PWM-Schaltung wird in diesem Elektronik-Minikurs schrittweise mit vier Bildern anschaulich erklärt. Mit dem vierten Bild wird zugleich eine praktische Anwendung gezeigt, zu lesen im Kapitel DIE PWM-SCHALTUNG FÜR DEN TISCHVENTILATOR.
Und so kam die Motivation zustande:
Eine Elektronik-Discount-Kette in der Schweiz vertrieb einen kleinen batteriebetriebenen Tischventilator für nur 15 Franken. Die Betriebsspannung ist 6 VDC. Die Spannungsquelle besteht aus vier 1.5V-Batterien des Typs AA. Einen solchen Ventilator kaufte ich, weil ich wissen wollte, wieviel Leistung er verbraucht und damit, mit welcher Lebensdauer der vier Batterien zu rechnen ist. Es sind wenige Stunden. Für mein Umweltbewusstsein ist es unverantwortlich ein solches Massenprodukt überhaupt herzustellen und zu vertreiben. Das ist heute nicht mehr opportun, umweltethisch betrachtet, außer man setzt zumindest wiederaufladbare Akkus ein. Dies veranlasste mich, für interessierte ELKO-Leser eine am 230VAC-Netz betriebene PWM-Schaltung mit einem LMC555 (TLC555) und einem Power-MOSFET zu realisieren. Dies ist die Schaltung in Bild 4. Es brauchte dann noch einen kleinen Trick, damit der Ventilator bei niedriger Einstellung der Geschwindigkeit sicher startet. Ein kleiner NPN-Transistor und ein paar passive Teile sorgen dafür, dass beim Einschalten der PWM-Schaltung kurzzeitig der Tastgrad des Rechtecksignales so groß wird, damit der Ventilator sicher anläuft. Warum Tastgrad und nicht Tastverhältnis wird auch erklärt.
Genau der selbe Ventilator ist nicht mehr erhältlich. Es geht aber auch mit jedem andern mit einer Betriebsspannung von 6 VDC und einem Strom von etwa 1A. Für andere Spannungen und Ströme ist es dem kundigen Leser überlassen, selbst die nötigen Modifikationen vorzunehmen.
Das Studium dieses Elektronik-Minikurses setzt die Kenntnis eines andern voraus und davon liest man in der Einleitung…
Einige der ELKO-Leser mögen sich noch an die Diskussionen im ELKO-Forum zurück erinnern, als eine NE555-Schaltung in der Funktion als PWM-Generator und eine Leistungsstufe mit einem MOSFET zum Treiben einer Power-LED im Fokus stand. Zwecks Steuerung (Dimmen) einer Power-LED, kommt naturgemäss auch eine Strombegrenzung zum Einsatz. Der Versuch dies mit einem LM317 als Stromquellenschaltung, eingeschlauft in den LED-Stromkreis, zu realisieren, scheiterte wegen der hohen Flankensteilheit des PWM-Signals, weil die Reaktionsträgheit des LM317 zu gross ist. Es funktionierte dann auch nicht so richtig, als man die eigentlich richtige Lösung anstrebte, nämlich mit einem Shuntwiderstand im Sourcekreis des Power-MOSFET und einem NPN-Transistor, der die Gate-Source-Spannung des Power-MOSFET begrenzte und dies zur stabilen Strombegrenzung für die Power-LED führen sollte. Ich erinnere mich, dass es ein Leser fertig brachte, dass seine Schaltung funktionierte. Ich habe damals im ELKO-Forum erklärt, dass ich diese Methode selbst mit einem Versuchsaufbau untersuchen will. Das habe ich in der Zwischenzeit getan und daraus entstand dieser Elektronik-Minikurs.
Es werden einerseits Irrwege aufgezeigt, wobei anderseits daraus auch Nützliches entstand. Es kommt dabei auch sehr darauf an, ob für eine dimmbare LED-Beleuchtung ein hoher Wirkungsgrad prioritär ist oder eher nicht. Ist dies der Fall, wird auf bestehende Produkte hingewiesen, welche aus geschalteten Stromquellen mit PWM-Eingängen bestehen. Dafür eignet sich dann immer noch die Erzeugung von PWM mit dem Einsatz des 555-CMOS-Timer-IC LMC555 oder TLC555. Alternativ zu dieser Methode gibt es die eines einfachen Generators zur Erzeugung einer Dreieckspannung und einem Komparator. Diese Schaltung bietet den Vorteil, dass die PWM sowohl mittels Potmeter oder einer DC-Eingangsspannung steuerbar ist. Dann zum Schluss noch einmal eine Schaltung mit dem LMC555 (TLC555), die es erlaubt mit einem linearen Potmeter oder mit einer linearen DC-Eingangsspannung den Effekt einer pseudologarithmischen Einstellbarkeit zu erzeugen. So kann man den Dunkelbereich des LED-Lichtes feiner einstellen.
Der vielen Worte kurzer Sinn, viel Spass beim Lesen, selber Tüfteln und Realisieren…