Pulsweitenmodulation

Die Pulsweitenmodulation (PWM) (auch bekannt als Pulsbreitenmodulation (PBM), Pulsdauermodulation (PDM) und 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.

Inhaltsverzeichnis 1 Prinzip der Pulsweitenmodulation 1.1 Definitionen 2 Realisierung 2.1 Analoger Schaltungsaufbau 2.2 Erzeugung mittels Microcontroller 3 Einsatzgebiete 4 Probleme bei der Umsetzung 5 Weblinks

Prinzip der Pulsweitenmodulation

Mit einer Pulsweitenmodulation kann ein analoges Eingangssignal in ein digitales Signal umgewandelt werden, das aus einer Impulsfolge mit konstanter Frequenz und variablen Tastverhältnis besteht, wodurch sich beliebige Informationen auf ein Tastverhältnis im Bereich zwischen umsetzen lassen. Alle zu übertragenden Informationen liegen in digitaler Form vor, was problemlos von der zu verarbeitenden Elektronik weiterverarbeitet werden kann.

Da zum Beispiel 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).

So lassen sich mit digitalen Schaltungen (z. B. Mikrocontrollern), die nur digitale Signale verarbeiten können, analoge Geräte (Motoren usw.) ansteuern. Für auf träge Verbraucher wirkt der Spannungsverlauf (Bild rechts oben) wie eine Sinusspannung. Durch zwischen schalten einer Drossel wird die Ausgangsspannung weiter geglättet, was die Erwärmung des Verbrauchers mindert.

Definitionen

	: Ausgangstastverhältnis über die Zeit
	: Eingangsspannung über die Zeit
	: Maximalwert der Eingangsspannung
	: Auf Maximalwert UE normierte Eingangsspannung über die Zeit

Realisierung

Analoger Schaltungsaufbau

U_A (Spannungsverlauf 5) ist die Ausgangsspannung mit dem pulsweitenmodulierten Tastverhältnis.

Durch Veränderung der Eingangsspannung U_E, die am OP3 (Komparator) als Vergleichsspannung anliegt, kann die Frequenz der Ausgangsspannung verändert werden.

• OP1 = Integrator (invertierende Grundschaltung)
• OP2 = Spannungsinverter
• OP3 = Komparator

Erzeugung mittels Microcontroller

Die Sägezahnspannung wird mit Hilfe eines Zählers oder Timers erzeugt und mit einem Compare-Wert verglichen.

U_A ist die Ausgangsspannung mit dem pulsweitenmodulierten Tastverhältnis.

Durch variieren des Compare-Wertes kann die Ausgangsfrequenz verändert werden.

Einsatzgebiete

• Steuerungstechnik
  • Um analoge Signale über eine digitale Strecke zu übertragen
  • Zum Dimmen von Beleuchtungskörpern

• Leistungselektronik
  • Frequenzumrichter
  • Schaltnetzteile
  • Gleichstromsteller

• Nachrichtentechnik
  • Zur Erzeugung einer Amplitudenmodulation in Großsendern

Probleme bei der Umsetzung

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.

Weblinks