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Pulsweitenmodulation

Abb. 01: Das Tastverhältnis einer PWM
Abb. 01: Das Tastverhältnis einer PWM

Die Pulsbreitenmodulation (Pulse-width Modulation = PWM), auch Pulsweitenmodulation oder Pulslängenmodulation, ist eine Modulationsart bei der eine Spannung, Strom o.ä. bei fester Frequenz zwischen zwei festen Werten wechselt. Die zu übertragene Information ist im Tastverhältnis (engl. " Duty Cycle") untergebracht. Eine Periode der PWM besteht aus dem Puls (t1) und der Pause (t2). Der Modulationsgrad wird im Tastverhältnis der Pulslänge (t1) zur Periodendauer (T) in Prozent ausgedrückt.
Das Tastverhältnis der PWM in Abb. 01 ist beispielsweise: t1/T = 0,25 = 25%

Abb. 03: Analoger Pulsweitenmodulator
Abb. 03: Analoger Pulsweitenmodulator

Modulation
Eine Pulsbreitenmodulation wird meist in Komparator- oder Koinzidenz-schaltungen erzeugt. Die Trägerfrequenz, meist eine Sägezahnspannung, wird in einem Oszillator erzeugt.  Die Modulationsspannung kann eine Fehlerspannung, z.B. die IST-Information einer Betriebsspannung aus einem Netzteil, oder eine Stellgröße, z.B. von einem Potentiometer sein.

Digital kann PWM in Timer-, Countern oder Schieberegistern erzeugt werden.

Ein pulsbreitenmoduliertes Signal wird erzeugt, indem ein kontinuierlich ansteigend- und absteigendes Signal (Dreieck oder Sägezahnspannung) mit dem analogen Eingangssignal (Modulationsspannung) verglichen wird, das je nach seinem Wert eine kurze oder eine lange Zeit über diesem liegt (Koinzidenz). An den Schnittpunkten wird das digitale Ausgangssignal umgeschaltet. In den meisten Anwendungen steht eine der beiden Flanken des PWM-Signal fest, während die Position der anderen durch die Modulation variabel ist.

Abb. 04: PWM mit feststehender fallender Flanke
Abb. 04: PWM mit feststehender fallender Flanke

Demodulation
Ein PWM-Signal wird meist über einen Tiefpass durch Integration demoduliert. Das resultierende demodulierte Signal entspricht dem arithmetischen Mittelwert der PWM über mehrere Perioden. Dadurch entspricht die Fläche unter der demodulierten Größe,  dem Integral der PWM über eine ganze Zahl von Perioden, geteilt durch die Dauer der Integration. In der Praxis kann das Integrierglied eine RC-Kombination, eine Drossel aber auch die Trägheit einer Masse (z.B. des Rotors eines Motors) sein.

Abb. 05: Demodulation durch Integration
Abb. 05: Demodulation durch Integration
Abb.06: Bildung des arithmetischen Mittels über eine Periode
Abb.06: Bildung des arithmetischen Mittels über eine Periode

Typische Einsatzbereiche für Pulsweitenmodulation:
Pulsbreitenmodulation wird häufig zur Übertragung von Informationen von Sensoren, z.B. Stellfühlern wie Potentiometer in Servos, eingesetzt. PWM kann direkt digital weiterverarbeitet werden. Um den übertragenen Wert zu ermitteln, wird auf einer festgelegten Flanke der PWM ein Zähler zurückgesetzt und gestartet. Die zweite Flanke stoppt den Zähler und löst das Auslesen des binären Wertes aus.

Ein weiterer Einsatzbereich für PWM ist die Leistungselektronik z. B. in der Ansteuerung von Motoren oder elektrischen Heizelementen. In der Consumer-Elektronik werden meist Schaltnetzteile mit PWM gesteuert. Ein solcher Regelkreis ist in Abb. 07 dargestellt:
Ein Oszillator erzeugt eine sägezahnförmige Spannung mit definierter Frequenz und Amplitude. Die Modulationsspannung UIST hat ihren Ursprung in der USEK auf der Sekundärseite des Netzteils. Im Spannungssteiler R2/R3 heruntergeteilt und über einen Optokoppler (zwecks galvanischer Trennung) auf die Primärseite übertragen, stellt sie eine Information über die Last des Netzteils dar. Ist die Last hoch, sinkt USEK und damit auch UIST. Hierdurch ändert sich die Koinzidenzzeit zwischen UIST und dem Sägezahn. Die Pulsbreite verringert sich (siehe Abb. 04). Nach dem Inverter sind die Impulse breiter geworden. Der Transistor Q wird länger eingeschaltet und es wird mehr Energie in den Transformator T geladen. In der Pause der PWM sperrt der Transistor und die Energie fließt auf die Sekundärseite ab. USEK steigt wieder.
Mit R1 wird die Gegenkopplung des Regelkreises eingestellt. Die Gegenkopplung bestimmt die Verstärkung im Kreis, und damit wie stark der Regelkreis auf Abweichungen reagiert. Zusammen mit Kapazität C1 bestimmt R1 die Regelzeitkonstante, welche bestimmt, wie schnell der Regelkreis reagiert.

Abb. 07: Steuerung eines Schaltnetzteils mit PWM
Abb. 07: Steuerung eines Schaltnetzteils mit PWM