Pulsweitenmodulation

Die Pulsweitenmodulation (PWM) respektive Pulslängenmodulation^[1] (PLM; auch: Unterschwingungsverfahren) ist eine Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrischer Strom) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz der Tastgrad des Signales moduliert, also die Breite (nicht etwa Weite) eines Impulses. Der englische Begriff für das Verfahren lautet pulse-width modulation (PWM), was wohl einen prägenden Einfluss auf den deutschen Namen hatte.

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.

PWM ist auch unter Pulsbreitenmodulation (PBM) und Pulsdauermodulation (PDM) bekannt. Der letztgenannte Begriff ist genormt.^[2]

Ein anschauliches Beispiel für diese Modulationsart ist ein Schalter, mit dem man eine Heizung ständig ein- und ausschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Periodendauer ist, umso höher die mittlere Heizleistung. Die Temperatur des geheizten Gebäudes kann nur vergleichsweise langsam dem Ein- und Ausschaltvorgang folgen; durch seine thermische Trägheit ergibt sich das notwendige Tiefpassverhalten zur Demodulation.

PWM-Signal mit einem Tastgrad $\tfrac{t_1}{T} = 0{,}25 = 25\, \%$

Einsatzgebiete

Die Pulsweitenmodulation wird zur Informationsübertragung und zusätzlich häufig zur Steuerung der Energieumwandlung in einem technischen System eingesetzt.

Steuerungstechnik

Sinusförmiger Verlauf (grün) kann durch Vergleich mit einem sägezahnförmigen Signal (blau) in ein unten in rosa dargestelltes PWM-Signal umgewandelt werden, für jeden PWM-Puls durchläuft die Sägezahnrampe den ganzen Wertebereich – auf träge Verbraucher wirkt der PWM-Spannungsverlauf wie eine Sinusspannung

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. – In gleicher Weise wird bei neueren PC- bzw. vor allem CPU-Lüftern über PWM deren Drehzahl gesteuert.

Leistungselektronik

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 elektronisch kommutierte Ventilatoren.

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. Dabei wird die Dauer eines einzelnen Impulses bei einer Acht-Bit-Auflösung in 256 Schritte aufgeteilt, von denen je nach gewünschtem Ausgangspegel 0 bis 255 ein geschaltet werden. Wenn es sich um „ohmsche“ Verbraucher handelt (beispielsweise LEDs in Autoarmaturen), kann die Taktfrequenz so hoch angesetzt werden (beispielsweise 70 kHz), dass keinerlei Gefahr für sichtbare Interferenzen mit Stromnetzbeleuchtung (50 Hz) oder ähnlichen Quellen gegeben ist. Eine so hohe Frequenz hat auch den Vorteil, dass der einzelne Impuls so kurz bleibt, so dass der Verbraucher sich nur entsprechend dem Effektivwert der modulierten Spannung erwärmt und nicht bei jedem Einzelimpuls starke Warm-kalt-Änderungen durchfährt (potenziell kritisch bei Hochleistungsleuchtdioden).

Pulsweitenmodulator mittels analogen Komparator

Ein PWM-Signal kann auch mittels eines analogen Komparators durch Vergleich des Analogsignals mit einem geeigneten Trägersignal erzeugt werden, wie in nebenstehender Schaltskizze dargestellt, wobei als Modulationssignal 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.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Pulsweitenmodulation bildet ein Multivibrator, bei dem das Tastverhältnis durch einen variablen Widerstand oder Kondensator verändert werden kann.

Für die Ermittlung der Pulsdauer wird zum Ansatz gebracht, dass der arithmetische Mittelwert des zu modulierenden Signals in einer Pulsperiode genau dem arithmetischen Mittelwert der PWM-Impulsfolge entsprechen soll. Beide Funktionsverläufe (Analogsignal und PWM-Signal) haben also in einem Pulsintervall bei einem Spannungssignal die gleiche Spannungs-Zeit-Fläche.

Weitere Pulsmodulationen

Neben der PWM existieren noch weitere Pulsmodulationsarten, wie beispielsweise Pulsfrequenzmodulation (PFM), bei der die Ein-Zeit 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.^[3]

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 ebendiese Problematik behandeln, sind Frequenzumrichter bzw. die Choppersteuerung.

Vorteile der Pulsweitenmodulation

Der Vorteil des PWM-Signals besteht darin, dass es durch zwei Spannungsebenen (Low- und High-Pegel) gebildet wird. Bei der schaltungstechnischen Realisierung eines PWM-Generators mittels Bipolar- oder MOS-Transistoren oder IGBTs können diese – im Gegensatz zu einem Generator mit analog veränderlicher Spannung – im verlustarmen Schaltbetrieb arbeiten. Die beiden Spannungsebenen des Rechtecksignals entsprechen zwar zwei Logikpegeln, diese stellen aber keine Ziffern eines Binärcodes dar. Die Information steckt in dem kontinuierlichen (analogen) Pulsbreitenverhältnis. Es lassen sich Signalverstärker bei PWM-Frequenzen im unteren Kilohertzbereich sogar bis in den oberen Kilowattbereich hinein realisieren. In der Elektronik sind Verstärker nach dem PWM-Prinzip unter der Bezeichnung Klasse-D-Verstärker (Class-D, Digitalverstärker) bekannt.

Weblinks

 Commons: Pulsweitenmodulation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• PWM (englisch)
• Roboternetz

Quellen

1. ↑ Karsten Block, Peter Busch, Ludger Erwig, Franz Fischer, Wilken Pape, Manfred Weißgerber: Elektroberufe. Lernfelder 9–13. Energie- und Gebäudetechnik. 1. Auflage. Bildungsverlag EINS, Troisdorf 2006. ISBN 978-3-427-44464-0. S. 216 ff., 253 ff., 304.
2. ↑ DIN 5483-1:1983 – Zeitabhängige Größen: Benennung der Zeitabhängigkeit. Nr. 7.3
3. ↑ Ondrej Tlaskal: Duales DC/DC-Wandler-IC. Zwei Ausgangsspannungen mit einer gemeinsamen Speicherdrossel. elektroniknet.

Technische Modulationsverfahren

Übersicht: Modulator 

Analoge Modulationsverfahren: AM | FM | PM | VM | SSB | SSBSC | DSBSC 

Digitale Modulationsverfahren: ASK | FSK | GFSK | QPSK | QAM | OFDM | DMT | TCM | VSB 

Pulsmodulationsverfahren: PWM | PAM | PFM | PPM (1) | PPM (2) | PCM 

Frequenzspreizende Modulationsverfahren: FHSS | DSSS | THSS | CSS