Pulsweitenmodulation

Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrischer Strom) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird das Tastverhältnis bei konstanter Frequenz moduliert. Ein PWM Signal wird allgemein über einen Tiefpass demoduliert. Die resultierende demodulierte technische Größe entspricht dem Integral und damit der Fläche unter der modulierten Größe (Integralrechnung).

PWM ist auch unter Pulsbreitenmodulation (PBM) und Pulsdauermodulation (PDM) bekannt.

Ein anschauliches Beispiel für diese Modulationsart ist ein Schalter mit dem man eine Heizung ständig ein- und ausschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit ist, um so höher die mittlere Heizleistung. Die Temperatur der Heizung kann nur vergleichsweise langsam dem Ein- und Ausschaltvorgang folgen und ergibt so das notwendige Tiefpassverhalten zur Demodulation.

Einsatzgebiete

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

Steuerungstechnik

Um analoge Signale über eine digitale Strecke zu übertragen, nutzt man die glättende Tiefpasswirkung einer Induktivität, z.B. eines Motors oder einer Spule, um digitale Impulse wieder in eine analoge Schwingung zu verwandeln. So lassen sich mit Schaltungen wie z.B. Mikrocontrollern, die nur digitale Signale „verstehen“, analoge Signale erzeugen, bzw analoge Geräte (Motoren usw). ansteuern

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.

Klangerzeugung

Ein weiterer Einsatzbereich findet sich bei der Klangerzeugung z.B. bei D/A Wandlern in Synthesizern oder bei CD-Playern.

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-Signales aus digital vorliegenden Daten (z.B. Motorsteuerung) kommen geeignete Zähler/Vergleicherschaltungen zum Einsatz. Die Timer-Funktionen in vielen Mikrocontrollern enthalten bereits entsprechende Funktionen.

Ein PWM-Signal kann auch mittels eines Komparators durch Vergleich des Analogsignals mit einem geeigneten Trägersignal erzeugt werden, wobei 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 der Sollwert innerhalb einer Trägerperiode nur wenig, so sind die beiden Schaltflanken näherungsweise symmetrisch zu den Scheitelpunkten des Dreieckssignals.

Siehe auch

Neben der PWM existieren noch weitere Pulsmodulationsarten, wie z.B. Pulsfrequenzmodulation (PFM), bei der Ein- und Austastzeiten identisch sind, die Frequenz jedoch variabel ist, dann noch die Pulsamplitudenmodulation, die Pulscodemodulation und die Pulsphasenmodulation.

Vorteil der PWM ist, dass sich durch die konstante Frequenz Oberwellen sehr leicht ausfiltern lassen. Sie kommt bei höheren Leistungen (Ströme über 200 mA) zum Einsatz. PFM hingegen hat niedrigere Leitungs- und Schaltverluste. (Quelle)

Weblinks

PWM (engl.)

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