Was bedeutet PWM?
Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Modulationsart, bei der zwischen zwei Größen gewechselt wird. Die Frequenz des Wechsels ist dabei konstant. Moduliert wird ein Rechteckimpuls, der in seiner Breite und Länge variieren kann. Der Tastgrad beschreibt das Verhältnis zwischen dem Impuls und der Pause. Im Fall der elektrischen Spannung stellt die Pulsweitenmodulation eine Wechselspannung da, mit der sich jedoch die Leistungen von Gleichstromverbrauchern regulieren lassen.
Inhaltsverzeichnis
Für die Pulsweitenmodulation gibt es zahlreiche weitere Bezeichnungen und Abkürzungen, die alle dasselbe Verfahren beschreiben:
- PDM: Pulsdauermodulation / pulse duration modulation
- PLM: Pulslängenmodulation
- PBM: Pulsbreitenmodulation
- PTM: pulse time modulation
- Unterschwingungsverfahren
Allgemeine Informationen
Mithilfe der Pulsweitenmodulation kann die Effektivspannung verändert werden. Das bedeutet: Leuchtdioden, Heizwiderstände oder Motoren, die mit Gleichstrom arbeiten, können durch die PWM-Wechselspannung beeinflusst werden. Die Höhe der Betriebsspannung bleibt unberücksichtigt. Stattdessen erfolgt die Steuerung dadurch, dass Spannung beziehungsweise Strom einfach für eine definierte Zeit unterbrochen werden. Das Verhältnis zwischen den Spannungsimpulsen und den dazwischenliegenden Pausen bildet die Effektivspannung ab. Bei einer Impulsspannung von 10 Volt und einem Verhältnis von 50 Prozent zwischen den Spannungsimpulsen und Pausen ergibt sich eine Effektivspannung von 5 Volt.
Das durch die PWM modulierte Signal stellt aus graphischer Sicht stets eine Abfolge von Rechtecken dar, die je nach Dauer der Impulse unterschiedlich lang im Diagramm ausfallen. Das Signal hat immer eine feste Amplitude; der Tastgrad bleibt bei konstanter PWM gleich. Der große Vorteil der Pulsweitenmodulation liegt im verlustarmen Schaltbetrieb. Es gibt keine Wärmeentwicklung, weil keine herkömmlichen Transistoren oder Widerstände zum Einsatz kommen. Auch Verbraucher mit niedrigeren Nennspannungen lassen sich an höheren Spannungen dank PWM betreiben. Da die Eingangsspannung nicht permanent anliegt, wird zudem weniger Leistung verbraucht, was Energie und Kosten spart.
Entwicklung
Die PWM ist keine Erfindung der modernen Computertechnik, sondern kommt in vielen Bereichen der Steuer- und Regelungstechnik zum Einsatz. Digitale Modulationsverfahren für die Signalübertragung gehen auf die analogen Formen zurück, die ihren Ursprung bereits in den Anfangsjahren der Übertragungs- und Elektrotechnik haben.
Beispiele der Anwendung
Im Bereich der Consumer Electronic findet PWM in zahlreichen Bereichen der Steuerungstechnik und Leistungselektronik Verwendung. Zu den bekanntesten Anwendungen zählen Schaltnetzteile sowie dimmbare LEDs. Die Leuchtdioden weisen eine stark nichtlineare Kennlinie auf. Sie können kurzzeitig mit sehr hohen Strömen betrieben werden, die das bis zu 10-fache des Nennstromes betragen. Doch eine dauerhaft höhere Spannung als im Normalbetrieb wirkt sich negativ auf ihre Lebensdauer aus. Die Helligkeit von LEDs hängt vom mittleren Strom ab, sodass mit der PWM das Dimmen der Leuchtmittel hervorragend gelingt. Dabei sollte dennoch eine Vorwiderstand beziehungsweise eine Freilaufdiode verwendet werden, um die Verlustleistung niedriger zu halten als bei der linearen Ansteuerung.
Die dimmbaren LEDs kommen in vielen verschiedenen Produkten und Displays zum Einsatz, beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung bei Mobiltelefonen oder in den Anzeigen-Bildschirmen von Cockpits. Damit das menschliche Auge keine Helligkeitsunterschiede oder ein Flimmern wahrnimmt, ist es notwendig, dass die Taktfrequenz hoch ist (10 kHz ist ein bewährter Wert). Denn nur die durchschnittliche Lichtstärke ist für den optischen Eindruck wichtig. Sind Ein- und Ausschaltdauer ausreichend kurz, lässt sich die Helligkeit mit dem Tastgrad linear steuern.
Weitere Anwendungsgebiete der PWM finden sich in der Informationsübertragung, der Messtechnik sowie der Energieumwandlung. Zudem erfolgt die Steuerung von modernen Gehäuse- und CPU-Lüftern über die Pulsweitenmodulation. Dabei geht es vor allem um Drehzahländerungen, um den Luftstrom zu optimieren und die Lautstärke der Ventilatoren zu minimieren. Durch die PWM ist es möglich, dass digitale Schaltungen analoge Geräte von der Heizung bis zum Motor ansteuern können. Konkrete Beispiel für Analog-Digital- oder Digital-Analog-Umsetzer sind Soundkarten in PCs, CD-Player und Synthesizer.
Quellen & Weblinks
