Pulsweitenmodulation

PWM oder PWM (Pulsweitenmodulation) ist eine Möglichkeit, die Stromversorgung einer Last zu steuern. Die Steuerung besteht darin, die Pulsdauer bei konstanter Pulswiederholungsrate zu verändern. Die Pulsweitenmodulation ist in analoger, digitaler, binärer und ternärer Form verfügbar.

Durch den Einsatz der Pulsweitenmodulation lässt sich der Wirkungsgrad elektrischer Wandler steigern, insbesondere von Pulswandlern, die heute die Grundlage für die Sekundärstromversorgung verschiedener elektronischer Geräte bilden. Flyback- und Forward-Einzel-, Gegentakt- und Halbbrücken- sowie Brückenschaltwandler werden heute unter Beteiligung von PWM angesteuert, dies gilt auch für Resonanzwandler.

Mit der Pulsweitenmodulation können Sie die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristalldisplays von Mobiltelefonen, Smartphones und Laptops anpassen. PWM ist implementiert in Schweißgeräte, in Auto-Wechselrichtern, in Ladegeräten usw. Jedes Ladegerät verwendet heute in seinem Betrieb PWM.

Als Schaltelemente in modernen Hochfrequenzwandlern werden Tastmode-Bipolar- und Feldeffekttransistoren eingesetzt. Dies bedeutet, dass der Transistor für einen Teil der Zeitspanne vollständig geöffnet und für einen Teil der Zeitspanne vollständig geschlossen ist.

Und da in Übergangszuständen, die nur einige zehn Nanosekunden dauern, die vom Schalter abgegebene Leistung im Vergleich zur geschalteten Leistung gering ist, erweist sich die durchschnittliche, in Form von Wärme am Schalter abgegebene Leistung als vernachlässigbar. In diesem Fall ist im geschlossenen Zustand der Widerstand des Transistors als Schalter sehr klein und der Spannungsabfall an ihm geht gegen Null.

Im offenen Zustand liegt die Leitfähigkeit des Transistors nahe bei Null und es fließt praktisch kein Strom durch ihn. Dadurch ist es möglich, kompakte Konverter mit hohem Wirkungsgrad, also mit geringen Wärmeverlusten, zu realisieren. ZCS-Resonanzwandler (Zero Current Switching) minimieren diese Verluste.

Bei analogen PWM-Generatoren wird das Steuersignal von einem analogen Komparator erzeugt, wenn beispielsweise ein Dreieck- oder Triodensignal an den invertierenden Eingang des Komparators und ein modulierendes Dauersignal an den nichtinvertierenden Eingang angelegt wird.

Ausgangsimpulse werden empfangen rechteckig, ihre Wiederholungsrate ist gleich der Frequenz des Sägezahns (oder der Dreieckswellenform), und die Dauer des positiven Teils des Impulses hängt von der Zeit ab, während der der Pegel des modulierenden Gleichstromsignals an den nichtinvertierenden Eingang von angelegt wird Der Komparator ist höher als der Pegel des Sägesignals, das dem invertierenden Eingang zugeführt wird.Wenn die Sägespannung höher als das Modulationssignal ist, ist der Ausgang der negative Teil des Impulses.

Wenn die Säge an den nicht invertierenden Eingang des Komparators angelegt wird und das Modulationssignal an den invertierenden Eingang angelegt wird, haben die Rechteckwellen-Ausgangsimpulse einen positiven Wert, wenn die Sägespannung höher als der Wert des Modulationssignals ist wird an den invertierenden Eingang angelegt und negativ – wenn die Sägespannung niedriger als das Modulationssignal ist. Ein Beispiel für die analoge PWM-Erzeugung ist der TL494-Chip, der heute häufig beim Bau von Schaltnetzteilen eingesetzt wird.

Digitales PWM wird in der binären Digitaltechnik eingesetzt. Auch die Ausgangsimpulse nehmen nur einen von zwei Werten (ein oder aus) an und der durchschnittliche Ausgangspegel nähert sich dem gewünschten. Hier wird das Sägezahnsignal durch Verwendung eines N-Bit-Zählers gewonnen.

Digitale PWM-Geräte arbeiten ebenfalls mit einer konstanten Frequenz, die zwangsläufig die Reaktionszeit des gesteuerten Geräts überschreitet. Dieser Ansatz wird als Oversampling bezeichnet. Zwischen den Taktflanken bleibt der digitale PWM-Ausgang stabil, hoch oder niedrig, abhängig vom aktuellen Zustand des Ausgangs des digitalen Komparators, der die Pegel des Zählersignals und des ungefähren digitalen Signals vergleicht.

Der Ausgang wird als Folge von Impulsen mit den Zuständen 1 und 0 getaktet, wobei jeder Zustand des Takts umgekehrt sein kann oder nicht. Die Frequenz der Impulse ist proportional zum Pegel des sich nähernden Signals, und aufeinanderfolgende Einheiten können einen breiteren, längeren Impuls bilden.

Die resultierenden Impulse variabler Breite sind ein Vielfaches der Taktperiode und die Frequenz beträgt 1/2NT, wobei T die Taktperiode und N die Anzahl der Taktzyklen ist. Hier ist eine niedrigere Taktfrequenz erreichbar. Das beschriebene digitale Erzeugungsschema ist eine pulscodierte PCM-Modulation mit Ein-Bit- oder Zwei-Ebenen-PWM.

Diese zweistufige pulscodierte Modulation ist im Wesentlichen eine Folge von Impulsen mit einer Frequenz von 1/T und einer Breite von T oder 0. Durch Überabtastung wird über einen längeren Zeitraum gemittelt. Hochwertiges PWM wird durch pulsdichte Einzelbitmodulation, auch Pulsfrequenzmodulation genannt, erreicht.

Bei der digitalen Pulsweitenmodulation können die rechteckigen Teilimpulse, die die Periode füllen, an einer beliebigen Stelle in der Periode auftreten, und dann beeinflusst nur ihre Anzahl den Durchschnittswert des Signals für die Periode. Teilen wir also die Periode in 8 Teile, dann ergeben sich die Pulskombinationen 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 usw. ergibt den gleichen Periodendurchschnitt, aber die einzelnen Einheiten machen den Arbeitszyklus des Schlüsseltransistors höher.

Die Koryphäen der Elektronik, die von PWM sprechen, geben eine ähnliche Analogie zur Mechanik. Wenn Sie ein schweres Schwungrad mit dem Motor drehen, nachdem der Motor ein- oder ausgeschaltet werden kann, dreht sich das Schwungrad entweder und dreht sich weiter oder bleibt aufgrund der Reibung stehen, wenn der Motor ausgeschaltet ist.

Wenn der Motor jedoch einige Sekunden pro Minute eingeschaltet wird, bleibt die Drehung des Schwungrads aufgrund der Trägheit bei einer bestimmten Geschwindigkeit erhalten. Und je länger der Motor läuft, desto höher ist die Drehzahl des Schwungrads.Bei der PWM kommt also ein Ein- und Ausschaltsignal (0 und 1) zum Ausgang und das Ergebnis ist ein Durchschnittswert. Durch die Integration der Spannung der Impulse über die Zeit erhalten wir die Fläche unter den Impulsen, und die Wirkung auf den Arbeitskörper ist identisch mit der Arbeit bei einem Durchschnittswert der Spannung.

So funktionieren Konverter, bei denen die Umschaltung tausende Male pro Sekunde erfolgt und die Frequenzen Einheiten von Megahertz erreichen. Zur Ansteuerung von Vorschaltgeräten von Energiesparlampen, Netzteilen usw. werden häufig spezielle PWM-Controller eingesetzt. Frequenzumrichter für Motoren usw.

Das Verhältnis der Gesamtdauer der Pulsperiode zur Einschaltdauer (positiver Teil des Pulses) wird als Tastverhältnis bezeichnet. Wenn also die Einschaltzeit 10 μs beträgt und die Periode 100 μs dauert, beträgt das Tastverhältnis bei einer Frequenz von 10 kHz 10, und es wird geschrieben, dass S = 10. Das umgekehrte Tastverhältnis wird als Tastverhältnis bezeichnet Cycle, auf Englisch Duty Cycle oder kurz DC.

Für das gegebene Beispiel ist also DC = 0,1, da 10/100 = 0,1. Bei der Pulsweitenmodulation wird durch Anpassung des Tastverhältnisses des Pulses, also durch Änderung des Gleichstroms, der erforderliche Mittelwert am Ausgang eines elektronischen oder anderen elektrischen Geräts, beispielsweise eines Motors, erreicht.