PWM

Die Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet ein Verfahren zur Veränderung des Mittelwerts einer Spannung. Die PWM wird u. A. zur Ansteuerung von Schaltern in der Leistungselektronik eingesetzt. Dabei werden Spannungspulse unterschiedlicher Dauer und konstanter Höhe erzeugt. Die folgende Abbildung zeigt ein PWM-Signal als Beispiel:

Eine PWM-Spannung weist folgende Parameter auf:

1. Die maximale Spannung und die minimale Spannung beschreiben die beiden Spannungswerte, die eine PWM-Spannung annehmen kann. Im oberen Beispiel beträgt die maximale Spannung 5V und die minimale Spannung 0V. Die maximale Spannung wird auch als HIGH-Pegel und die untere als LOW-Pegel bezeichnet.

2. Die PWM-Frequenz gibt an, wie schnell Pulse aufeinander folgen. Ein LOW-Pegel mit anschließendem HIGH-Pegel (oder anders herum) entspricht der Periodendauer eines Pulses. In der Abbildung oben beträgt die Periodendauer T = 10µs. Das entspricht einer PWM-Frequenz von f = 1 / T = 100kHz.

3. Der Duty-Cycle gibt an, wie hoch der Anteil des High-Pulses an der Periodendauer ist. In der oberen Abbildung beträgt der Duty-Cycle 50%, denn der High-Puls dauert genauso lang wie der LOW-Puls. Bei einem Duty-Cycle von 100% liegen dauerhaft 5V an.

4. Rise-Time und Fall-Time beschreiben die Dauer der Flanken der Spannungsänderung. In der Abbildung oben ändert sich die Flanke von LOW auf HIGH innerhalb von 0,1µs. Diese Dauer bezeichnen wir als Rise-Time. Die Fall-Time beschreibt die Dauer der Flanke im Übergang von HIGH auf LOW. Sie ist oft genauso lang wie die Rise-Time. Je höher die PWM-Frequenz gewählt wird, desto kleiner müssen die beiden Schaltzeiten sein.

Mittelwert der PWM-Spannung

Der zeitliche Mittelwert einer PWM-Spannung wird aus dem Integral der Spannung über der Zeit berechnet. Er kann über die Flächen bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Im oberen Beispiel beträgt der Mittelwert 2,5V, weil über die gleiche Zeitdauer jeweils 0V und 5V anliegen. Betrachten wir zur Veranschaulichung ein weiteres Beispiel:

In diesem Beispiel beträgt die PWM-Spannung 100V, die PWM-Frequenz 100Hz und der Duty-Cycle 25%. Rise- und Fall-Time betragen jeweils 100µs. Der Mittelwert der Spannung beträgt 25V. Die Länge des HIGH-Pulses (Duty-Cycle) beträgt 25% der Periodendauer. Die Fläche unter der Spannung des HIGH-Pulses entspricht 1 / 4 der Gesamtfläche. Deshalb ist der Mittelwert der Spannung 25% der PWM-Spannung. Man kann den Mittelwert einfacher grafisch als mathematisch bestimmen.

Als PWM-Betrieb einer Halbbrücke bezeichnen wir das alternierende Schalten der beiden Schalter. Dabei ist immer ein Schalter offen und der andere geschlossen. Die Ausgangsspannung wechselt zwischen 0V und der Eingangsspannung. Eine Halbbrücke kann also dazu verwendet werden, eine PWM-Spannung aus einer Gleichspannung zu erzeugen.

Der Mittelwert der PWM-Spannung einer Halbbrücke kann jeden Wert zwischen 0V und der Eingangsspannung annehmen. Wir variieren dafür einfach den Duty-Cycle der PWM. Je höher der Anteil des HIGH-Pegels an einer Periode des Signals ist, desto höher ist der Mittelwert der Ausgangsspannung. Der Mittelwert ist am Ende entscheidend für die weitere Verarbeitung der Ausgangsspannung der Halbbrücke.

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