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Was ist eigentlich PWM?
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PWM ist das Kürzel für “Puls-Wide-Modulation”, oder zu Deutsch Pulsweitenmodulation. Das Prinzip der PWM wird hauptsächlich in der Gleichstromtechnik angewandt, und zwar allgemein bei Dimm-
und Zerhackvorgängen. Doch was nützt das einem?
Da bei der Dimmung von Lampen und Motoren in der Wechselstromtechnik einfache Grundschaltungen vorhanden sind, die auf Phasenanschnitt etc. basieren, und bei Gleichspannung im einfachsten
Fall nur eine Längsregelung realisierbar ist, bei der ein oder mehrere Transistoren als regelbare ‘Widerstände’ fungieren (die im Bereich der Leistungselektronik sehr verlustbehaftet sind), wurde nach
einer Möglichkeit gesucht, mit anderen Mitteln eine Gleichspannung zu dimmen. Als einfachstes und effizientes Prinzip wurde dann die Pulsweitenmodulation ins Leben gerufen.
Das Prinzip der PWM basiert auf einem Schalter, der mit fester Taktfrequenz lediglich die Einschaltdauer variiert. So entsteht ein Tastverhältnis, das im einfachsten Fall stellvertretend für
die Ausgangsleistung steht. (Ist das An/Aus-Verhältnis 1:9, so erhält die Last 10% der Maximalleistung. Bei 75:25 sind das schon 75%, usw...) Die Taktfrequenz selber kann je nach Anforderungen zwischen
wenigen Hz bis hin zu einigen MHz betragen. In der Digitalendstufentechnik sind weitaus höhere Frequenzen vorhanden...
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Geeignete Schaltglieder:
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Durch das reine Schalten entstehen im Idealfall keine Verluste am Schaltglied. In der Realität sieht es schon anders aus. Noch vor 20Jahren gab es keinerlei elektronische Schaltglieder, die
im Bereich der Leistungselektronik diese Funktion des An- und Ausschaltens verlustfrei managen konnten. Die damaligen Transistoren waren nicht stark genug. Realisiert wurden erstmals solche Schalter mit
der Thyristor und GTO-Technik. (GTO=Abschaltbare Thyristoren) Doch seit einigen Jahren wurden vermehrt Entwicklungen in der MOS-FET-Technik getätigt. So gibt es heute POWER-MOS-Transistoren, die nahezu verlustfrei angesteuert werden können, und als Schalter sehr geringe Verluste auch bei hohen Strömen (bis ca. 50.000A!!) besitzen. Auch
die neueren IGBT-Bauteile sind leistungsstärker und spannungsfester geworden.
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Generierung des PWM-Steuersignals:
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Doch auch ein guter Schalter kann nicht Dimmen, wenn er nicht richtig angesteuert wird. Dazu ist eine elektronische Steuerung notwendig. Im einfachsten Fällen kann man ein PWM-Moduliertes
Signal mit einer Astabilen Kippstufe realisieren, bei der mittels einem Poti oder anderen beeinflussenden Bauteilen die Schwingungsverhältnisse geändert werden. Anspruchsvollere Schaltungen arbeiten mit
Komparatoren (=OP), die als Vergleicher einmal ein Dreiecksignal und ein Gleichspannungssignal (Steuerspannung) vergleichen (=>siehe Skizze). Je nach Höhe der Steuerspannung wird dann am Ausgang des
OP’s ein Rechtecksignal gebildet, das mit der Steuerspannung verändert werden kann. (Konstruktive Möglichkeiten werden demnächst hier vorgestellt.) Es gibt auch spezielle IC’s, die eine PWM-Modulation
selbständig vornehmen, und je nach Beschaltung auch Ströme und Spannungen gleich mit ausregeln. Nebenbei erwähnt sind auch neuere Microkontroller in der Lage, Hardwaremässig ein PWM-Signal zu generieren
- so z.B. die PIC 16F87X-Reihe.
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Das Prinzip der PWM-Steuersignalgenerierung mit einem OP
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Anwendungsgebiete der PWM:
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Angewandt wird die PWM hauptsächlich im Gleichspannungsbereich der Leistungselektronik, also da, wo es hohe Leistungen möglichst verlustfrei zu dimmen gibt. Weitere Einsatzgebiete sind im
Bereich der DC/DC-Wandlung (Schaltnetzteile) und in Umrichtern (GS/WS und GS/DS)
Gedimmt werden können mit diesem Verfahren:
- Ohmschen Lasten (Lampen, Widerstände)
- Induktivitäten/ Induktive Lasten (Motoren, Trafos => größerer Aufwand!)
- Kapazitive Lasten (Nur über Drosseln!!! => z.B. bei Wandlern)
Siehe auch:
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