Wechselrichter, Wandler, SMPS-Schaltkreise und Drehzahlregler… Eine Sache, die in all diesen Schaltkreisen gemeinsam ist, ist, dass sie aus vielen elektronischen Schaltern besteht. Diese Schalter sind nichts anderes als leistungselektronische Geräte wie MOSFET, IGBT, TRIAC usw. Um solche leistungselektronischen Schalter zu steuern, verwenden wir üblicherweise sogenannte PWM-Signale (Pulsweitenmodulation). Abgesehen davon werden PWM-Signale auch zum Antreiben von Servomotoren und für andere einfache Aufgaben wie die Steuerung der Helligkeit einer LED verwendet.
In unserem vorherigen Artikel haben wir etwas über ADC gelernt, während ADC zum Lesen von analogen Signalen von einem digitalen Gerät wie einem Mikrocontroller verwendet wird. Eine PWM kann als genaues Gegenteil davon betrachtet werden. PWM wird verwendet, um analoge Signale von einem digitalen Gerät wie einem Mikrocontroller zu erzeugen. In diesem Artikel erfahren Sie, was PWM, PWM-Signale und einige damit verbundene Parameter sind, damit wir sicher sein können, sie in unseren Entwürfen zu verwenden.
Was ist PWM (Pulsweitenmodulation)?
PWM steht für Pulse Width Modulation; Wir werden später auf den Grund für einen solchen Namen eingehen. Im Moment verstehen wir PWM jedoch als eine Art Signal, das von einem digitalen IC wie einem Mikrocontroller oder einem 555-Timer erzeugt werden kann. Das so erzeugte Signal hat eine Folge von Impulsen und diese Impulse haben die Form einer Rechteckwelle. Das heißt, zu jedem Zeitpunkt ist die Welle entweder hoch oder niedrig. Zum besseren Verständnis betrachten wir ein 5-V-PWM-Signal. In diesem Fall beträgt das PWM-Signal entweder 5 V (hoch) oder 0 V (niedrig). Die Dauer, bei der die Signale hoch bleiben, wird als " Einschaltzeit " bezeichnet, und die Dauer, bei der das Signal niedrig bleibt, wird als " Ausschaltzeit " bezeichnet.
Für ein PWM-Signal müssen zwei wichtige Parameter betrachtet werden, von denen einer das PWM-Tastverhältnis und der andere die PWM-Frequenz ist.
Arbeitszyklus der PWM
Wie bereits erwähnt, bleibt ein PWM-Signal für eine bestimmte Zeit eingeschaltet und bleibt dann für den Rest des Zeitraums ausgeschaltet. Was dieses PWM-Signal besonders und nützlicher macht, ist, dass wir einstellen können, wie lange es eingeschaltet bleiben soll, indem wir den Arbeitszyklus des PWM-Signals steuern.
Der Prozentsatz der Zeit, in der das PWM-Signal HIGH (Einschaltzeit) bleibt, wird als Arbeitszyklus bezeichnet. Wenn das Signal immer eingeschaltet ist, befindet es sich in einem Tastverhältnis von 100% und wenn es immer ausgeschaltet ist, ist es ein Tastverhältnis von 0%. Die Formeln zur Berechnung des Arbeitszyklus sind unten gezeigt.
Arbeitszyklus = Einschaltzeit / (Einschaltzeit + Ausschaltzeit)
Das folgende Bild zeigt ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis von 50%. Wie Sie sehen können, bleibt das PWM-Signal unter Berücksichtigung eines gesamten Zeitraums (Einschaltzeit + Ausschaltzeit) nur für 50% des Zeitraums eingeschaltet.
Frequenz = 1 / Zeitraum Zeitraum = Einschaltzeit + Ausschaltzeit
Normalerweise liegen die vom Mikrocontroller erzeugten PWM-Signale bei etwa 500 Hz. Solche hohen Frequenzen werden in Hochgeschwindigkeitsschaltgeräten wie Wechselrichtern oder Wandlern verwendet. Nicht alle Anwendungen erfordern jedoch eine hohe Frequenz. Zum Steuern eines Servomotors müssen beispielsweise PWM-Signale mit einer Frequenz von 50 Hz erzeugt werden, sodass die Frequenz eines PWM-Signals auch programmgesteuert für alle Mikrocontroller gesteuert werden kann.
Einige häufig auftretende Fragen zu PWM
Was ist der Unterschied zwischen dem Arbeitszyklus und der Frequenz eines PWM-Signals?
Das Tastverhältnis und die Frequenz eines PWM-Signals werden häufig verwechselt. Wie wir wissen, ist ein PWM-Signal eine Rechteckwelle mit einer bestimmten Ein- und Ausschaltzeit. Die Summe aus Einschaltzeit und Ausschaltzeit wird als eine Zeitspanne bezeichnet. Die Umkehrung einer Zeitperiode wird Frequenz genannt. Während die Zeitdauer, in der das PWM-Signal in einem Zeitraum eingeschaltet bleiben soll, durch den Arbeitszyklus der PWM bestimmt wird.
Um es einfach auszudrücken: Wie schnell das PWM-Signal ein- und ausgeschaltet werden soll, hängt von der Frequenz des PWM-Signals ab. Wie lange das PWM-Signal in dieser Geschwindigkeit eingeschaltet bleiben soll, hängt vom Arbeitszyklus des PWM-Signals ab.
Wie wandle ich PWM-Signale in analoge Spannung um?
Für einfache Anwendungen wie die Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors oder die Einstellung der Helligkeit einer LED müssen die PWM-Signale in analoge Spannung umgewandelt werden. Dies kann einfach mithilfe eines RC-Filters erfolgen und wird häufig verwendet, wenn eine DAC-Funktion erforderlich ist. Die Schaltung dafür ist unten gezeigt
In der oben gezeigten Grafik ist die gelbe Farbe das PWM-Signal und die blaue Farbe die analoge Ausgangsspannung. Der Wert des Widerstands R1 und des Kondensators C1 kann basierend auf der Frequenz des PWM-Signals berechnet werden, normalerweise werden jedoch ein 5,7K- oder 10K-Widerstand und ein 0,1u- oder 1u-Kondensator verwendet.
Wie berechnet man die Ausgangsspannung des PWM-Signals?
Die Ausgangsspannung eines PWM-Signals nach der Umwandlung in ein analoges Signal ist der Prozentsatz des Arbeitszyklus. Wenn beispielsweise die Betriebsspannung 5 V beträgt, hat das PWM-Signal auch 5 V, wenn es hoch ist. In einem solchen Fall beträgt die Ausgangsspannung für ein Tastverhältnis von 100% 5 V, für ein Tastverhältnis von 50% 2,5 V.
Ausgangsspannung = Arbeitszyklus (%) * 5
Beispiele:
Wir haben zuvor in vielen unserer Projekte PWM mit verschiedenen Mikrocontrollern verwendet:
- Pulsweitenmodulation mit ATmega32
- PWM mit Arduino Uno
- PWM mit PIC Microcontroller generieren
- Raspberry Pi PWM Tutorial
- Servomotorsteuerung mit Raspberry Pi
- Pulsweitenmodulation (PWM) mit MSP430G2
- Pulsweitenmodulation (PWM) in STM32F103C8
- Servomotorsteuerung mit Raspberry Pi
- Gleichstrommotorsteuerung mit Raspberry Pi
- 1 Watt LED Dimmer
- Arduino-basierter LED-Dimmer mit PWM
Weitere PWM-bezogene Projekte finden Sie hier.