Duty cycle

Der Tastgrad ist der Anteil der Zeit, den ein Signal, ein Schalter oder ein Gerät während eines sich wiederholenden Zyklus im aktiven Zustand verbringt. Bei einer Rechteckwelle oder einem Impulszug wird er als Prozentsatz ausgedrückt: die Zeit, in der das Signal hoch ist, geteilt durch die Gesamtperiode, multipliziert mit 100. Ein Tastgrad von 50% bedeutet, dass das Signal die halbe Periode eingeschaltet ist und die andere Hälfte ausgeschaltet. Ein Tastgrad von 75% bedeutet, dass es drei Viertel der Zeit eingeschaltet ist. Diese Kennzahl gilt für Taktsignale, PWM-Ausgänge, Relaisschaltung, Solenoidbetätigung und jede intermittierende Last.

Der Tastgrad ist grundlegend für die Pulsweitenmodulation (PWM), die Standardtechnik zur Steuerung der Leistungsabgabe in Motorantrieben, LED-Helligkeit und Schaltnetzteilen. Durch Variation des Tastgrads einer Rechteckwelle mit fester Frequenz ändert sich die durchschnittliche Spannung oder der durchschnittliche Strom zur Last, ohne dass Energie als Wärme verschwendet wird. Ein Motor, der von einem 25-kHz-PWM-Signal mit 60% Tastgrad angesteuert wird, erhält dieselbe durchschnittliche Leistung wie ein Motor mit konstanter proportionaler Spannung, aber mit niedrigeren Schalterverlusten und besserer Steuerungsauflösung.

Temperatur und Komponentenlebensdauer

Der Tastgrad beeinflusst direkt die thermische Belastung und die Lebensdauer der Komponenten. Ein Relais oder Solenoid im kontinuierlichen Betrieb mit 100% Tastgrad erzeugt konstante Wärme und verschleißt durch Wärmewechsel und mechanische Ermüdung. Dasselbe Gerät im 30%-Betrieb hat Zeit zum Abkühlen zwischen den Aktivierungen und hat eine deutlich längere Lebensdauer. Elektrolytkondensatoren in Netzteilen verschleißen schneller unter kontinuierlichem hohem Strom als unter intermittierender Last mit gleichem durchschnittlichem Strom. Hersteller geben sowohl kontinuierliche als auch intermittierende Nennwerte an; der Tastgrad ist die Brücke zwischen ihnen.

Der Tastgrad wird mit einem Oszilloskop oder einem Messgerät mit Pulsmessfunktion gemessen. Bei einer einfachen Rechteckwelle wird die Pulsbreite (die Zeit, in der das Signal hoch ist) durch die Periode (die Zeit von einer ansteigenden Flanke zur nächsten) geteilt. Das Ergebnis wird in älteren Geräteunterlagen oft als Mark-Space-Verhältnis bezeichnet. In der Praxis ist der Tastgrad selten vollkommen stabil; Welligkeit, Jitter und Komponententoleranz erzeugen kleine Schwankungen, die normalerweise nur bei Präzisions-Zeitmessungen oder hochfrequenten Anwendungen von Bedeutung sind.

Der Begriff stammt aus mechanischen Systemen, wo der Tastgrad den Anteil der Zeit beschrieb, in dem eine Maschine unter Last war. Das Konzept wurde direkt auf die Elektronik übertragen: ein Gerät unter elektrischer Last (die Aufgabe) während eines Teils seines Betriebszyklus. Heute ist es essentielles Vokabular in jedem Bereich, in dem Leistung geschaltet wird, anstatt kontinuierlich zur Verfügung zu stehen, von der Fabrikautomation über Unterhaltungselektronik bis zur Luft- und Raumfahrt.