PWM

Pulsweitenmodulation ist eine Regeltechnik, die ein Leistungssignal schnell zwischen An- und Aus-Zustand umschaltet. Das Verhältnis der Einschaltzeit zur gesamten Zykluszeit bestimmt die durchschnittliche Spannung oder den Strom an der Last. Ein PWM-Signal mit 100 kHz und 75 Prozent Tastgrad schaltet beispielsweise drei Viertel jedes Zyklus ein und ein Viertel aus, was eine Durchschnittsausgabe von 75 Prozent der Versorgungsspannung ergibt.

Die Frequenz und der Tastgrad sind die zwei entscheidenden Parameter. Die Frequenz muss hoch genug sein, damit die Last einen stabilen Durchschnittswert erfährt und nicht flimmert; die meisten industriellen Anwendungen nutzen Frequenzen zwischen 4 kHz und 20 kHz, um oberhalb des Hörbereichs zu bleiben und Schaltverluste zu minimieren. Der Tastgrad wird in Prozent angegeben und ist das, was das Regelsystem tatsächlich variiert, um die Leistungsabgabe zu steuern.

Gleichstrommotor-Drehzahlregelung ist die häufigste Anwendung: Das Ändern des Tastgrads verändert die Durchschnittsspannung zur Motorwicklung, ohne große ohmsche Verluste zu verursachen. Die Helligkeitsregelung von LEDs nutzt das gleiche Prinzip; das menschliche Auge integriert das An-Aus-Flimmern in die wahrgenommene Helligkeit. Netzteile und Class-D-Audioverstärker nutzen PWM, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, indem sie Schaltelemente vollständig ein- oder ausgeschaltet halten und die Wärmeerzeugung während Übergängen minimieren.

Die Technik erfordert ein Schaltelement, üblicherweise ein MOSFET oder IGBT, das schnelle An-Aus-Zyklen mit minimalem Energieverschleiß beherrscht. Der Regelkreis muss ein Referenzsignal (normalerweise eine Rampen- oder Sägezahnwelle) erzeugen und es gegen ein Befehlssignal vergleichen; überall dort, wo der Befehl die Rampe überschreitet, schließt der Schalter. Dieser Vergleich erzeugt natürlicherweise PWM-Ausgabe, da Frequenz und Tastgrad dem Eingangssignal folgen.

PWM-Regler sind in Motorantrieben, LED-Treibern, Schaltreglern und industriellen Umrichtern zu finden. Ihr Wirkungsvorteil gegenüber Linearreglern und Stellwiderständen macht sie unverzichtbar für Anwendungen mit strikter Thermalkontrolle oder Batteriebetrieb. Das Schaltgeräusch, das sie erzeugen, erfordert sorgfältige Filterung und PCB-Layout, um elektromagnetische Störungen zu verhindern.