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Pulsweitenmodulation(PWM)

Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist ein effektives Verfahren zur Steuerung elektrischer Motoren und anderer Lasten, das auf dem Prinzip des schnellen Ein- und Ausschaltens basiert. Diese Technik ermöglicht eine effiziente und präzise Leistungskontrolle und hat sich in zahlreichen Anwendungen bewährt. 

Modulation ist der Prozess, bei dem ein Signal in seiner Amplitude, Frequenz oder Phase verändert wird. Bei der Pulsweitenmodulation bezieht sich der Begriff „Modulation“ jedoch nicht auf die klassische Signalübertragung wie bei der Amplitudenmodulation (AM) oder Frequenzmodulation (FM), sondern ausschließlich auf die Pulsweite.

Das Grundprinzip der PWM besteht darin, die Breite der Pulse eines digitalen Signals zu modulieren, um die durchschnittliche Leistung an einem Lastgerät, wie einem Motor oder einer Lampe, zu steuern. Dies geschieht durch die Variation des Zeitraums, in dem das Signal „ein“ (high) ist, im Vergleich zu dem Zeitraum, in dem es „aus“ (low) ist. Durch das schnelle Ein- und Ausschalten des Signals wird die durchschnittliche Leistung beeinflusst, die an die Last geliefert wird. Der Durchschnittswert der Leistung hängt vom Verhältnis der Einschaltzeit zur Gesamtzeit ab.

Im Gegensatz zur analog gesteuerten Regelung, bei der die Spannung kontinuierlich angepasst wird, variiert PWM die Spannung nicht direkt. Bei der analogen Steuerung kann die Spannung zwischen 0 V und einer maximalen Spannung schwanken, was ineffizient ist, da Widerstandsverluste zunehmen, wenn die Spannung geregelt wird. Zudem sind analoge Signale anfälliger für Rauschen und Störungen.

Die Hauptkomponenten des PWM-Signals sind der Duty Cycle, die Frequenz und die Periode. Der Duty Cycle beschreibt das Verhältnis zwischen der Zeit, in der das Signal „ein“ ist, und der Gesamtzeit des PWM-Zyklus. Ein Duty Cycle von 100 % bedeutet volle Leistung, während 0 % Inaktivität bedeutet. Bei 50 % ist das Signal für die Hälfte der Zeit hoch und für die andere Hälfte niedrig. Die Frequenz gibt an, wie oft der PWM-Puls wiederholt wird und kann je nach Anwendung variieren. Eine höhere Frequenz ermöglicht eine feinere Kontrolle über die Leistung. Die Periode ist die gesamte Zeit für einen vollständigen Zyklus des PWM-Signals, bestehend aus der Dauer des „ein“-Zustands und des „aus“-Zustands.

In der Elektromotorsteuerung bietet PWM mehrere Vorteile. Durch Änderungen des Duty Cycles kann die durchschnittliche Spannung, die an den Motor angelegt wird, geregelt werden, was eine präzise Geschwindigkeitsregelung ermöglicht. Ein höherer Duty Cycle führt zu einer höheren durchschnittlichen Spannung und somit zu einer höheren Motorgeschwindigkeit. Zudem sind PWM-Steuerungen effizienter als einfache Widerstandsregelungen, da sie Energieverluste minimieren, die als Wärme erzeugt werden. Der Transistor in der PWM-Steuerung schaltet nur während der Ein-Phasen vollständig ein. In Kombination mit H-Brücken kann PWM auch zur Steuerung der Drehrichtung von Gleichstrommotoren verwendet werden.

Die Generierung von PWM-Signalen erfolgt üblicherweise durch Mikrocontroller, Timer-ICs oder spezielle PWM-Controller-ICs. Der Mikrocontroller kann den Duty Cycle dynamisch anpassen, um auf Veränderungen im Systemzustand zu reagieren. Oft wird das PWM-Signal nicht direkt an den Motor, sondern an einen Leistungstransistor oder einen Motorcontroller gesendet, der größere Ströme handhaben kann. Diese Schaltungsteile reagieren schnell auf das PWM-Signal und regeln den Strom für den Motor entsprechend.