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PWM (Pulsweitenmodulation)

PWM ist ein digitales Standardverfahren in der Regelungstechnik zur Steuerung und Leistungsübertragung. Industriekameras von SVS-Vistek nutzen es zur Leistungsregelung von LED Beleuchtungseinheiten

Kompakte
Leistungsregulierung

Die stufenlose Regelung hoher Leistungen war in der Vergangenheit immer mit großer Wärmeentwicklung und entsprechend großen Kühlkörpern verbunden. Mit PWM können hohe elektrische Leistungen mit sehr niedrigen Schaltverlusten geregelt werden. So kann z. B. eine Kamera von SVS-Vistek auch direkt einen Blitz mit hoher Leistung steuern

Kameras mit PWM output (228)

Analoge Regelungstechnik

Anmerkung: Dieser Artikel konzentriert sich auf den Aspekt Leistungsübertragung und behandelt nicht die Informationsübertragung mit Hilfe von modulierter PWM.

In analoger Schaltungstechnik wird Strom mit Hilfe eines Längswiderstandes (oder Leistungstransistor) begrenzt. Dabei entsteht am Widerstand eine Spannungsabfall. Die Verlustleistung berechnet sich mit P = U * I. Die dabei entstehende Verlustleistung kann beträchtlich sein.

Soll zum Beispiel ein 12V, 20W LED Verbraucher auf 50% seiner Leistung begrenzt werden, so müssen mit analoger Regelungstechnik an dem Vorwiderstand 10W an Verlustleistung abgeführt werden. Um diese Verlustleistung zu vermeiden, wird PWM eingesetzt.

Digitale Leistungsregelung mit PWM (ohmsche Last)

Die digitale Zustandsregelung bei PWM kennt nur die Schaltzustände ON und OFF. Bei OFF ist der Stromfluß gesperrt, bei ON ist die Leitung offen. Es liegt immer die maximale Spannung am PWM Ausgang.
Da der Stromdurchfluss bei OFF gleich 0 ist, entsteht auch keine Verlustleistung. Bei ON entsteht nur ein minimaler Spannungsabfall (abhängig von der Flussspannung des Leistungstransistors). Bein OFF wird also 0% Leistung abgegeben, bei ON wird 100% Leistung abgegeben. Die Frequenz ist bei PWM konstant. Die abgegebene Leistung bemisst sich nach der Zeit Ton oder Ton /( Ton+Toff). Eine 50% Leistungsabgabe bedeutet also dass die Hälfte der Zeit ON ist und die andere Hälfte OFF.

Die abgegebene Leistung entspricht dem Integral über die Zeitkonstante.

PWM Signal mit unterschiedlicher Leistungsabgabe. Trägerfrequenz (Zeitkonstante) bleibt unverändert

Vergleich zu analoger Regelung (Längsregler)

Der Vorteil der PWM Regelung besteht arin, dass Stromfluss entweder komplett unterbunden wird (hier fällt kein Leistungsverlust am Transistor an) oder daß er komplett durchgeschaltet wird (der Leistungsverlust am Transistor ist minmal). Demzufolge können auch große Lasten bei sehr niedrigem Leistungsverlust geregelt werden.

Im Vergleich dazu fällt bei einem traditionellen Längsregler ungleich mehr Leistung als Verlust (respektive Wärme) an, die dann durch Kühlung abgeführt werden muß.

Nachteile von PWM

Eigentlich gibt es nur 2 Nachteile von PWM, die können jedoch den Einsatz von PWM in bestimmten Situationen verbieten:

  • Der Stromfluss ist nicht ununterbrochen, weil er durch die Regeleung immer wieder auf den Nullwert unterbrochen wird (sofern er nicht bei 100% ist). Viele Hardware Devices benötigen ununterbrochene Strom- und Spannungsverläufe
  • Die Modulation mit einem Rechteck führt zur Abstrahlung multipler Radiofrequenzen.

Man versucht oftmals durch Steigerung der Frequenz (Verringerung der Zeitkonstante) eine gute Signalauflösung und quasi-ununterbrochene Spannungspegel zu erzeugen. Je höher die Frequenz, desto höher sind die Verluste durch Abstrahlung.

Die Effizienz eines PWM Reglers wird massgeblich durch das an dem Leistungstransistor anfallende Spannunsdelta Emitter-Kollektor oder Source-Drain und der Sauberkeit der Rechteckfunktion bestimmt (je kleiner, desto besser). Je höher die Frequenz, desto basser die Auflösung. Je unsauberer das Rechteck (hängt an den Transistoreigenschaften oder Preis), desto mehr Leistungsverlust durch (Ab-)Wärme. Je sauberer das Rechteck, desto mehr elektromagnetische Abstrahlung. Demzufolge ist ist jeder PWM Regler auch ein Kompromiss aus diesen sich oft in der Praxis widersprechenden Vorgaben.