Leistungselektronik Grundlagen Pulsweitenmodulation

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Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist ein nützliches Werkzeug zur Steuerung von elektrischen Signalen und Leistungen. Die Anwendung reicht von der Motorsteuerung bis zur digitalen Signalverarbeitung. Dieser Artikel beleuchtet die technischen Hintergründe, Herausforderungen und Anwendungsbereiche der PWM.

Die PWM basiert auf der Idee, ein Rechtecksignal zu erzeugen, bei dem das Verhältnis zwischen Ein- und Aus-Zustand, die sogenannte Duty Cycle, variiert wird. Die Frequenz des Signals bleibt dabei konstant. Lediglich die Breite der Impulse wird verändert.

Duty Cycle

Die zentrale Kennzahl der PWM ist der Duty Cycle. Er beschreibt das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer.

Hierbei steht t_on​ für die Einschaltdauer und T für die Periodendauer.

Flankensteilheit

Die Flankensteilheit, also die Anstiegszeit, mit der das Signal zwischen Ein- und Aus-Zustand wechselt, gilt als kritischer Parameter der PWM. Eine hohe Flankensteilheit ermöglicht zwar eine präzisere Signalübergänge und somit eine genauere Leistungskontrolle, erzeugt jedoch hochfrequente Oberwellen, die über das Grundsignal hinausgehen und unerwünschte elektromagnetische Störungen (EMV) verursachen können. Zudem verändert die Flankensteilheit in Leistungselektronik-Anwendungen die Schaltverluste in Halbleiterbauelementen. In Motorsteuerungen führen steile Flanken zu einer stärkeren Belastung der Isolation der Wicklungen. Dies kann die Lebensdauer des Motors reduzieren, falls die Isolation nicht ausreichende gewählt wurde.

PWM und EMV

Die PWM kann erhebliche Auswirkungen auf die elektromagnetische Verträglichkeit haben. Schnelle Änderungen erzeugen hohe elektromagnetische Felder, welche Störungen in benachbarten Systemen verursachen. Hier werden hochfrequente Oberwellen der PWM als Störsignale abgestrahlt. Außerdem treten häufig Gleichtaktstörungen auf. Diese entstehen durch asymmetrische Ströme und koppeln über Masseleitungen oder Abschirmungen ein. PWM-Signale koppeln hauptsächlich über zwei Mechanismen in benachbarte Leiterbahnen ein. Durch kapazitive und induktive Kopplung.

Kapazitive Kopplung entsteht, wenn zwei Leitungen nahe beieinander verlaufen. Die schnellen Spannungsänderungen (du/dt) einer PWM-Leitung erzeugen elektrische Felder, die in benachbarten Leitungen Spannungen induzieren können. Induktive Kopplung hingegen wird durch die magnetischen Felder verursacht, die durch den Stromfluss in einer PWM-Leitung erzeugt werden. Diese Felder können in benachbarten Leitungen Ströme induzieren, insbesondere wenn der Strom schnell wechselt (hohes di/dt).

Leistungselektronik Grundlagen

Zero-Voltage-Switching

Einsatzzwecke

Ein bedeutendes Einsatzgebiet ist die Motorsteuerung, bei der PWM zur präzisen Regelung von Gleich- und Drehstrommotoren verwendet wird. Durch die Variation des Duty Cycles kann die Drehzahl der Motoren exakt gesteuert werden.

Ein weiteres wichtiges Einsatzfeld ist die Beleuchtungssteuerung. Moderne LED-Treiber nutzen PWM zur Helligkeitsregelung. Da PWM eine verlustarme Methode darstellt, lassen sich Energieverluste bei der Steuerung auf ein Minimum reduzieren.

Auch in der Spannungsregelung und bei DC-DC-Wandlern wird PWM eingesetzt, um die Ausgangsspannung präzise zu steuern. Hier überzeugt die Methode durch ihre hohe Regelgenauigkeit und Effizienz, was sie für viele elektronische Schaltungen unverzichtbar macht.

In Audioanwendungen, insbesondere in Class-D-Verstärkern, spielt die PWM ebenfalls eine wichtige Rolle. Hier werden analoge Signale mit einem Komparator und einem Dreiecksignal in ein PWM Signal gewandelt und verstärkt. Anschließend werden die PWM-Impulse über Tiefpassfilter in das ursprüngliche Audiosignal zurückgewandelt, wodurch ein verstärktes, analoges Signal übrig bleibt.  (mr)

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