Leistungssteuerung mit dem Mikrocontroller

Eine häufig vorkommende Aufgabe von Mikrocontrollern ist die Leistungssteuerung externer Lasten. Dies können Motoren, LEDs, Heizelemente u.a. sein. Dazu nutzt man meistens das Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM).

Dabei wird die Last in kurzen Abständen immer wieder periodisch ein- und ausgeschaltet. Dadurch lässt sich die Leistung der Last auf relativ einfache Weise steuern.

Eckdaten des PWM-Signals

Ein PWM-Signal kann durch zwei Eckdaten charakterisiert werden:

Frequenz des PWM-Signals

Das PWM-Signal (siehe Abbildung) besitzt normalerweise eine feste Frequenz f.

Aus der Frequenz f lässt sich die Periodendauer (Periode) T berechnen.

Gleichung

Die PWM-Frequenz hängt von der Anwendung ab. Moderne Leistungssteuerungen machen PWM-Frequenzen bis weit in den kHz-Bereich möglich. Viele Mikrocontroller besitzen spezielle PWM-Pins auf denen ein PWM-Signal mit einer festen Frequenz ausgegeben werden kann.

Achtung! Manchmal werden PWM-Pins auch fälschlicherweise als analoge Ausgänge bezeichnet.

Tastgrad

Das Verhältnis von Einschaltdauer t_H zur Periode T=t_H+t_L eines PWM-Signal wird als Tastgrad (engl: duty-cycle) bezeichnet.

;  Gleichung

Achtung! Der Begriff Tastverhältnis wird häufig auch verwendet, ist aber nicht genormt! Die Definition des Tastverhältnisses ist in der Literatur uneinheitlich, was zu Verwirrungen führen kann.
Daher sollte immer der genormte Begriff Tastgrad verwendet werden.

Mittelwert (Gleichwert)

Der Mittelwert (arithmetisches Mittel) wird in der Elektrotechnik auch als Gleichwert bezeichnet. Allgemein berechnet sich der Mittelwert eines PWM-Signals wie folgt:   Gleichung

In vielen Fällen ist aber der untere Spannungswert U_L=0 so, dass sich eine einfachere Formel für den Mittelwert ergibt.

Gleichung

Beispiele für die PWM-Leistungssteuerung am Mikrocontroller

Ein LED kann meistens direkt an einen Pin des Mikrocontrollers angeschlossen werden. Dieser Pin kann dann entsprechend programmiert werden so, dass er ein PWM-Signal ausgibt. Die Helligkeit der LED kann so gesteuert werden.

Viele Mikrocontroller besitzen interne PWM-Pins. Diese sind einfach zu programmieren und geben ein permanentes PWM-Signal aus. An solchen Pins ist ebenfalls eine einzelne LED dimmbar.

Größere Lasten, wie Hochleistungs-LEDs oder Elektromotoren, müssen über eine entsprechend dimensionierte Treiberstufe angesteuert werden. Das PWM-Signal für die Treiberstufe kann aber vom Mikrocontroller direkt erzeugt werden.

Messungen an PWM-Signalen

Messungen an PWM-Signalen müssen vorher gut durchdacht werden. Häufig liefern sie unerwartete Werte, was am stark schwankenden PWM-Signal liegt. Außerdem liefert ein PWM-Signal durch die steilen Flanken viele Oberwellen, die manchmal problematisch sein können.

Messung des Mittelwerts

Häufig möchte man den Mittelwert eines PWM-Signals messtechnisch erfassen. Der Mittelwert (arithmetisches Mittel) wird in der Elektrotechnik auch als Gleichwert bezeichnet.
Achtung! Gleichwert und Gleichrichtwert sind unterschiedliche Größen und dürfen nicht verwechselt werden!

Der Mittelwert eines PWM-Signals mit UL=0 lässt sich messtechnisch relativ einfach ermitteln, indem man das PWM-Signal mit einem passenden RC-Glied glättet. Die Zeitkonstante τ des RC-Gliedes sollte mindestens das 10-Fache der Periodendauer T der PWM-Grundfrequenz betragen. Dann gilt für die gemessene Spannung UC:   Gleichung Der Messwert UC entspricht also dem Mittelwert des PWM-Signals.

Die mathematische Herleitung dieses Sachverhalts findet man hier: