Pulsweitenmodulation (PWM) ist ein Fachbegriff für eine Art digitales Signal. PWMs werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, unter anderem in komplexen Steuerschaltungen. Bei SparkFun nutzen wir sie beispielsweise zum Dimmen einer RGB-LED oder zum Steuern der Servorichtung. In beiden Anwendungen lassen sich vielfältige Ergebnisse erzielen, da PWM es uns ermöglicht, die Dauer des High-Pegels eines Signals analog zu variieren. Obwohl ein Signal zu jedem Zeitpunkt entweder High (üblicherweise 5 V) oder Low (Masse) sein kann, können wir das Verhältnis der High- zur Low-Phase über ein bestimmtes Zeitintervall verändern.
Tastverhältnis
Wenn ein Signal auf hohem Pegel ist, sprechen wir von „Einschaltzeit“. Um die Dauer dieser Einschaltzeit zu beschreiben, verwenden wir das Tastverhältnis. Das Tastverhältnis wird in Prozent angegeben. Es beschreibt den prozentualen Anteil der Zeit, in der ein digitales Signal innerhalb eines Intervalls oder einer Periode aktiv ist. Die Periode ist der Kehrwert der Frequenz des Signals. Ist ein digitales Signal die Hälfte der Zeit aktiv und die andere Hälfte inaktiv, spricht man von einem Tastverhältnis von 50 %, ähnlich einer idealen Rechteckwelle. Bei einem Tastverhältnis über 50 % verbringt das digitale Signal mehr Zeit im aktiven Zustand als im passiven Zustand, und umgekehrt, wenn das Tastverhältnis unter 50 % liegt. Das folgende Diagramm veranschaulicht diese drei Fälle:
Ein Tastverhältnis von 100 % entspricht einer Spannung von 5 Volt (Hochpegel). Ein Tastverhältnis von 0 % entspricht einer Verbindung des Signals mit Masse.
Beispiel
Die Helligkeit der LED lässt sich durch Anpassen des Tastverhältnisses steuern.
Mit RGB-LEDs (rot, grün und blau) kann man den Anteil jeder der drei Farben durch unterschiedliche Dimmstufen steuern.
Wenn alle drei Farben gleich stark eingeschaltet sind, entstehen verschiedene Weißtöne. Die gleiche Mischung aus Blau und Grün ergibt einen bläulich-grünen Farbton. Ein etwas komplexeres Beispiel: Schalten Sie Rot vollständig ein, Grün mit 50 % Einschaltdauer und Blau vollständig aus, um einen orangen Farbton zu erzeugen.
Bei der Ansteuerung von LEDs muss die Frequenz der Rechteckwelle hoch genug sein, um einen effektiven Dimm-Effekt zu erzielen. Eine Welle mit 20 % Tastverhältnis bei 1 Hz zeigt das Ein- und Ausschalten deutlich an, während eine Welle mit 100 % Tastverhältnis bei 20 Hz oder höher dunkler erscheint als im voll eingeschalteten Zustand. Kurz gesagt: Wenn Sie mit LEDs einen Dimm-Effekt erzielen möchten, darf die Periodendauer nicht zu groß sein. Sie können Pulsweitenmodulation (PWM) auch verwenden, um den Winkel eines Servomotors zu steuern, der an ein mechanisches Gerät wie einen Roboterarm angeschlossen ist. Ein Servomotor verfügt über eine Welle, die sich anhand seiner Steuerleitung in eine bestimmte Position dreht. Unsere Servomotoren haben einen Verstellbereich von ca. 180 Grad.
Die Frequenz/Periode ist spezifisch für die Ansteuerung eines bestimmten Servos. Ein typischer Servomotor benötigt alle 20 ms eine Aktualisierung mit einem Impuls zwischen 1 ms und 2 ms – das entspricht einem Tastverhältnis zwischen 5 % und 10 % bei einer 50-Hz-Wellenform. Bei einem 1,5-ms-Impuls befindet sich der Servomotor in seiner natürlichen 90-Grad-Position. Bei einem 1-ms-Impuls steht der Servo bei 0 Grad und bei einem 2-ms-Impuls bei 180 Grad. Der volle Bewegungsbereich lässt sich durch Aktualisierung des Servos auf Werte dazwischen erreichen.
Pulsweitenmodulation (PWM) findet in vielen Bereichen Anwendung, insbesondere in der Steuerungstechnik. Nachdem Sie nun wissen, dass sie zum Dimmen von LEDs und zur Winkelsteuerung von Servomotoren eingesetzt werden kann, können Sie weitere Einsatzmöglichkeiten erkunden. Falls Sie sich unsicher sind, schauen Sie sich gerne das SparkFun Inventor's Kit an, das Beispiele zur Pulsweitenmodulation enthält. Wenn Sie direkt mit dem Programmieren beginnen möchten und einen Arduino besitzen, finden Sie hier PWM-Programmierbeispiele.
Veröffentlichungsdatum: 31. Juli 2025