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Wie kann ich die Geschwindigkeit des Motors steuern? Wie dimmt und erhellt man LEDs? In diesem Artikel beantworten wir genau diese Fragen. Dieses Wissen wird Ihnen bei vielen Projekten nützlich sein.
Was ist PWM und Füllung?
PWM ist eine Erweiterung von Pulse-Width Modulation, was auf Deutsch ‘Pulsweitenmodulation’ bedeutet. Es handelt sich dabei um eine Methode zur Steuerung eines Strom- oder Spannungssignals durch Änderung der Füllung des Signals. Die Amplitude und die Frequenz des Signals bleiben konstant, aber die sogenannte Füllung ändert sich.
Stellen Sie sich eine einfache Schaltung vor, in der eine LED installiert ist, die sich per Software abwechselnd ein- und ausschaltet. Von dem Moment an, in dem die LED eingeschaltet wird, über ihr Ausschalten bis zu ihrem erneuten Einschalten beträgt die Zeitspanne 1 Millisekunde. Der Moment, in dem ein logisches Signal “1” an die Diode geliefert wird, d.h. eine Versorgung mit dem richtigen Spannungswert an ihrem Ausgang anliegt, kann als “einschalten” betrachtet werden. Das Ausschalten hingegen ist der Moment, in dem die Diode eine logische ‘0’ erhält, d.h. sie wird stromlos geschaltet. Die Diode leuchtet für eine halbe Millisekunde auf und wird für die andere Hälfte einer Millisekunde ausgeschaltet, und dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder. So sieht jede Millisekunde aus. Aus der Perspektive des menschlichen Auges können Sie das Blinken nicht einmal sehen – der Wechsel ist zu schnell, als dass wir ihn wahrnehmen könnten. Dadurch entsteht der illusorische Effekt, dass die LED einfach weniger hell leuchtet, als wenn sie permanent eingeschaltet wäre.
Indem Sie den Füllfaktor ändern, ändern Sie tatsächlich die Dauer des High-Zustands (das Leuchten der Diode) während eines bestimmten Zeitraums (in diesem Fall 1 Millisekunde). Wenn Sie beispielsweise den Füllfaktor erhöhen, könnte die Diode für 0,8 Millisekunden eingeschaltet und für 0,2 Millisekunden ausgeschaltet sein. Für das menschliche Auge leuchtet die Diode dann einfach heller als bei einer Füllung, bei der sie nur 50 % der Periode leuchtet. Der Prozentsatz der Periode, in der der logische Zustand hoch ist, wird als Füllfaktor bezeichnet. Einfach ausgedrückt ist das Prinzip eines PWM-Signals eine Möglichkeit, ein rechteckiges Signal zu modulieren, indem man die Impulsbreite (d.h. den Füllfaktor über ein bestimmtes Zeitintervall) anpasst.
PWM beim Arduino und Raspberry Pi
PWM ist ein häufig verwendetes Signal in der Mikroprozessortechnik. Es kann leicht programmatisch implementiert werden, aber Boards wie der Arduino oder der Raspberry Pi verfügen über vorbereitete Ports für diesen Zweck. In diesem Fall wird das PWM-Signal hardwareseitig generiert, was die Belastung für den Programmbetrieb erheblich reduzieren kann und den Programmierer davon entbindet, einen solchen Code selbst zu schreiben, indem er Mikroprozessor-Interrupts verwendet. Es gibt beispielsweise Kanäle im Arduino UNO, die in der Lage sind, das PWM-Signal hardwareseitig zu erzeugen. Bei diesem Gerätetyp beträgt die volle Periode meist 1/490 Sekunde und die Füllung kann zwischen 0 und 255 (8 Bit) liegen.
Wozu kann PWM verwendet werden?
Die naheliegendste Verwendung eines PWM-Signals ist natürlich die Steuerung der Helligkeit einer LED, aber es wird häufig für eine viel breitere Palette von Anwendungen eingesetzt. Ein gutes Beispiel ist die Steuerung des Betriebs eines Gleichstrommotors. Indem Sie den Füllwert ändern, können Sie die Geschwindigkeit der Motorwelle ganz einfach begrenzen oder erhöhen.
Mit einer solchen Steuerung können Sie z.B. die Fahrgeschwindigkeit Ihres mobilen Roboters sinnvoll steuern. Sie können die Funktionsweise einer solchen Schaltung leicht testen. Alles, was Sie dazu brauchen, ist eine Kontaktplatine, ein Motor, einige Anschlusskabel, eine H-Brücke und z.B. ein Arduino und ein Potentiometer. Sobald die Komponenten richtig angeschlossen sind, können Sie das Potentiometer steuern, indem Sie die Stärke des PWM-Signals ändern, das dem Gleichstrommotor zugeführt wird.
Einen ähnlichen Effekt können Sie anstelle eines Motors auch durch den Anschluss eines Summers erzielen. Indem Sie die Füllung ändern, können Sie die Lautstärke des ausgegebenen Tons steuern. Eine weitere praktische Anwendung dieses Signals kann z.B. ein Servo sein. Indem Sie die Füllung variieren, können Sie seine Position präzise einstellen. Je höher die Auflösung des PWM-Signals ist, desto genauer können Sie die eingestellte Position bestimmen.
Dies ist eine hervorragende Lösung, die sich beispielsweise für Roboter eignet, die eine hohe Präzision bei ihren Bewegungen benötigen. Wenn Sie versuchen, den gleichen Effekt mit einem Satz gewöhnlicher DC-Motoren und Encoder zu erzielen, werden Sie leider ein viel ungenaueres Ergebnis erhalten.
Es gibt praktisch unendlich viele andere praktische Anwendungen für das PWM-Signal. Es lohnt sich, zu üben und selbst zu sehen, wie dieses Phänomen funktioniert, damit Sie es in Ihren zukünftigen Projekten effizient einsetzen können.
