Pulsdauermodulation

Ein Beispiel für PWM in einem idealisierten Induktor, der von einer ■ Spannungsquelle angetrieben wird, die als eine Reihe von Impulsen moduliert wird, was zu einem ■ sinusförmigen Strom im Induktor führt. Die rechteckigen Spannungsimpulse führen jedoch zu einer immer gleichmäßigeren Stromwellenform, je höher die Schaltfrequenz ist. Man beachte, dass die Stromwellenform das Integral der Spannungswellenform ist. ⓘ

Die Pulsweitenmodulation (PWM) oder Pulsdauermodulation (PDM) ist eine Methode zur Verringerung der durchschnittlichen Leistung eines elektrischen Signals, indem es effektiv in diskrete Teile zerlegt wird. Der Durchschnittswert der Spannung (und des Stroms), die der Last zugeführt werden, wird durch schnelles Ein- und Ausschalten des Schalters zwischen Versorgung und Last gesteuert. Je länger der Schalter im Vergleich zu den Ausschaltzeiten eingeschaltet ist, desto höher ist die an die Last abgegebene Gesamtleistung. Zusammen mit dem Maximum Power Point Tracking (MPPT) ist es eine der wichtigsten Methoden, um die Leistung von Solarmodulen auf das Maß zu reduzieren, das von einer Batterie genutzt werden kann. PWM eignet sich besonders für den Betrieb von Trägheitslasten wie Motoren, die von dieser diskreten Schaltung nicht so leicht betroffen sind, da sie aufgrund ihrer Trägheit langsam reagieren. Die PWM-Schaltfrequenz muss hoch genug sein, um die Last nicht zu beeinträchtigen, d. h. die resultierende Wellenform, die von der Last wahrgenommen wird, muss so glatt wie möglich sein. ⓘ

Die Geschwindigkeit (oder Frequenz), mit der die Stromversorgung schalten muss, kann je nach Last und Anwendung sehr unterschiedlich sein. So muss z. B. bei einem Elektroherd mehrmals pro Minute geschaltet werden, bei einem Lampendimmer mit 100 oder 120 Hz (dem Doppelten der Netzfrequenz), bei einem Motorantrieb mit einigen Kilohertz (kHz) bis zu einigen zehn kHz und bei Audioverstärkern und Computernetzteilen mit mehreren zehn oder hundert kHz. Der Hauptvorteil der PWM ist, dass die Verlustleistung in den Schaltgeräten sehr gering ist. Wenn ein Schalter ausgeschaltet ist, fließt praktisch kein Strom, und wenn er eingeschaltet ist und Leistung an die Last übertragen wird, gibt es fast keinen Spannungsabfall über dem Schalter. Die Verlustleistung, das Produkt aus Spannung und Strom, ist also in beiden Fällen nahezu Null. PWM funktioniert auch gut mit digitalen Steuerungen, die aufgrund ihres Ein/Aus-Charakters das erforderliche Tastverhältnis leicht einstellen können. Die PWM wurde auch in bestimmten Kommunikationssystemen eingesetzt, wo ihr Tastverhältnis zur Übertragung von Informationen über einen Kommunikationskanal verwendet wurde. ⓘ

In der Elektronik sind in vielen modernen Mikrocontrollern (MCUs) PWM-Controller integriert, die an externen Pins als Peripheriegeräte angeschlossen sind und über interne Programmierschnittstellen von der Firmware gesteuert werden. Diese werden üblicherweise für die Steuerung von Gleichstrommotoren in der Robotik und anderen Anwendungen eingesetzt. ⓘ

Die Pulsdauermodulation – kurz PDM (englisch pulse duration modulation); auch Pulslängenmodulation (PLM), Pulsbreitenmodulation (PBM), Pulsweitenmodulation (PWM; abgelehnt in IEC 60050, auch englisch) und Unterschwingungsverfahren genannt – ist eine Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrische Spannung) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz der Tastgrad eines Rechteckpulses moduliert, also die Dauer der ihn bildenden Impulse. ⓘ

Tastverhältnis (Duty Cycle)

Der Begriff Tastverhältnis beschreibt das Verhältnis der "Einschaltzeit" zum regelmäßigen Intervall oder der "Periode" der Zeit; ein niedriges Tastverhältnis entspricht einer geringen Leistung, da die Leistung die meiste Zeit ausgeschaltet ist. Das Tastverhältnis wird in Prozent ausgedrückt, wobei 100 % vollständig eingeschaltet ist. Wenn ein digitales Signal die Hälfte der Zeit eingeschaltet und die andere Hälfte der Zeit ausgeschaltet ist, hat das digitale Signal ein Tastverhältnis von 50 % und ähnelt einer "Rechteckwelle". Wenn ein digitales Signal mehr Zeit im eingeschalteten Zustand als im ausgeschalteten Zustand verbringt, hat es ein Tastverhältnis von >50%. Wenn ein digitales Signal mehr Zeit im Aus-Zustand als im Ein-Zustand verbringt, hat es ein Tastverhältnis von <50 %. Die folgende Abbildung veranschaulicht diese drei Szenarien:

Geschichte

Einige Maschinen (z. B. ein Nähmaschinenmotor) benötigen eine teilweise oder variable Leistung. In der Vergangenheit wurde die Steuerung (z. B. des Fußpedals einer Nähmaschine) mit Hilfe eines in Reihe mit dem Motor geschalteten Rheostaten realisiert, um die durch den Motor fließende Strommenge zu regulieren. Dies war ein ineffizientes Verfahren, da dabei auch Energie in Form von Wärme im Widerstandselement des Rheostats verschwendet wurde, aber tolerierbar, da die Gesamtleistung gering war. Der Rheostat war zwar eine von mehreren Methoden zur Leistungsregelung (siehe Spartransformatoren und Variac für weitere Informationen), aber eine kostengünstige und effiziente Methode zur Leistungsumschaltung/-anpassung musste erst noch gefunden werden. Dieser Mechanismus musste auch in der Lage sein, Motoren für Lüfter, Pumpen und Roboterservos anzutreiben, und er musste kompakt genug sein, um mit Lampendimmern zusammenzuarbeiten. Die PWM erwies sich als Lösung für dieses komplexe Problem. ⓘ

Eine frühe Anwendung von PWM war der Sinclair X10, ein 10-W-Audioverstärker, der in den 1960er Jahren als Bausatz erhältlich war. Etwa zur gleichen Zeit begann man, PWM bei der Steuerung von Wechselstrommotoren einzusetzen. ⓘ

Bemerkenswert ist, dass einige Elektromotoren mit variabler Drehzahl seit etwa einem Jahrhundert einen guten Wirkungsgrad haben, aber sie waren etwas komplexer als Motoren mit konstanter Drehzahl und erforderten manchmal sperrige externe elektrische Geräte, wie z. B. eine Reihe variabler Leistungswiderstände oder rotierende Umrichter wie den Ward Leonard Drive. ⓘ

Prinzip

Abb. 1: Eine Impulswelle, die die Definitionen von $y_{\text{min}}$, $y_{\text{max}}$ und D. ⓘ

Bei der Pulsweitenmodulation wird eine rechteckige Impulswelle verwendet, deren Impulsbreite moduliert wird, was zu einer Veränderung des Mittelwerts der Wellenform führt. Betrachten wir eine Pulswellenform $f(t)$mit Periode $T$, niedrigem Wert $y_{\text{min}}$, einem hohen Wert $y_{\text{max}}$ und einem Tastverhältnis D (siehe Abbildung 1), ist der Mittelwert der Wellenform gegeben durch:

${\bar {y}}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}f(t)\,dt$ ⓘ

Da $f(t)$ eine Impulswelle ist, ist ihr Wert $y_{\text{max}}$ für $0<t<D\cdot T$ und $y_{\text{min}}$ für $D\cdot T<t<T$. Der obige Ausdruck wird dann zu:

${\begin{aligned}{\bar {y}}&={\frac {1}{T}}\left(\int _{0}^{DT}y_{\text{max}}\,dt+\int _{DT}^{T}y_{\text{min}}\,dt\right)\\&={\frac {1}{T}}\left(D\cdot T\cdot y_{\text{max}}+T\left(1-D\right)y_{\text{min}}\right)\\&=D\cdot y_{\text{max}}+\left(1-D\right)y_{\text{min}}\end{aligned}}$ ⓘ

Der letztgenannte Ausdruck kann in vielen Fällen ziemlich vereinfacht werden, wenn $y_{\text{min}}=0$ als ${\bar {y}}=D\cdot y_{\text{max}}$. Daraus ergibt sich, dass der Durchschnittswert des Signals (${\bar {y}}$) direkt vom Tastverhältnis D abhängig ist. ⓘ

Abb. 2: Eine einfache Methode zur Erzeugung der PWM-Impulsfolge, die einem gegebenen Signal entspricht, ist die intersektive PWM: Das Signal (hier die rote Sinuswelle) wird mit einer Sägezahnwellenform (blau) verglichen. Wenn letztere kleiner ist als erstere, befindet sich das PWM-Signal (magenta) im High-Zustand (1). Andernfalls befindet es sich im Low-Zustand (0). ⓘ

Die einfachste Art, ein PWM-Signal zu erzeugen, ist die intersektive Methode, die nur eine Sägezahn- oder Dreieckswellenform (die leicht mit einem einfachen Oszillator erzeugt werden kann) und einen Komparator erfordert. Wenn der Wert des Referenzsignals (die rote Sinuskurve in Abbildung 2) größer ist als die Modulationskurve (blau), befindet sich das PWM-Signal (magenta) im High-Zustand, andernfalls im Low-Zustand. ⓘ

Delta

Bei der Deltamodulation zur PWM-Steuerung wird das Ausgangssignal integriert und das Ergebnis mit Grenzwerten verglichen, die einem um eine Konstante verschobenen Referenzsignal entsprechen. Jedes Mal, wenn das Integral des Ausgangssignals einen der Grenzwerte erreicht, ändert das PWM-Signal seinen Zustand. Abbildung 3 ⓘ

Abb. 3 : Prinzip der Delta-PWM. Das Ausgangssignal (blau) wird mit den Grenzwerten (grün) verglichen. Diese Grenzwerte entsprechen dem Referenzsignal (rot), das um einen bestimmten Wert verschoben ist. Jedes Mal, wenn das Ausgangssignal (blau) einen der Grenzwerte erreicht, ändert das PWM-Signal seinen Zustand. ⓘ

Delta-Sigma

Bei der Delta-Sigma-Modulation als PWM-Regelverfahren wird das Ausgangssignal von einem Referenzsignal subtrahiert, um ein Fehlersignal zu bilden. Dieser Fehler wird integriert, und wenn das Integral des Fehlers die Grenzwerte überschreitet, ändert der Ausgang seinen Zustand. Abbildung 4 ⓘ

Abb. 4 : Prinzip der Sigma-Delta-PWM. Die obere grüne Wellenform ist das Referenzsignal, von dem das Ausgangssignal (PWM, in der unteren Grafik) subtrahiert wird, um das Fehlersignal (blau, in der oberen Grafik) zu bilden. Dieser Fehler wird integriert (mittleres Diagramm), und wenn das Integral des Fehlers die Grenzwerte (rote Linien) überschreitet, ändert der Ausgang seinen Zustand. ⓘ

Raumvektormodulation

Bei der Raumvektormodulation handelt es sich um einen PWM-Regelalgorithmus für die Erzeugung von Mehrphasen-Wechselstrom, bei dem das Referenzsignal regelmäßig abgetastet wird. Nach jeder Abtastung werden aktive Schaltvektoren, die nicht Null sind und an den Referenzvektor angrenzen, sowie ein oder mehrere der Null-Schaltvektoren für den entsprechenden Bruchteil der Abtastperiode ausgewählt, um das Referenzsignal als Durchschnitt der verwendeten Vektoren zu synthetisieren. ⓘ

Direkte Drehmomentsteuerung (DTC)

Die direkte Drehmomentsteuerung ist eine Methode zur Steuerung von Wechselstrommotoren. Sie ist eng verwandt mit der Deltamodulation (siehe oben). Das Motordrehmoment und der magnetische Fluss werden geschätzt und so gesteuert, dass sie innerhalb ihres Hysteresebandes bleiben, indem jedes Mal, wenn eines der beiden Signale versucht, aus seinem Band abzuweichen, eine neue Kombination von Halbleiterschaltern des Geräts eingeschaltet wird. ⓘ

Zeitproportionierung

Viele digitale Schaltungen können PWM-Signale erzeugen (z. B. haben viele Mikrocontroller PWM-Ausgänge). Sie verwenden normalerweise einen Zähler, der periodisch erhöht wird (er ist direkt oder indirekt mit dem Taktgeber der Schaltung verbunden) und am Ende jeder PWM-Periode zurückgesetzt wird. Wenn der Zählerwert größer als der Referenzwert ist, ändert der PWM-Ausgang seinen Zustand von hoch zu niedrig (oder von niedrig zu hoch). Diese Technik wird als Zeitproportionierung bezeichnet, insbesondere als zeitproportionierte Steuerung - welcher Anteil einer festen Zykluszeit im High-Zustand verbracht wird. ⓘ

Der inkrementierte und periodisch zurückgesetzte Zähler ist die diskrete Version des Sägezahns der Kreuzungsmethode. Der analoge Komparator der Kreuzungsmethode wird zu einem einfachen ganzzahligen Vergleich zwischen dem aktuellen Zählerwert und dem digitalen (möglicherweise digitalisierten) Referenzwert. Das Tastverhältnis kann nur in diskreten Schritten in Abhängigkeit von der Zählerauflösung variiert werden. Ein hochauflösender Zähler kann jedoch eine recht zufriedenstellende Leistung erbringen. ⓘ

Aus analogen Signalen

Pulsdauermodulator mittels analogen Komparators ⓘ

Ein PDM-Signal kann auch mittels eines analogen Komparators durch Vergleich des Analogsignals mit einem geeigneten Trägersignal erzeugt werden, wie in nebenstehender Schaltskizze dargestellt, wobei als Modulationssignal vor allem Sägezahn- und Dreieckssignale zum Einsatz kommen:

• Ansteigendes Sägezahnsignal (rückflankenmoduliert): Die Vorderflanke (ansteigende Flanke) der Schaltfunktion ist fest und die Position der Rückflanke (abfallende Flanke) wird moduliert.
• Abfallendes Sägezahnsignal (vorderflankenmoduliert): Die Position der Vorderflanke der Schaltfunktion wird moduliert und die Rückflanke bleibt fest.
• Dreiecksignal für symmetrische Modulation: Bei dieser Modulationsart werden die Positionen beider Flanken der Schaltfunktion moduliert. Ändert sich der Sollwert innerhalb einer Trägerperiode nur wenig, so sind die beiden Schaltflanken näherungsweise symmetrisch zu den Scheitelpunkten des Dreieckssignals. ⓘ

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Pulsdauermodulation bildet ein Multivibrator, bei dem der Tastgrad durch einen variablen Widerstand oder Kondensator verändert werden kann. ⓘ

Für die Ermittlung der Pulsdauer wird zum Ansatz gebracht, dass der arithmetische Mittelwert des zu modulierenden Signals in einer Pulsperiode genau dem Gleichwert der PDM-Impulsfolge entsprechen soll. Beide Funktionsverläufe (Analogsignal und PDM-Signal) haben also in einem Pulsintervall bei einem Spannungssignal die gleiche Spannungs-Zeit-Fläche. ⓘ

Abb. 5: Drei Arten von PWM-Signalen (blau): Modulation der Vorderflanke (oben), Modulation der Rückflanke (Mitte) und zentrierte Impulse (beide Flanken sind moduliert, unten). Die grünen Linien sind die Sägezahnwellenform (erster und zweiter Fall) und eine Dreieckswellenform (dritter Fall), die zur Erzeugung der PWM-Wellenformen mit der intersektiven Methode verwendet werden. ⓘ

Es sind drei Arten der Pulsweitenmodulation (PWM) möglich:

1. Die Impulsmitte kann in der Mitte des Zeitfensters fixiert und beide Flanken des Impulses bewegt werden, um die Breite zu komprimieren oder zu erweitern.
2. Die Vorderflanke kann an der Vorderflanke des Fensters gehalten und die Hinterflanke moduliert werden.
3. Die Endflanke kann fixiert und die Vorderflanke moduliert werden. ⓘ

Spektrum

Die sich ergebenden Spektren (der drei Fälle) sind ähnlich und enthalten jeweils eine Gleichstromkomponente - ein Basisseitenband, das das Modulationssignal und phasenmodulierte Träger bei jeder Oberwelle der Impulsfrequenz enthält. Die Amplituden der Oberschwingungsgruppen sind begrenzt durch eine $\sin x/x$ Hüllkurve (Sinc-Funktion) begrenzt und reichen bis ins Unendliche. Die unendliche Bandbreite ist auf den nichtlinearen Betrieb des Pulsbreitenmodulators zurückzuführen. Infolgedessen leidet eine digitale PWM unter Aliasing-Verzerrungen, die ihre Anwendbarkeit für moderne Kommunikationssysteme erheblich einschränken. Durch Begrenzung der Bandbreite des PWM-Kerns können Aliasing-Effekte vermieden werden. ⓘ

Im Gegensatz dazu ist die Deltamodulation ein Zufallsprozess, der ein kontinuierliches Spektrum ohne ausgeprägte Oberwellen erzeugt. ⓘ

PWM-Abtasttheorem

Der Prozess der PWM-Umwandlung ist nichtlinear, und es wird allgemein angenommen, dass die Rückgewinnung des Tiefpassfiltersignals bei der PWM unvollkommen ist. Das PWM-Abtasttheorem zeigt, dass die PWM-Umwandlung perfekt sein kann. Das Theorem besagt, dass "jedes bandbegrenzte Basisbandsignal innerhalb von ±0,637 durch eine PWM-Wellenform mit Einheitsamplitude dargestellt werden kann. Die Anzahl der Impulse in der Wellenform ist gleich der Anzahl der Nyquist-Abtastungen und die Spitzenwertbeschränkung ist unabhängig davon, ob die Wellenform zwei- oder dreistufig ist." ⓘ

• Nyquist-Shannon-Abtasttheorem: "Wenn man ein Signal hat, das perfekt auf eine Bandbreite von f₀ begrenzt ist, kann man alle Informationen in diesem Signal sammeln, indem man es zu diskreten Zeiten abtastet, solange die Abtastrate größer als 2f₀ ist." ⓘ

Anwendungen

Sinusförmiger Verlauf (grün) kann durch Vergleich mit einem sägezahnförmigen Signal (blau) in ein unten in rosa dargestelltes PDM-Signal umgewandelt werden: Für jeden PDM-Impuls durchläuft die Sägezahnrampe den ganzen Wertebereich – auf ausreichend träge Verbraucher wirkt der PDM-Spannungsverlauf wie eine Sinusspannung ⓘ

Um analoge Signale über eine digitale Strecke zu übertragen, nutzt man die glättende Tiefpasswirkung einer Kapazität oder Induktivität, z. B. eines Motors oder einer Spule, um diese mit Hilfe einer Impulsfolge zu steuern. So lassen sich mit digitalen Schaltungen (z. B. Mikrocontrollern), die nur geschaltete Signale erzeugen können, analoge Geräte (Motoren, Heizungen usw.) ansteuern. ⓘ

Das Steuergerät muss nicht zwangsläufig selbst ein digitales Gerät sein. So wird zum Beispiel zur Steuerung von Servos (Übertragung des Sollwertes) ein analoger Wert von einem Drehpotentiometer moduliert und im Servo wieder demoduliert. Allgemein wird dies angewendet, wenn sowohl Vorteile von analogen Signalen (hohe Auflösung, einfache, robuste und störungssicherere Technik) als auch Vorteile von digitalen Signalen (Konstanz, einfache, effiziente Verstärkung) nötig sind. ⓘ

Eine Steuerung über PDM kommt zum Zweck einer Drehzahländerung von neueren Gehäuse- und CPU-Lüftern zum Einsatz. ⓘ

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist das Dimmen durch PDM-Steuerung. Diese Technik wird insbesondere bei Leuchtdioden (LEDs), wie sie auch oft als Hintergrundbeleuchtung bei Mobiltelefonen oder auch bei Cockpit-Anzeigen oder Bremsleuchten in neueren Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, verwendet. Bei ausreichend kurzer Ein- und Ausschaltdauer nimmt das menschliche Auge nur die durchschnittliche Leuchtstärke wahr, sodass diese mit dem Tastgrad linear gesteuert werden kann. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Taktfrequenz ausreichend hoch angesetzt ist (beispielsweise 10 kHz), sodass das Auge, auch bei schneller Bewegung, keine Helligkeitsschwankungen (Flimmern) wahrnehmen kann. Bei hohen Schaltfrequenzen bleibt auch die Energie eines Einzelimpulses klein im Bezug auf die Wärmekapazität des emittierenden Chips. Die kurzzeitige Spitzentemperatur des Bauteils während des Pulses verbleibt daher bei hohen Schaltfrequenzen nahe der Temperatur, welche der mittleren Leistung des PDM-Signals entspricht. Dies ist besonders für temperaturempfindliche Verbraucher wie Hochleistungsleuchtdioden von großem Vorteil. Eine Tiefpassfilterung ist bei Ansteuerung von LEDs nicht gewünscht, da Farbe und Wirkungsgrad stromabhängig sind und die Leuchtstärke stark nichtlinear von dem Betriebsstrom abhängt. ⓘ

Ein reines pulsdauermoduliertes Signal wird beispielsweise erzeugt, indem ein linear an- oder absteigendes Signal (Dreieck- oder Sägezahnspannung) mit dem analogen Eingangssignal verglichen wird, das je nach seinem Wert eine kurze oder eine lange Zeit über diesem liegt. An den Schnittpunkten wird das Ausgangssignal zwischen zwei Logikpegeln umgeschaltet. Es hat damit wie ein Digitalsignal den Vorteil, dass es nur – hier: zwei – diskrete Werte annehmen kann (siehe unten unter Einsatzgebiete), ist aber in seinem Tastgrad stufenlos veränderbar, d. h. nicht zeitdiskret. ⓘ

Eine einfachere Möglichkeit besteht darin, eine der Zeitkonstanten einer astabilen Kippstufe mit dem Eingangssignal zu beeinflussen. Da die andere Zeitkonstante sich dabei nicht proportional ändert, erhält man eine Mischung aus Pulsdauer- und Frequenzmodulation, was je nach Verwendungsfall eine Bedeutung hat. ⓘ

Zur Erzeugung eines PDM-Signals aus digital vorliegenden Daten (z. B.: Motorsteuerung) kommen geeignete Zähler/Vergleicherschaltungen zum Einsatz. Viele Mikrocontroller enthalten bereits direkt PDM-Module oder unterstützen durch geeignete Timer-Funktionen deren Implementierung. ⓘ

Servos

PWM wird zur Steuerung von Servomechanismen verwendet; siehe Servosteuerung. ⓘ

Telekommunikation

In der Telekommunikation ist PWM eine Form der Signalmodulation, bei der die Impulsbreiten bestimmten Datenwerten entsprechen, die an einem Ende kodiert und am anderen Ende dekodiert werden. ⓘ

In regelmäßigen Abständen werden Impulse unterschiedlicher Länge (die eigentliche Information) gesendet (die Trägerfrequenz der Modulation).

          _ _ _ _ _ _ _ _     
         | | | | | | | | | | | | | | | |    
Uhr | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |    
       __| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____ ⓘ

                 _ __ ____ ____ _
PWM-Signal | | | | | | | | | | | |
                | | | | | | | | | |
       _________| |____| |___| |________| |_| |___________ ⓘ

Daten 0 1 2 4 0 4 1 0 ⓘ

Die Einbeziehung eines Taktsignals ist nicht erforderlich, da die Vorderflanke des Datensignals als Takt verwendet werden kann, wenn zu jedem Datenwert ein kleiner Versatz hinzugefügt wird, um einen Datenwert mit einem Impuls der Länge Null zu vermeiden.

                _ __ ___ _____ _ _____ __ _   
               | | | | | | | | | | | | | | | | 
PWM-Signal | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |  
             __| |____| |___| |__| |_| |____| |_| |___| |_____ ⓘ

Daten 0 1 2 4 0 4 1 0 ⓘ

Leistungsabgabe

Mit der PWM lässt sich die Leistungsabgabe an eine Last steuern, ohne dass dabei die Verluste entstehen, die bei einer linearen Leistungsabgabe über einen Widerstand auftreten würden. Der Nachteil dieser Technik besteht darin, dass die von der Last aufgenommene Leistung nicht konstant, sondern diskontinuierlich ist (siehe Abwärtswandler), und auch die an die Last abgegebene Energie ist nicht kontinuierlich. Die Last kann jedoch induktiv sein, und mit einer ausreichend hohen Frequenz und erforderlichenfalls unter Verwendung zusätzlicher passiver elektronischer Filter kann die Impulsfolge geglättet und die durchschnittliche analoge Wellenform wiederhergestellt werden. Der Leistungsfluss in die Last kann kontinuierlich sein. Der Leistungsfluss von der Versorgung ist nicht konstant und erfordert in den meisten Fällen eine Energiespeicherung auf der Versorgungsseite. (Im Falle eines elektrischen Schaltkreises ein Kondensator, der die in der (oft parasitären) netzseitigen Induktivität gespeicherte Energie aufnimmt). ⓘ

Hochfrequenz-PWM-Leistungssteuerungssysteme sind mit Halbleiterschaltern leicht realisierbar. Wie oben erläutert, wird vom Schalter im ein- oder ausgeschalteten Zustand fast keine Leistung abgeführt. Bei den Übergängen zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand sind jedoch sowohl die Spannung als auch der Strom ungleich Null, so dass in den Schaltern Leistung abgeführt wird. Durch den schnellen Wechsel zwischen dem vollständig eingeschalteten und dem vollständig ausgeschalteten Zustand (in der Regel weniger als 100 Nanosekunden) kann die Verlustleistung in den Schaltern im Vergleich zu der an die Last abgegebenen Leistung recht gering sein. ⓘ

Moderne Halbleiterschalter wie MOSFETs oder Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs) sind gut geeignete Komponenten für hocheffiziente Steuerungen. Frequenzumrichter, die zur Steuerung von Wechselstrommotoren verwendet werden, können Wirkungsgrade von über 98 % aufweisen. Schaltnetzteile haben aufgrund der niedrigen Ausgangsspannungen (für Mikroprozessoren werden oft sogar weniger als 2 V benötigt) einen geringeren Wirkungsgrad, aber es können immer noch mehr als 70-80 % Wirkungsgrad erreicht werden. ⓘ

Bei der Steuerung von Computerlüftern mit variabler Drehzahl wird in der Regel PWM verwendet, da dies im Vergleich zu einem Potentiometer oder Rheostat wesentlich effizienter ist. (Die beiden letzteren lassen sich praktischerweise nicht elektronisch betreiben; sie würden einen kleinen Antriebsmotor erfordern). ⓘ

Lichtdimmer für den Hausgebrauch verwenden eine spezielle Art der PWM-Steuerung. Lichtdimmer für den Hausgebrauch enthalten in der Regel elektronische Schaltungen, die den Stromfluss während bestimmter Abschnitte jedes Zyklus der Netzwechselspannung unterdrücken. Die Einstellung der Helligkeit des von einer Lichtquelle ausgestrahlten Lichts ist dann lediglich eine Frage der Einstellung, bei welcher Spannung (oder Phase) im AC-Halbzyklus der Dimmer beginnt, elektrischen Strom an die Lichtquelle zu liefern (z. B. durch Verwendung eines elektronischen Schalters wie eines Triacs). In diesem Fall ist das PWM-Tastverhältnis das Verhältnis der Durchlasszeit zur Dauer der halben Wechselstromperiode, die durch die Frequenz der Netzwechselspannung (50 Hz oder 60 Hz je nach Land) definiert ist. ⓘ

Diese eher einfachen Dimmer können gut mit trägen (oder relativ langsam reagierenden) Lichtquellen wie z. B. Glühlampen verwendet werden, bei denen die durch den Dimmer verursachte zusätzliche Modulation der zugeführten elektrischen Energie nur vernachlässigbare zusätzliche Schwankungen des abgegebenen Lichts verursacht. Einige andere Arten von Lichtquellen, wie z. B. Leuchtdioden (LEDs), schalten sich jedoch extrem schnell ein und aus und würden bei niederfrequenten Ansteuerspannungen wahrnehmbar flackern. Wahrnehmbare Flimmereffekte bei solchen schnell reagierenden Lichtquellen können durch eine Erhöhung der PWM-Frequenz reduziert werden. Wenn die Lichtschwankungen schnell genug sind (schneller als die Flimmerfusionsschwelle), kann das menschliche Sehsystem sie nicht mehr auflösen, und das Auge nimmt die zeitliche Durchschnittsintensität ohne Flimmern wahr. ⓘ

Bei Elektroherden werden die Heizelemente, wie z. B. das Kochfeld oder der Grill, mit Hilfe eines so genannten Simmerstats mit stufenlos regelbarer Leistung versorgt. Dieser besteht aus einem thermischen Oszillator, der mit etwa zwei Zyklen pro Minute läuft, und der Mechanismus variiert die Einschaltdauer je nach Einstellung des Drehknopfes. Die thermische Zeitkonstante der Heizelemente beträgt mehrere Minuten, so dass die Temperaturschwankungen zu gering sind, um in der Praxis eine Rolle zu spielen. ⓘ

Spannungsregelung

PWM wird auch in effizienten Spannungsreglern eingesetzt. Durch Schalten der Spannung zur Last mit dem entsprechenden Tastverhältnis nähert sich der Ausgang einer Spannung auf dem gewünschten Niveau an. Das Schaltrauschen wird in der Regel mit einer Induktivität und einem Kondensator gefiltert. ⓘ

Eine Methode misst die Ausgangsspannung. Wenn sie niedriger als die gewünschte Spannung ist, wird der Schalter eingeschaltet. Wenn die Ausgangsspannung über der gewünschten Spannung liegt, wird der Schalter ausgeschaltet. ⓘ

Audioeffekte und Verstärkung

Die Veränderung des Tastverhältnisses einer Pulswellenform in einem Syntheseinstrument erzeugt nützliche Klangvariationen. Einige Synthesizer verfügen über einen Duty-Cycle-Trimmer für ihre Rechteckwellenausgänge, der nach Gehör eingestellt werden kann; der 50%-Punkt (echte Rechteckwelle) war besonders markant, weil die geradzahligen Obertöne bei 50% im Wesentlichen verschwinden. Pulswellen, in der Regel 50 %, 25 % und 12,5 %, sind in den Soundtracks klassischer Videospiele zu finden. Der in der Klangsynthese (Musiksynthese) verwendete Begriff PWM bezieht sich auf das Verhältnis zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel, der sekundär mit einem Niederfrequenzoszillator moduliert wird. Dadurch entsteht ein Klangeffekt, der dem Zusammenspiel von Chorus oder leicht verstimmten Oszillatoren ähnelt. (Tatsächlich entspricht PWM der Summe von zwei Sägezahnwellen, von denen eine invertiert ist). ⓘ

Eine neue Klasse von Audioverstärkern, die auf dem PWM-Prinzip basieren, wird immer beliebter. Diese sogenannten Klasse-D-Verstärker erzeugen ein PWM-Äquivalent des analogen Eingangssignals, das über ein geeignetes Filternetzwerk in den Lautsprecher eingespeist wird, um den Träger zu blockieren und den ursprünglichen Ton wiederherzustellen. Diese Verstärker zeichnen sich durch einen sehr guten Wirkungsgrad (≥ 90%) und eine kompakte Größe bzw. ein geringes Gewicht bei großer Ausgangsleistung aus. Seit einigen Jahrzehnten werden PWM-Verstärker in der Industrie und im militärischen Bereich häufig für den Antrieb von Servomotoren eingesetzt. Feldgradientenspulen in MRT-Geräten werden von PWM-Verstärkern mit relativ hoher Leistung angetrieben. ⓘ

In der Vergangenheit wurde eine grobe Form der PWM verwendet, um PCM-Digitalton auf dem PC-Lautsprecher wiederzugeben, der nur von zwei Spannungspegeln, typischerweise 0 V und 5 V, angesteuert wird. Durch eine sorgfältige zeitliche Abstimmung der Impulsdauer und unter Ausnutzung der physikalischen Filtereigenschaften des Lautsprechers (begrenzter Frequenzgang, Selbstinduktion usw.) war es möglich, eine ungefähre Wiedergabe von Mono-PCM-Samples zu erzielen, wenn auch in sehr geringer Qualität und mit sehr unterschiedlichen Ergebnissen je nach Implementierung. ⓘ

In jüngerer Zeit wurde die Direct Stream Digital-Toncodierungsmethode eingeführt, die eine verallgemeinerte Form der Pulsbreitenmodulation, die so genannte Pulsdichtemodulation, mit einer ausreichend hohen Abtastrate (in der Regel in der Größenordnung von MHz) verwendet, um den gesamten akustischen Frequenzbereich mit ausreichender Genauigkeit abzudecken. Diese Methode wird im SACD-Format verwendet, und die Wiedergabe des kodierten Audiosignals ähnelt im Wesentlichen der Methode, die in Class-D-Verstärkern verwendet wird. ⓘ

Elektrisch

SPWM-Signale (Sinus-Dreieck-Pulsweitenmodulation) werden bei der Entwicklung von Mikro-Wechselrichtern (für Solar- und Windkraftanlagen) verwendet. Diese Schaltsignale werden den FETs zugeführt, die in dem Gerät verwendet werden. Der Wirkungsgrad des Geräts hängt vom Oberwellengehalt des PWM-Signals ab. Es wird viel geforscht, um unerwünschte Oberschwingungen zu eliminieren und die Grundschwingungsstärke zu verbessern. Dabei wird zum Teil ein modifiziertes Trägersignal anstelle eines klassischen Sägezahnsignals verwendet, um die Leistungsverluste zu verringern und den Wirkungsgrad zu verbessern. Eine weitere häufige Anwendung findet sich in der Robotik, wo PWM-Signale zur Steuerung der Geschwindigkeit des Roboters durch Ansteuerung der Motoren verwendet werden. ⓘ

Soft-blinkende LED-Anzeige

PWM-Techniken werden in der Regel eingesetzt, um eine Anzeige (z. B. eine LED) "sanft blinken" zu lassen. Das Licht wechselt langsam von dunkel zu voller Intensität, wird langsam gedimmt und wieder dunkel. Dann wiederholt es sich. Die Zeitspanne beträgt mehrere Blinksignale pro Sekunde bis hin zu mehreren Sekunden für ein Blinksignal. Eine Anzeige dieser Art würde nicht so sehr stören wie eine "hart blinkende" Ein/Aus-Anzeige. Die Anzeigelampe auf dem Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005) war von diesem Typ. Diese Art der Anzeige wird auch als "pulsierendes Leuchten" bezeichnet, im Gegensatz zum "Blinken". ⓘ

Demodulation

Ein PDM-Signal wird allgemein über einen Tiefpass demoduliert. Die resultierende demodulierte technische Größe entspricht dem Gleichwert und damit der mittleren Höhe der Fläche unter der modulierten Größe, mathematisch bestimmt aus dem Integral über eine ganze Zahl von Perioden, geteilt durch die Dauer der Integration. ⓘ

PDM-Signal mit einem Tastgrad ${\tfrac {t_{1}}{T}}=0{,}25=25\,\%$ ⓘ

Ein anschauliches Beispiel für diese Modulationsart ist ein Schalter, mit dem man eine Heizung ständig ein- und ausschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Periodendauer ist, umso höher ist die mittlere Heizleistung. Die Temperatur des geheizten Gebäudes kann nur vergleichsweise langsam dem Ein- und Ausschaltvorgang folgen; durch seine thermische Trägheit ergibt sich das notwendige Tiefpassverhalten zur Demodulation. ⓘ

Einsatzgebiete

Die Pulsdauermodulation wird zur Informationsverarbeitung und zusätzlich häufig zur Steuerung der Energieumwandlung in einem technischen System eingesetzt. ⓘ

Analog-Digital-Umsetzer

Pulsdauermessung durch Zählung ⓘ

Ein pulsdauermoduliertes Signal kann direkt von digitaler Elektronik verarbeitet werden, z. B. mittels eines Binärzählers und eines höherfrequenten Zähltaktes. Zur Erfassung der Pulsdauer wird bei der positiven Flanke der Zähler auf 0 gesetzt, bei der negativen Flanke wird er gelesen (Wert N₁). Die Pulsperiodendauer muss dabei konstant sein, am besten abgeleitet aus demselben Zähltakt durch Zählung bis N₂. ⓘ

Ein ähnliches Verfahren wird zum Beispiel am Joystickanschluss (Steuerknüppel) auf der Soundkarte von PCs angewendet (wobei der Beginn des Impulses hier vom Programm ausgeht). ⓘ

Messtechnik

Pulsdauermodulation wird oft eingesetzt, um analoge Messwerte von Sensoren über lange Leitungen oder Funk zu übertragen. Da an langen Leitungen ein Spannungsabfall entsteht, würde bei Übertragung der Information in Form einer Spannungshöhe eine Verfälschung entstehen. Bei der Übertragung mit Pulsdauermodulation reicht es aus, wenn der Empfänger noch die Pegel 1 und 0 unterscheiden kann. Gleiches gilt auch bei einer Übertragung per Funk, wo die Empfangsintensität durch viele Umweltfaktoren beeinflusst wird. ⓘ

Leistungselektronik

Der Mittelwert einer Spannung kann mittels PDM stufenlos proportional zum Tastgrad vermindert werden. Die Einstellung der verminderten Spannung ist bei relativ geringer Verlustleistung möglich, da die Leistungsschalter (außer in den Umschaltmomenten) nur in zwei Zuständen betrieben werden: Voll sperrend (nur Leckstrom bei voller Spannung) oder voll durchgeschaltet (nur Durchlassspannung bei voller Stromstärke). Damit hat die PDM auch in der Leistungselektronik Bedeutung. ⓘ

Einsatzbereiche sind Gleichstromsteller, Frequenzumrichter bzw. Elektromotoren, Inverter für das Widerstandspunktschweißen, Heizelemente, Dimmer, Schaltnetzteile, Klasse-D-Verstärker und elektronisch kommutierte Ventilatoren. ⓘ

Digital-Analog-Umsetzer

Ein weiterer Einsatzbereich findet sich bei Digital-Analog-Umsetzern in der Messtechnik und zur Klangerzeugung z. B. in Synthesizern oder bei CD-Spielern. ⓘ

Nachrichtentechnik

Die Pulsdauermodulation findet Anwendung bei der drahtlosen Übermittlung physikalischer Größen (Telemetrie) und zur energiesparenden Erzeugung einer Amplitudenmodulation in Großsendern. ⓘ

Klangsynthese

Darüber hinaus wird die Pulsweitenmodulation auch im Rahmen der analogen und digitalen Klangsynthese verwendet. Besonders Synthesizer, die nur einen Oszillator besitzen und dieses Verfahren bieten (bspw. Roland SH-1 oder Yamaha SY-1/2), erzeugen durch die Veränderung der Pulsweite mittels Hüllkurven- oder LFO-Modulation im Zeitverlauf einen Klang, der fast schon polyphon klingt. Darüber hinaus greifen einige mehrstimmige Soundchips wie der MOS Technology SID 6581 und später der 8580, welche in den 80er Jahren bis in das Jahr 1994 in dem 8-Bit-Heimcomputer Commodore 64 verbaut waren, auf die Modulation der Pulsbreite zurück. Sie erzeugt den typischen C64-Sound. ⓘ

Probleme in der Praxis

Ein erhebliches Problem bei Einsatz des Verfahrens der PDM in der Praxis ist die Bildung von Oberschwingungen (ugs. Oberwellen). Diese bilden sich als Vielfache der Modulationsfrequenz und können in den mittels PDM angesteuerten Induktivitäten unerwünschte Nebeneffekte wie Geräuschbildung, Erwärmung und Probleme mit Elektromagnetischer Verträglichkeit führen. Abhilfe kann hier durch Kompensation mittels einer zugeschalteten Kapazität oder durch Veränderung der Modulationsfrequenz der PDM geschaffen werden. Typische Anwendungen, die auch ebendiese Problematik behandeln, sind Frequenzumrichter bzw. die Choppersteuerung. ⓘ

Vorteile der Pulsdauermodulation

Der Vorteil des PDM-Signals besteht darin, dass es durch zwei Spannungsebenen (Low- und High-Pegel) gebildet wird. Bei der schaltungstechnischen Realisierung eines PDM-Generators mittels Bipolar- oder MOS-Transistoren oder IGBTs können diese – im Gegensatz zu einem Generator mit kontinuierlich (analog) veränderlicher Spannung – im verlustarmen Schaltbetrieb arbeiten. Die beiden Spannungsebenen des Rechtecksignals entsprechen zwar zwei Logikpegeln, diese stellen aber keine Ziffern eines Binärcodes dar. Die Information steckt in dem analogen Pulsdauerverhältnis. Es lassen sich Signalverstärker bei PDM-Frequenzen im unteren Kilohertzbereich sogar bis in den oberen Kilowattbereich hinein realisieren. In der Elektronik sind Verstärker nach dem PDM-Prinzip unter der Bezeichnung Klasse-D-Verstärker (Class-D, Digitalverstärker) bekannt. ⓘ