Einführung

Lösung
PWM ist ein Verfahren welches, mit einer digital arbeitenden Spannungsquelle eine analogen Spannung erzeugt.
Digital bedeutet, dass in schneller Wechselfolge die Spannung ein- und dann wieder ausgeschaltet wird.

                                                     

Ein PulsWeitenModuliertes Signal (PWM) oder auch PulsBreitenModulierte Spannung (PBM) ist durch folgende Eigenschaften charakterisiert: Tastverhältnis, Frequenz und Spannung.

High oder auch High-Dauer bezeichnet dabei die Zeit (t ein) in der die Spannung eingeschaltet ist. .
Im Bereiich KFZ-Technik bedeutet das je nach Anwendung, dass 12 Volt oder 5 V anliegen.

Low oder Low-Dauer ist die Zeit (t aus) in der die Spannung aus ist, also bei 0 V. 
Es wird also in schneller kurzer Zeit die Spannung auf 12 Volt ein- und dann wieder ausgeschaltet.

Dieser Zyklus wird als Periode auch Periodendauer (Formelzeichen T) bezeichnet.

Tastverhältnis oder Tastgrad
Das Tastverhältnis (Formelzeichen V T) ist das Verhältnis von anliegender hoher Spannung oder High-Dauer zur Gesamtzeit des Impulses (oder Periodendauer).

Frequenz und Periodendauer
Die Frequenz bestimmt, wie schnell eine Periode durchlaufen wird. 100 Hz entspräche z. B. 100 mal pro Sekunde Spannung ein und aus, und gibt somit an, wie schnell die Spannung zwischen High und Low wechselt. Die Periodendauer beträgt in diesem Fall: 1 Sekunde geteilt durch 100 ist 10 ms. Alle 10 ms hat man für gewisse Zeit High und Low, woraus sich je nach Verhältnis der Zeiten eine Durchnittsspannung ergibt.

Wenn ein digital verlaufende Spannung schnell genug und in einem gewissen Tastverhältnis (High 12 Volt zu Low 0 Volt) seinen Zustand wechselt, wirkt sie wie eine kleinere Gleichspannung als 12 Volt, mit der sich Sensoren und Aktoren wie z.B. LED´s oder einfach Glühbirnen betreiben lassen.

Beispiel mit High-Level von 5 V
Sie möchten mit einer digitalen Spannungsquelle 3-V erzeugen. Das von der Quelle ausgegebene Digitalsignal hat einen High-Pegel von 5 V und einen Low-Pegel von 0 V. Durch PWM mit einem Tastverhältnis von 60 % wird somit 60 % der Zeit ein Signal mit 5-V-Pegel ausgegeben. Wenn das digitale Signal schnell genug seinen Zustand wechselt, entsteht am Ausgang eine Spannung, die der Durchschnittsspannung aus dem High- und dem Low-Pegel entspricht. Wenn der Low-Pegel 0 V lautet (was dem Regelfall entspricht), lässt sich die Durchschnittsspannung durch Multiplikation des High-Pegels mit dem Tastverhältnis berechnen – in unserem Beispiel 5 V x 0,6 = 3 V. Bei einem Tastverhältnis von 80 % läge die Durchschnittsspannung bei 5 V x 0,8 = 4 V und bei einem Tastverhältnis von 20 % bei 1 V.

Einsatz
PWM kommt in einer Vielzahl von Steuer- und Regelanwendungen zum Einsatz. Primär wird PWM zur Steuerung von DC-Motoren verwendet. Aber auch für die Regelung von Ventilen (AGR), Pumpen, hydraulischen Anlagen, anderen Maschinenbaukomponenten.
In der KFZ-Mechatronik wird es zur Dimmung von Lampen und Leuchten angewendet. Die Frequenz des PWM-Signals hängt von der Art der Anwendung und der Reaktionszeit des Systems ab, das mit dem Signal betrieben wird. Im Folgenden finden Sie einige Anwendungen mit den typischerweise benötigten PWM-Mindestfrequenzen:

• KFZ-Mechatronik: 100 Hz
• Heizelemente oder -systeme mit langen Reaktionszeiten: 10-100 Hz oder höher
• DC-Elektromotoren: 5-10 kHz oder höher
• Netzteile oder Audioverstärker: 20-200 kHz oder höher

Bildliche Darstellung:

Nachfolgend sehen Sie PWM-Signale mit unterschiedlichen Tastverhältnissen.
Tastverhältnis oder Duty Cycle von 25 % (25 % ein und 75% aus), 50 % und 75 %
Die rote Linie ist die Durchschnittsspannung, die durch das Tastverhältnis entsteht.

Weiterführende Links:

Strippenstrolch - PWM

https://5volt-junkie.net/was-ist-pwm-ein-kleines-tutorial/#mobile-header-left-nav

https://www.ms-motorservice.de/technipedia/post/signale-im-kraftfahrzeug/

ttps://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation#Einleitung

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