Sonntag, Oktober 07, 2012

Spannungsgesteuerte PWM

Mit dem 555-Timer lässt sich ein PWM-Signal recht einfach erstellen, wobei aber die Dauer von Impuls und Pause durch die Widerstände R1 und R2 fest eingestellt werden. Wie kann man nun das ganze so konstruieren, dass eine Spannung die Dauer des Duty-Impuls bestimmt?

Auf diese Frage bin ich gekommen, als ich über LED-Trimmer nachgedacht habe. Dort wird die LED mit PWM getrimmt, wobei der Duty-Cycle (Impulse) gesteuert wird. Das ganze lässt sich sehr einfach mit einem Micro-Controller realisieren, aber ich wollte das ohne Micro-Controller und Software konstruieren. Daher die Frage: Wie erreicht man eine spannungsgeregelte Pulsweitenmodulation? Meine Grundidee war, dass ich dafür einen Operationsverstärker als Integrator verwende, der aus einem Rechteckspannungssignal ein dreieckiges Signal erzeugt. Mit diesem Signal wollte ich dann die LED pulsieren lassen. Die Idee war nicht schlecht, ich lag mit ihr aber falsch. Ein bisschen Recherche im Internet brachte Licht ins Dunkle...

Man nimmt ein Rechtsignal, wandelt dies in ein Dreiecksignal um. Mit Hilfe eines Operationsverstärker und einer Referenzspannung wird daraus wieder ein Rechtecksignal erzeugt, wobei der Duty-Impuls abhängig von der Referenzspannung ist. Wir haben damit das Ziel erreicht: spannungsgesteuerte PWM.

Rechtecksignal

In dem obigen Bild habe ich eine typische Grundschaltung mit dem 555-Timer realisiert. Aufgrund der gewählten Werte schwingt das Rechteck-Signal mit einer Frequenz von ca. 1,5Khz. Der Duty-Impuls liegt bei fast 50%. Natürlich gibt es noch weitere Möglichkeiten, ein Rechteck-Signal zu erzeugen. Der 555-Timer bietet hier die Einfachheit der Berechnung der Frequenz. Und natürlich gibt es bestimmt weitere Schaltungen, die das ebenfalls einfacher gestalten lassen. Aber irgendwo muss man ja anfangen.

Dreieckssignal

Der Operationsverstärker als Integrator liefert nun das Dreieckssignal. Und hier beginnen die Lektionen, die die Theorie von der Praxis unterscheiden. Man muss sich zunächst den Operationsverstärker anschauen, welche Werte er anbietet. Haben wir einen Rail-To-Rail-OpAmp? Welche Werte werden für R und C verwendet? Haben wir V+/V- oder nur V+-Spannungsversorgung für den OpAmp? Abschließend können wir das Dreieckssignal noch verstärken, so dass es die vollständigen Versorgungsspannung ausfüllt.

Die Ausgangsspannung für den Integrator richtet sich nach

Vout=-1RCVindt

Wir haben etwas Glück, denn die Fläche des Integral ist bekannt. Es ist das Rechtecksignal. Das Signal schwankt mit einer Frequenz von 1,5kHz. Der Duty-Impuls dauert die Hälfte der Schwingung, also 13000s. Zu diesem Zeitpunkt haben wir also den Flächeninhalt und wir wissen, welches Ergebnis wir haben möchten:

-5V=-1RC×5V3000
Fünf Volt, da die Spannung durch den virtuellen Ground aufgeteilt wurde. Für den Kondensator nehmen wir C=100nF. Wir können nun nach C auflösen:
R=1C5300015=1100nF53000s 15=3000Ω
Mit einem Widerstand von 3k erhalten wir ein Dreiecksignal, dass sich zwischen 0 und 5 Volt bewegt. Da wir aber 10V zur Verfügung haben, können wir das Signal steiler machen, in dem wir die Hälfte von 3k nehmen. Oder wir tragen die 10V direkt in die Formel ein:
R=1C53000110=1100nF13000s 12=1500Ω


Was kann man damit machen?

Man kann z.B. ganz elegant eine Halogen-Lampe dimmen. In der rechten Abbildung ist die Restschaltung (Es werden Rail-To-Rail-OpAmp verwendet) dargestellt. Das PWM-Signal steuert einen P-Mosfet (z.B. IRF9Z34N) an. Eventuell muss man den Mosfet noch kühlen. Ich habe mal alles zusammen verdrahtet und mit dem Oszilloskop überprüft. Hier kann man sehen, wie das PWM-Signal zustande kommt. Genau an den Schnittpunkten der Referenzspannung wird das Duty-Signal erzeugt. Um das ganze zu testen, habe ich also eine 12V Halogen-Lampe mit dem P-Mosfet verbunden und das Gate mit dem PWM-Signal. Mit einem Trimmer habe ich die Referenzspannung geregelt. Dabei konnte ich die Halogen-Lampe sauber dimmen, bis nur noch der Glühfaden schwach leuchtete. Damit kann man nun auch einen Soft-Start realisieren. Glühlampen neigen im kalten Zustand einen sehr kleinen Innenwiderstand zu haben, wodurch beim Start sehr große Stromspitzen auftreten können. Die Stromspitzen kann man nun durch ein langsames "Aufdimmen" verhindern. Hat man ein empfindlichen Batterietyp als Stromquelle, so wird nicht nur die Lampe sondern auch die Batterie geschont.

Alternativen?

Oh ja! Mit einem OpAmp läßt sich ebenfalls ein Rechtecksignal erstellen, so dass man mit drei OpAmps eine spannungsgesteuerte PWM basteln kann.