PWM-Arbeitszyklusrechner
PWM-Arbeitszyklus, Frequenz, Durchschnittsspannung, Ausschaltzeit und RMS-Spannung anhand von Einschaltzeit- und Periodenparametern berechnen
Formel
Wie es funktioniert
Der PWM-Arbeitszyklusrechner bestimmt den Prozentsatz der Einschaltdauer, die Durchschnittsspannung und die Leistungsabgabe für pulsweitenmodulierte Signale — unverzichtbar für die Steuerung der Motordrehzahl, das Dimmen von LEDs und das Schalten von Stromrichtern. Embedded-Entwickler, Motorsteuerungstechniker und Entwickler von Leistungselektronik verwenden dieses Tool, um Timer-Peripheriegeräte zu konfigurieren und Antriebsschaltungen zu optimieren. Laut dem TI-Anwendungshinweis SPRAA88 erreicht PWM eine nahezu verlustfreie Leistungssteuerung durch vollständiges Ein- und Ausschalten statt einer linearen Regelung — ein Motorantrieb mit 50% Einschaltdauer verbraucht < 2% der Leistung im MOSFET gegenüber 50% in einem linearen Regler. Die grundlegende Beziehung Vavg = Vpp × D (wobei D = Ton/T) liefert die Durchschnittsspannung, die anhand der mechanischen oder thermischen Trägheit der Last gesehen wird. Gemäß Microchip AN964 muss die PWM-Frequenz die Ladezeitkonstante mindestens um das 10-fache überschreiten: Die mechanische Zeitkonstante des Motors τ = J×R/K² (typischerweise 10-100 ms) erfordert fsw > 1 kHz, während die thermische Zeitkonstante der LED (~100 ms) 100+ Hz für flackerfreies Dimmen ermöglicht. Die Auflösung hängt von der Uhrzeit und der Periode ab: Ein 8-Bit-Timer bietet 256 Schritte (0,4% Auflösung), während 16-Bit-Timer 65.536 Schritte (< 0,002% Auflösung) erreichen.
Bearbeitetes Beispiel
Entwerfen Sie eine PWM-Motordrehzahlsteuerung für einen 12-V-Gleichstrommotor mit einer Nenndrehzahl von 500 U/min. Anforderungen: Drehzahlbereich 10-100%, Drehzahlwelligkeit < 5%, minimales hörbares Geräusch. Schritt 1: Zielfrequenz berechnen — Motorzeitkonstante τ = 50 ms (aus Datenblatt J, R, K). Für < 5% ripple: fsw > 3/ (0,05 × τ) = 1,2 kHz. Bei unhörbarem Betrieb: fsw > 20 kHz (über dem menschlichen Gehör). Wählen Sie 25 kHz. Schritt 2: Bestimmen Sie die Timer-Konfiguration — Verwenden Sie STM32 bei 72 MHz: Zeitraum = 72 M/25 k = 2880 Zählungen. Auflösung = 1/2880 = 0,035% (ausgezeichnet). Schritt 3: Einschaltdauer für eine Drehzahl von 50% berechnen — Unter Annahme eines linearen Verhältnisses zwischen V und Drehzahl: D = 50% für 250 U/min. Vavg = 12 × 0,5 = 6 V. Schritt 4: Überprüfen Sie die Temperatur des MOSFETs — Bei 25 kHz und 20 ns Schaltzeit, Qg = 30 nC: Psw = 30 n × 12 × 25k = 9 mW. Pcond bei 5 A, 10 mΩ: 0,25 W. Insgesamt: 0,26 W — kein Kühlkörper für das SOT-23-Gehäuse erforderlich. Schritt 5: Dämpfer hinzufügen — Die Motorinduktivität verursacht Vspike = L×DI/dt. Bei 100 µH, 5 A Abschaltung in 50 ns: Vspike = 10 V. Insgesamt = 22 V, deutlich innerhalb der MOSFET-Nennleistung von 30 V.
Praktische Tipps
- ✓Verwenden Sie gemäß dem Anwendungshinweis zur Motorsteuerung von Infineon mittig ausgerichtete PWM, um EMI zu reduzieren — symmetrisches Schalten erzeugt eine zweifache effektive Schaltfrequenz mit der Hälfte der Stromwelligkeit im Vergleich zu randausgerichteten Schaltungen
- ✓Implementieren Sie eine Softstart-Rampe (100—500 ms), um mechanische Stöße und Einschaltströme zu verhindern — erhöhen Sie die Einschaltdauer linear von 0% auf den Sollwert über 10—50 PWM-Zyklen
- ✓Fügen Sie nach PWM einen RC-Tiefpassfilter (fc = fsw/100) für Anwendungen mit analogem Spannungsausgang hinzu — 25-kHz-PWM mit 2,5-kHz-Filter und 10-µF-Kondensator erzeugt eine Gleichstromspannung von < 1% Welligkeit
Häufige Fehler
- ✗Verwendung der PWM-Frequenz unter der Lastbandbreite — eine 100-Hz-PWM an einem Motor mit einer Zeitkonstante von 20 ms verursacht eine Geschwindigkeitsschwankung von 15-20% pro Zyklus; für einen reibungslosen Betrieb auf 1+ kHz erhöhen
- ✗Ignorieren des Totbands bei niedrigen Tastzyklen — Die Übertragungsverzögerung des Gate-Treibers (10—50 ns) legt die minimale effektive Einschaltzeit fest; bei 1 MHz PWM begrenzt eine Mindesteinschaltzeit von 50 ns die Auflösung auf eine Mindesteinschaltdauer von 5%
- ✗<500 Hz or >Auswahl der hörbaren PWM-Frequenz (500 Hz — 15 kHz) für Motorantriebe — elektromagnetische Geräusche von Motorwicklungen erzeugen lästiges Jammern; verwenden Sie 18 kHz
Häufig gestellte Fragen
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