PWM Signal Generator

v1.1.2b | Elektronik Labor

Gast | Gast-Modus 0

Beschreibung

Was ist PWM?

Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Technik zur Steuerung der durchschnittlichen Leistung, die an ein Gerät geliefert wird, indem schnell zwischen Ein- und Aus-Zuständen umgeschaltet wird.

Hauptparameter:

Duty Cycle (Tastverhältnis): Der Prozentsatz der Zeit, in der das Signal "HIGH" ist
Frequenz: Wie oft pro Sekunde das Signal zwischen HIGH und LOW wechselt
Periode: Die Zeit für einen kompletten Zyklus (Periode = 1 / Frequenz)
ON-Zeit: Die Zeit, in der das Signal HIGH ist (ON-Zeit = Periode × Duty Cycle)
OFF-Zeit: Die Zeit, in der das Signal LOW ist (OFF-Zeit = Periode × (1 - Duty Cycle))

Anwendungen:

LED-Helligkeitssteuerung: Durch Variation des Duty Cycles erscheint die LED heller oder dunkler
Motor-Geschwindigkeitsregelung: Steuerung der Drehzahl von DC-Motoren
Servo-Positionierung: Präzise Steuerung von Servo-Motoren
Audio-Verstärker (Class-D): Effiziente Verstärkung von Audiosignalen
DC-DC Spannungswandler: Buck/Boost Konverter für Spannungsregelung
Heizungssteuerung: Temperaturregelung durch Leistungsmodulation

Funktionsweise:

Bei einem Duty Cycle von 50% ist das Signal die Hälfte der Zeit eingeschaltet, wodurch im Durchschnitt 50% der maximalen Leistung übertragen wird. Bei niedrigen Frequenzen (wie in diesem Simulator) können Sie die einzelnen Impulse deutlich sehen. In der Praxis werden oft viel höhere Frequenzen (kHz bis MHz) verwendet.

🎓 Berechnung:

Periode (T) = 1 / Frequenz [Sekunden]
ON-Zeit = T × (Duty Cycle / 100)
OFF-Zeit = T × (1 - Duty Cycle / 100)
Durchschnittliche Spannung = V_max × (Duty Cycle / 100)

Informationen

🏷️ Slug PF_pwmgen

🔢 Version 1.1.2b

👤 Autor Franz PFuisi

📅 Erstellt 2025-11-20

Status Active

Kategorie Tools / Electronics

PFWS 1.4.1.3.27

Tastverhältnis (Duty Cycle) 53%

Frequenz 2.0 Hz

Signal Level anpassen

HIGH (2.23V)

LOW (-2.29V)

Periode 500 ms

ON-Zeit 250 ms

OFF-Zeit 250 ms

Avg. Power 50%

OSZILLOSKOP STEUERUNG

ZEITBASIS & VERSTÄRKUNG

TIME/DIV

100 ms/div

VOLTS/DIV

1 V/div

GRID LABELS

CURSOR (MESSUNG)

VOLT ZEIT

ANWENDUNGEN

Anwendungs-Visualisierung

Signalübersicht

Duty Cycle53.0%

Frequenz2.0 Hz

HIGH2.23V

LOW-2.29V

Periode500.00 ms

ON-Zeit265.00 ms

OFF-Zeit235.00 ms

Wähle rechts eine Anwendung, um das PWM-Signal als praxisnahe Visualisierung zu sehen.

Oszilloskop-Einstellungen

Frequenzbereich

Einheit Aktuelle Einheit: Hz

Minimum Kleinste einstellbare Frequenz

Maximum Größte einstellbare Frequenz

Oszilloskop Einstellungen

TIME/DIV (Zeitbasis) Zeit pro horizontalem Kästchen (10 Kästchen = gesamter Bildschirm)

VOLTS/DIV (Vertikalverstärkung) Spannung pro vertikalem Kästchen (8 Kästchen = gesamte Höhe)

HIGH Level (V) Spannung im HIGH-Zustand

LOW Level (V) Spannung im LOW-Zustand

Farben

Farbschema Vorgefertigte Farbkombinationen

Vorschau:

Signal-Farbe

Gitter-Farbe

Hintergrund

Presets

Zurücksetzen

Farben, TIME/DIV, VOLTS/DIV, Grid & Labels

Oszilloskop-Steuerung & Anwendungs-Visualisierung

📚 Warum ein Transistor?

Problemstellung: Mikrocontroller (Arduino, ESP32, etc.) können nur wenige mA (ca. 20-40mA) treiben – das reicht nicht für LEDs mit hoher Helligkeit, Motoren, Relais oder andere Lasten!

Lösung: Ein Transistor fungiert als elektronischer Schalter. Das PWM-Signal vom Mikrocontroller steuert die Basis/Gate, während die Last (LED, Motor) am Kollektor/Drain hängt und von einer externen Stromquelle versorgt wird.

Typen:

NPN-Transistor (Low-Side Switch): Last zwischen VCC und Kollektor, Emitter an GND
PNP-Transistor (High-Side Switch): Last zwischen Emitter und GND, Kollektor an VCC
N-Channel MOSFET: Beste Wahl für höhere Ströme (bis mehrere Ampere), geringerer Spannungsabfall

🧰 Interaktive Schaltungssimulation

Bewege die Slider oben, um das PWM-Signal zu ändern und die Schaltung live zu sehen!

Spannungen

V_CC: 5V

V_BE: ~0.7V (aktiv)

V_CE(sat): ~0.2V

Ströme

I_B: ~4mA (max)

I_C: ~20mA (LED)

h_FE: ~100 (Gain)

Funktion

Bei 50% Duty Cycle ist der Transistor die Hälfte der Zeit eingeschaltet.

🎓 Wie funktioniert's?

Sättigung (Saturation): PWM HIGH → Transistor voll durchgeschaltet → LED leuchtet (V_CE ≈ 0.2V)

Cutoff (Gesperrt): PWM LOW → Transistor gesperrt → LED aus (I_C ≈ 0mA)

PWM-Effekt: Durch schnelles Umschalten erscheint die LED mit angepasster Helligkeit!

Tipp: Für höhere Ströme (>500mA) verwende MOSFETs wie IRLZ44N statt BJT-Transistoren!

PWM Signal Generator - Grundlagen

Alles was du über PWM (Pulsweitenmodulation) und Oszilloskope wissen musst

Was ist PWM?

PWM (Pulse Width Modulation) ist eine Modulationstechnik, bei der ein digitales Signal mit fester Frequenz erzeugt wird, dessen Tastverhältnis (Duty Cycle) variiert werden kann.

Hauptanwendungen:

LED-Helligkeitssteuerung
Motordrehzahlregelung
Servo-Ansteuerung
DC-DC Wandler
Class-D Audio-Verstärker
E-Auto Ladesteuerung (IEC 61851)

Duty Cycle (Tastverhältnis)

Der Duty Cycle gibt an, wie lange das Signal im HIGH-Zustand ist, im Verhältnis zur gesamten Periodendauer.

Formel:

Duty Cycle (%) = (T_HIGH / T_PERIODE) × 100

0% Duty Cycle: Signal immer LOW (aus)

50% Duty Cycle: Signal 50% HIGH, 50% LOW

100% Duty Cycle: Signal immer HIGH (an)

Oszilloskop Einstellungen

TIME/DIV (Zeitbasis)

Bestimmt die Zeit pro horizontaler Division (Kästchen) auf dem Bildschirm.

Beispiel: Bei 100 ms/div bedeutet dies:
• 1 Kästchen = 100 ms
• 10 Kästchen (volle Breite) = 1 Sekunde
• Ein 2 Hz Signal (0,5s Periode) benötigt 5 Kästchen

VOLTS/DIV (Vertikalverstärkung)

Bestimmt die Spannung pro vertikaler Division auf dem Bildschirm.

Beispiel: Bei 1 V/div bedeutet dies:
• 1 Kästchen = 1 Volt
• 8 Kästchen (volle Höhe) = 8 Volt (±4V vom Mittelpunkt)
• Ein 5V Signal nutzt 5 Kästchen

HIGH und LOW Level

Die Spannungspegel des PWM-Signals können frei eingestellt werden:

HIGH Level

Die Spannung im eingeschalteten Zustand. Typische Werte: 3.3V, 5V, 12V, 24V

LOW Level

Die Spannung im ausgeschalteten Zustand. Meist 0V, kann aber auch negativ sein (z.B. -5V für bipolare Signale)

Tipp: Klicke auf das Oszilloskop-Display um die Signal-Level anzupassen!

AUTO AUTO Funktion

Der AUTO Button berechnet automatisch die optimalen Oszilloskop-Einstellungen:

Passt TIME/DIV an die Signalfrequenz an
Zeigt optimal 2-3 Perioden auf dem Bildschirm
Skaliert VOLTS/DIV passend zum Spannungsbereich
Aktiviert Grid und Labels für beste Sichtbarkeit

Schnelltipp: Drücke AUTO nach jeder Frequenzänderung für die beste Darstellung!

Bedienung der Dials

Maus Drag

Halte die Maus auf dem Dial gedrückt und ziehe nach oben/unten um Werte zu ändern

Direkteingabe

Klicke auf die Wert-Anzeige um einen Wert direkt einzugeben. Enter zum Bestätigen.

Mausrad

Verwende das Mausrad während der Eingabe um schnell durch die Werte zu scrollen

Typische Anwendungen

LED Dimmen

Frequenz: 100 Hz - 20 kHz
Spannung: 3.3V oder 5V
Duty: 0-100% = Helligkeit

Class-D Audio

Frequenz: 200-500 kHz
Spannung: ±12V bis ±24V
Filter: RC-Tiefpass nötig

E-Auto Laden

Frequenz: 1 kHz (±25 Hz)
Spannung: 12V
Standard: IEC 61851-1

Motor Control

Frequenz: 15-30 kHz
Spannung: 12V, 24V, 48V
Duty: 0-100% = Drehzahl

Tastenkombinationen

ESC Eingabe abbrechen / Dialog schließen

Enter Eingabe bestätigen

Mausrad ↑/↓ Werte während Eingabe ändern

Modul-Einstellungen

Allgemeine Einstellungen für das PWM Signal Generator Modul. Dieses Modul ist Teil des PF_ElektronikLabor Systems.

Oszilloskop-Einstellungen

Die Oszilloskop-Einstellungen wurden ausgelagert!

Alle Einstellungen für das PWM-Oszilloskop (Frequenzbereich, Gitter-Dichte, Signal-Farben, Presets, etc.) findest du jetzt direkt beim Oszilloskop über das Zahnrad-Symbol in der rechten oberen Ecke des Oszilloskops.

Vorteil: Schnellerer Zugriff und bessere Übersicht direkt dort, wo du die Änderungen siehst!

Erscheinungsbild

Theme Farbschema des Moduls

Animation Geschwindigkeit der UI-Animationen

Kompakt-Modus Reduzierte Abstände für mehr Inhalt

Verhalten

Auto-Update Oszilloskop bei Änderungen sofort aktualisieren

Tooltips Hilfe-Tooltips bei Mouse-Over anzeigen

Zustand merken Letzte Einstellungen beim nächsten Start wiederherstellen

Integration (PF_ElektronikLabor)

Labor-Sync Synchronisation mit anderen Labor-Modulen

Export-Format Standard-Format für Datenexport

Erweitert

Debug-Modus Erweiterte Konsolenausgabe für Entwickler

Performance Grafik-Performance vs. Energie-Effizienz

Hinweis: Dieses Modul ist Teil des PF_ElektronikLabor Systems und kann auch als eigenständiges Tool verwendet werden.

Version: 1.1.2b | PFWS: 1.4.1.3.27

PWM auf Mikrocontrollern programmieren

Hier findest du praktische Code-Beispiele für die gängigsten Mikrocontroller-Plattformen:

Arduino (AVR)

// PWM auf Pin 9 (Arduino Uno)
const int pwmPin = 9;

void setup() {
  pinMode(pwmPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Helligkeit von 0-255 (8-bit PWM)
  for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) {
    analogWrite(pwmPin, brightness);
    delay(10);
  }
  
  // PWM-Frequenz ändern (Pin 9 & 10):
  // TCCR1B = TCCR1B & 0b11111000 | 0x01; // 31kHz
}

Hardware-PWM Pins: 3, 5, 6, 9, 10, 11 (Uno)

Frequenz: Standard ~490Hz (Pin 5, 6) oder ~980Hz (Pin 9, 10, 11)

Auflösung: 8-bit (0-255)

ESP32

// PWM mit LEDC (LED Control)
const int pwmPin = 25;
const int pwmChannel = 0;
const int pwmFreq = 5000;      // 5 kHz
const int pwmResolution = 10;  // 10-bit (0-1023)

void setup() {
  ledcSetup(pwmChannel, pwmFreq, pwmResolution);
  ledcAttachPin(pwmPin, pwmChannel);
}

void loop() {
  // Duty Cycle von 0-1023
  for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 1023; dutyCycle++) {
    ledcWrite(pwmChannel, dutyCycle);
    delay(5);
  }
}

PWM Channels: 16 unabhängige Kanäle (0-15)

Frequenz: Frei wählbar (1Hz - 40MHz)

Auflösung: 1-16 bit konfigurierbar

Raspberry Pi Pico (MicroPython)

from machine import Pin, PWM
import time

# PWM auf GPIO 15
pwm_pin = PWM(Pin(15))
pwm_pin.freq(1000)  # 1 kHz

# Duty Cycle von 0-65535 (16-bit)
for duty in range(0, 65536, 1000):
    pwm_pin.duty_u16(duty)
    time.sleep(0.05)

PWM Pins: Alle GPIO-Pins unterstützen PWM

Frequenz: 7Hz - 125MHz

Auflösung: 16-bit (0-65535)

STM32 (HAL)

// Timer-basiertes PWM (z.B. TIM2, Channel 1)
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1;     // 84 MHz / 84 = 1 MHz
htim2.Init.Period = 1000 - 1;      // 1 MHz / 1000 = 1 kHz
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

// PWM starten
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

// Duty Cycle setzen (0-999)
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 500); // 50%

Timer: Mehrere Timer mit je 4 Channels

Frequenz: Hochflexibel durch Prescaler/Period

Auflösung: 16-bit (0-65535)

Praktische Tipps

LED-Flimmern vermeiden: Frequenz > 100Hz (besser 500Hz-5kHz)
Motor-Steuerung: 20-25kHz (außerhalb des hörbaren Bereichs)
Servo-Signale: 50Hz mit 1-2ms Pulsbreite
Audio-PWM: Mindestens 40kHz für Class-D Verstärker
Externe Treiber: Bei >500mA immer Transistor/MOSFET verwenden!

Bestätigung erforderlich

Was ist PWM?

Hauptparameter:

Anwendungen:

Funktionsweise:

🎓 Berechnung:

Oszilloskop-Einstellungen

Frequenzbereich

Anzeige

Oszilloskop Einstellungen

Farben

Presets

Zurücksetzen

Teilen & Speichern

📚 Warum ein Transistor?

🧰 Interaktive Schaltungssimulation

🎓 Wie funktioniert's?

PWM Signal Generator - Grundlagen

Was ist PWM?

Duty Cycle (Tastverhältnis)

Oszilloskop Einstellungen

TIME/DIV (Zeitbasis)

VOLTS/DIV (Vertikalverstärkung)

HIGH und LOW Level

HIGH Level

LOW Level

AUTO AUTO Funktion

Bedienung der Dials

Maus Drag

Direkteingabe

Mausrad

Typische Anwendungen

LED Dimmen

Class-D Audio

E-Auto Laden

Motor Control

Tastenkombinationen

Modul-Einstellungen

Oszilloskop-Einstellungen

Erscheinungsbild

Verhalten

Integration (PF_ElektronikLabor)

Erweitert

PWM auf Mikrocontrollern programmieren

Arduino (AVR)

ESP32

Raspberry Pi Pico (MicroPython)

STM32 (HAL)

Praktische Tipps

PFWS System