Pulsweitenmodulation (Graustufen- und Helligkeitssteuerung)

Pulsweitenmodulation regelt eine Größe über die Zeit statt über die Höhe. Ein Schalter kennt nur zwei Zustände, an und aus; verändert wird allein, welchen Anteil einer festen Periode der An-Zustand einnimmt — das Tastverhältnis. Der Mittelwert folgt diesem Anteil unmittelbar: Ein Signal mit 5 Volt Amplitude und 75 Prozent Tastverhältnis ergibt tiefpassgefiltert 3,75 Volt.

Ausführliche Erklärung

Erzeugt wird ein solches Signal in der einfachsten Form aus einem Dreieckgenerator und einem Vergleicher: Liegt das Eingangssignal über dem Dreieck, ist der Ausgang an, sonst aus. Je höher das Eingangssignal, desto länger der An-Anteil. Aus einer stufenlosen Größe wird so eine Folge gleich hoher Impulse verschiedener Länge.

Damit daraus wieder ein stufenloser Wert wird, muss jemand mitteln. Dafür gibt es zwei Wege, und der Unterschied zwischen ihnen erklärt die meisten Missverständnisse zu diesem Begriff.

Ein Filter mittelt. In einem Schaltverstärker liegt hinter der Endstufe ein Tiefpass, der aus der Impulsfolge die Audiospannung zurückgewinnt; in einem Schaltnetzteil übernimmt das die Speicherdrossel mit dem Ladekondensator. Der Vorteil ist der Wirkungsgrad: Ein Schalter, der entweder durchgeschaltet oder gesperrt ist, setzt kaum Leistung in Wärme um. Für Class-D-Verstärker nennt der Hersteller üblicherweise bis etwa 90 Prozent Wirkungsgrad, die verbleibenden rund 10 Prozent werden zu Wärme — der Grund, warum Endstufen dieser Bauart klein und kühl gebaut werden können.

Ein Sinnesorgan mittelt. Beim Bildwandler des DLP-Verfahrens gibt es keinen Filter. Jeder Spiegel steht entweder im Lichtweg oder daneben, und die Graustufe entsteht aus dem An-/Aus-Tastverhältnis. Gemittelt wird im Auge: Es integriert das auf die Netzhaut treffende Licht über einen Zeitraum von etwa einer fünfzigstel Sekunde. Bei über 20.000 Schaltvorgängen je Sekunde fallen in dieses Fenster so viele Wechsel, dass nur der Mittelwert wahrgenommen wird. Dieselbe Zeitkonstante macht auch die zeitliche Farbfolge möglich, die drei nacheinander gezeigte Grundfarben zu einer Mischfarbe verschmelzen lässt.

Wo die Grenze liegt

Beide Wege haben dieselbe Schwachstelle an derselben Stelle: Wird zu langsam geschaltet, tritt die Impulsfolge selbst in Erscheinung. Beim Filter zeigt sie sich als Restwelligkeit, beim Auge als Flimmern. Bei gedimmtem Licht im Raum ist das der praktisch häufigste Fall — eine über das Tastverhältnis gedimmte Leuchte kann für empfindliche Betrachter sichtbar flimmern und in Kameraaufnahmen Streifen erzeugen, während dieselbe Leuchte bei voller Leistung unauffällig bleibt.

Häufiges Missverständnis

„Pulsweitenmodulation ist etwas Digitales." Das legt der Zusammenhang nahe, weil sie meist neben digitaler Signalverarbeitung auftaucht und weil ihre Zustände wie Nullen und Einsen aussehen. Beschrieben ist damit aber eine Betriebsart der Leistungsstufe und keine Rechenweise: Ein rein analog erzeugtes PWM-Signal ist möglich und in Lehrbeispielen der übliche Fall, und die Länge der Impulse ist eine stufenlose Größe. Was am Ende herauskommt, hängt an der Zeitauflösung der Schaltstufe.

Nicht zu verwechseln mit

• Amplitudensteuerung: regelt die Höhe. Eine gedimmte Glühlampe an einem Phasenanschnittdimmer und eine über das Tastverhältnis gedimmte Leuchtdiode sehen ähnlich aus und verhalten sich völlig verschieden.
• Digitale Signalverarbeitung: rechnet mit Zahlen und steht im Signalweg davor. Pulsweitenmodulation ist die Art, wie das Ergebnis anschließend in Leistung umgesetzt wird.
• Bildwiederholrate: wie oft ein neues Bild entsteht. Die Schaltrate eines Bildpunkts liegt um Größenordnungen darüber.

In der Planung

Für den Raum ist dieser Begriff vor allem bei der Beleuchtung eine echte Entscheidung. Steht fest, dass Leuchten gedimmt werden sollen — und im Heimkino steht das immer fest —, gehört die Frage nach dem Dimmverfahren in dieselbe Planungsstufe wie die Leuchtenauswahl. Ein Bias-Light hinter der Bildfläche läuft üblicherweise auf niedriger Stufe, also genau in dem Bereich, in dem ein grob getaktetes Dimmverfahren auffällig wird.

Für die Geräteauswahl selbst ist Pulsweitenmodulation dagegen keine Auswahlgröße. Sie erklärt Eigenschaften, die ohnehin da sind: warum ein Spiegel-Bildwandler mit zwei Zuständen Zwischenhelligkeiten kann, warum ein Schaltverstärker ohne großen Kühlkörper auskommt und warum beide Verfahren mit derselben Frage kämpfen — ob schnell genug geschaltet wird, dass das Verfahren unsichtbar bleibt.

Verknüpfte Inhalte

Das Bauteil, dessen Graustufen auf diesem Prinzip beruhen, steht bei MEMS und ausführlich bei DLP und DMD. Was aus der zeitlichen Farbfolge an sichtbaren Nebenwirkungen folgt, erklärt der Regenbogeneffekt. Den Wirkungsgradbegriff ordnet Wirkungsgrad ein, die Beleuchtungsanwendung Bias-Light.

Quellen

Erzeugung, Mittelwertbeziehung und Anwendungsfelder stammen aus einer Applikationsschrift zur analogen Pulsweitenmodulation, die Angabe zum Wirkungsgrad schaltender Endstufen aus einem Grundlagenpapier desselben Herstellers. Dass die Graustufen des Spiegel-Bildwandlers über das Tastverhältnis entstehen, ist eine Herstellerangabe; die Mittelungsdauer des Auges von etwa einer fünfzigstel Sekunde stammt aus der Herstellerdokumentation zum Verfahren.

1. Caldwell, Analog Pulse Width Modulation, TI SLAU508 (2013) — Erzeugung, Mittelwert als Produkt aus Tastverhältnis und Amplitude, Anwendungsfelder.
2. Satterla, Yashar, How to Choose a Class-D Audio Amplifier, TI SLOA290 (2020) — Wirkungsgrad bis etwa 90 Prozent.
3. Texas Instruments, DLPB010E — Graustufen über das Tastverhältnis, über 20.000 Schaltvorgänge je Sekunde.
4. Texas Instruments, DLPA059H — Mittelungsdauer des Auges von etwa 1/50 Sekunde.