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PWM für die Leistungssteuerung

Ein DC (Gleichstrom)-Gerät wird mit einer konstanten Versorgungsspannung U betrieben, wobei der Stromverbrauch I und damit die Leistungsaufnahme P = U * I in der Regel von der Spannung abhängig sind. So kann beispielsweise bei einer elektrischen Heizung mit dem (konstanten) Widerstand R und der Versorgungsspannung U die Leistungsaufnahme wie folgt berechnet werden:

Es gibt viele elektrische Geräte, die sich bezüglich der Leistungsaufnahme in guter Näherung wie (event. nicht konstante) Widerstände verhalten, darunter Gleichstrommotoren, Glühlampen und LEDs. Wenn ein solches Gerät durch einen digitalen Ausgang eines Mikrocontrollers angesteuert wird, ist seine Versorgungsspannung entweder 0 oder VCC. Die Ausgangsspannung eines digitalen Ports ist typischerweise VCC = 3.3V oder 5V, aber die Versorgungsspannung des Gerätes kann mit einem Vorwiderstand erniedrigt, oder mit einem Transistor- oder IC-Treiber erhöht werden.

Es ist aber ganz einfach, in einem rein digitalen System die Leistung eines angeschlossenen Geräts zu steuern (Geschwindigkeit eines Motors, Leuchtkraft einer Lampe oder einer LED), da meist ein analoger Ausgang fehlt und man damit die Versorgungsspannung nicht einstellen kann. Mit folgender Überlegung ist eine Leistungssteuerung aber trotzdem möglich: Für den Energieverbrauch über längere Zeit ist nur der Mittelwert der Versorgungsspannung wichtig. Wenn innerhalb einer bestimmten kurzen Zeitperiode T, sagen wir T = 50 ms, die Spannung lediglich während einem Bruchteil t_on der Periode angelegt und für den Rest der Periode t_off = T - t_on auf Null gesetzt wird, so ist die mittlere Leistung durch den Dutycycle D = t_on/T bestimmt (oft in Prozent angegeben: 0% bis 100%).

Es ist ziemlich einfach, ein PWM-Signal mit einem eigenen Programm zu erzeugen. Dies ist aber gar nicht nötig, da bereits ein PWM-Generator in der GPIO-Bibliothek enthalten ist. Die Erzeugung von PWM-Signalen beansprucht aber wesentliche Rechnerleistung, insbesondere wenn mehrere PWM-Signale nötig sind. In diesem Fall ist es besser, die PWM-Signale mit einem speziell entwickelten externen PWM-Chip wie den PCA9685 zu erzeugen (Datenblatt).

Experiment 1: Dimmen einer LED

Ziel:
Mit einer LED, die über einen Vorwiderstand am Raspberry Pi angeschlossen ist, eine kleine Lichtshow erzeugen, indem man mit PWM periodisch die Helligkeit erhöht bzw. reduziert.

Programm:[►]

# PWM1.py
# LED dimming

import RPi.GPIO as GPIO
import time

P_LED = 22 # adapt to your wiring
fPWM = 50  # Hz (not higher with software PWM)

def setup():
    global pwm
    GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
    GPIO.setup(P_LED, GPIO.OUT)
    pwm = GPIO.PWM(P_LED, fPWM)
    pwm.start(0)
    
print "starting"
setup()
duty = 0
isIncreasing = True
while True:
    pwm.ChangeDutyCycle(duty)
    print "D =", duty, "%"
    if isIncreasing:
        duty += 10
    else:
        duty -= 10
    if duty == 100:
        isIncreasing = False
    if duty == 0:
        isIncreasing = True
    time.sleep(1)

Bemerkungen:
Um einen GPIO-Port als PWM-Output zu verwenden, definieren Sie zuerst den Port (hier Port #22) als Output. Dann erzeugen Sie ein Objekt pwm mit einer bestimmten PWM-Frequenz fPWM (Anzahl der Perioden T (Zyklen) pro Sekunde, fPWM = 1/T). fPWM sollte hoch genug sein, um ein Flackern zu vermeiden (bei Verwendung der GPIO-Bibliothek liegt der maximale Wert bei 50 Hz). Der Dutycycle kann mit der Funktion ChangeDutyCycle() geändert werden.

Experiment 2: RGB-LEDs verwenden

Verbreitete Geräte:

Luminex SSL-LX5097 (Datasheet)	SMD 5050 RGB (KY-009 module)	KY--016 module mit seriellen Widerständen

Ziel:
Mit einer RGB-LED eine kleine Farb-Lichtshow erzeugen, bei der alle 200 ms die RGB-Komponenten zufällig gewählt werden.

Schaltschema:

Programm:[►]

# PWM2.py
# Set RGB color

import RPi.GPIO as GPIO
import time
import random

P_RED = 22     # adapt to your wiring
P_GREEN = 24   # ditto
P_BLUE = 26    # ditto
fPWM = 50      # Hz (not higher with software PWM)

def setup():
    global pwmR, pwmG, pwmB
    GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
    GPIO.setup(P_RED, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(P_GREEN, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(P_BLUE, GPIO.OUT)
    pwmR = GPIO.PWM(P_RED, fPWM)
    pwmG = GPIO.PWM(P_GREEN, fPWM)
    pwmB = GPIO.PWM(P_BLUE, fPWM)
    pwmR.start(0)
    pwmG.start(0)
    pwmB.start(0)
    
def setColor(r, g, b):
    pwmR.ChangeDutyCycle(int(r / 255 * 100))
    pwmG.ChangeDutyCycle(int(g / 255 * 100))
    pwmB.ChangeDutyCycle(int(b / 255 * 100))
    
print "starting"
setup()
while True:
    r = random.randint(0, 255)
    g = random.randint(0, 255)
    b = random.randint(0, 255)
    print r, g, b
    setColor(r, g, b)
    time.sleep(0.2)

Bemerkungen:
Die Seriewiderstände müssen den Strom etwa auf 10 mA begrenzen (entsprechend dem gemäss Datenblatt maximal erlaubten LED-Strom, aber nicht mehr als 16 mA, da dies der maximale Strom eines GPIO-Ports ist).

Experiment 3: RGB-LED-Streifen mit MOSFET-Treiber

Übliche GPIO-Treiber:

Bipolarer Transistor	MOSFET		Darlington Array
Beispiel: Transistor: 2N2222A Rb = 1 kOhm VCC (max): 40 V IC (max): 0.8 A		Beispiel: MOSFET: FQP30N06L RG = 100 kOhm (optional um bei offenem Eingang das Gate auf GND zu ziehen) VCC (max): 60 V ID (max): 60 A (mit Kühlkörper)		Beispiel: IC: ULN2003A (Pin #9 Anschluss optional bei induktiven Lasten) VCC(max): 50 V IL(max): 0.5 A (für jeden der 7 Kanäle)

Ziel:
Kaufen Sie im nächsten Einkaufszentrum einen günstigen RGB-LED-Streifen und ein stabilisiertes 12 V-Netzgerät. Verwenden Sie 3 MOSFET-Treiber (z.B. FQP30N06L) und realisieren Sie die unten abgebildete Schaltung (zusammenlöten oder Steckplatine verwenden). Schreiben Sie ein lustiges Programm für eine bunte Lichtshow.

Schaltschema:

Als ersten Ansatz können Sie das gleiche Programm wie oben verwenden. Es liegt aber an Ihnen, mit etwas Phantasie eine viel schönere Show zu gestalten.

Experiment 4: Voll adressierbarer RGB-LED-Streifen

(to be done)