Grundlegendes zu PWM-Sensoren:Funktions- und Testleitfaden

Immer mehr Industriesysteme ersetzen herkömmliche analoge Signale durch saubere, rauschresistente Pulsweitenmodulation.

Da der PWM-Ausgang ein- und ausgeschaltet wird, anstatt einen konstanten analogen Pegel beizubehalten, führt dies zu einem geringeren Stromverbrauch und einer geringeren Wärmeproduktion. Wir werden die EIN- und AUS-Vorgänge später in diesem Artikel erklären.

Sensoren mit Pulsweitenmodulation (PWM) sind mittlerweile überall zu finden. In diesem Artikel erklären wir ausführlich, wie ein PWM-Sensorsignal eine Prozessvariable darstellen kann, und zeigen Ihnen, wie Sie es mit Ihrem zuverlässigen Digitalmultimeter testen können.

PWM-Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Sie messen unter anderem Position und Weg, Druck und Kraft, überwachen Geschwindigkeit und Drehzahl.

Analog- und PWM-Sensoren

Beginnen wir mit der Identifizierung zweier analoger Sensoren, die durch PWM-Sensoren ersetzt werden.

Potentiometer

Potentiometer waren einst die bevorzugte Wahl für viele Positionsmessanwendungen.

Sie waren auch in Joysticks, Hebeln und Pedalen üblich.

Warum werden sie durch PWM-Geräte ersetzt? Ein Potentiometer verfügt über einen Metallwischer, der an einem Widerstandsmaterial reibt, um einen variablen Widerstand zu erzeugen. Mit der Zeit verschmutzen sie und nutzen sich ab. Eine Reinigung ist nahezu unmöglich, daher werden sie häufig ausgetauscht.

Sie sind jedoch nicht ganz verschwunden und werden wahrscheinlich noch eine ganze Weile bestehen bleiben.

Drehgeber

Okay, was ist mit Drehgebern? Optische Encoder werden seit Jahrzehnten zur Bestimmung der Wellenposition eingesetzt. Es gibt PWM-Absolutwertgeber, die eine bessere Beständigkeit gegen Staub, Öl, Vibrationen und Stöße bieten. Sie sind nicht auf eine LED-Lichtquelle und eine Codescheibe angewiesen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.

So funktionieren PWM-Sensoren

Ok, nachdem wir nun besprochen haben, wo Sie möglicherweise PWM-Sensoren finden und warum, lassen Sie uns fortfahren und erklären, wie sie funktionieren.

Einfach ausgedrückt beinhaltet PWM die Anpassung des Arbeitszyklus einer digitalen Wellenform mit konstanter Frequenz. Bei einem PWM-Sensor spiegeln Änderungen im Arbeitszyklus Schwankungen eines physikalischen Parameters wie Drehung, Position oder Druck wider.

Arbeitszyklus und Frequenz

Was ist also der Arbeitszyklus? Beginnen wir mit der Diskussion der Häufigkeit.

In Nordamerika kennen wir alle die 60-Hz-Frequenz einer Wechselstromnetzspannung.

Auf einem Oszilloskop wird die Netzwechselspannung als Sinuswelle dargestellt, die sich mit 60 Zyklen pro Sekunde wiederholt.

Mithilfe einfacher Mathematik können wir ermitteln, dass die Zeit zum Abschließen eines Zyklus, die sogenannte Periode, 16,67 Millisekunden beträgt. Wie sind wir darauf gekommen? Die Periode ist der Kehrwert der Frequenz.

P ist die Periode eines Zyklus.

Wellenformtypen

Nicht alle sich wiederholenden Wellenformen sind sinusförmig oder wechseln ihre Polarität wie die Netzspannung. Es gibt Sägezahnwellenformen und Rechteckwellenformen, um nur einige zu nennen.

PWM ist eine sich wiederholende Wellenform, bei der jeder Halbzyklus in der Dauer variieren kann.

Jeder Zyklus der Wellenform hat eine Zeit, in der die Spannung eingeschaltet ist, und eine andere, in der sie ausgeschaltet ist.

Der Arbeitszyklus ist das Verhältnis der Einschaltzeit zur Periode oder die Dauer eines Zyklus. Der Arbeitszyklus wird in Prozent ausgedrückt.

Beispiel für einen PWM-Sensor

Schauen wir uns ein Beispiel an.

Wir haben einen PWM-Sensor mit einer Periode von 2 Sekunden und einer Einschaltzeit von 0,5 Sekunden. Der Arbeitszyklus ist das Verhältnis der Einschaltzeit zur Gesamtperiode. In diesem Beispiel sind das 0,5 Sekunden geteilt durch 2 Sekunden. Denken Sie daran, dass wir den Arbeitszyklus als Prozentsatz ausdrücken, er beträgt also 25 %.

Das Gerät der Megatron HTP36-Serie ist ein Single-Turn-Absolutwertgeber mit einem PWM-Ausgang.

Es arbeitet mit einer Frequenz von 244 Hz. Der Arbeitszyklus reicht von 10 % bis 90 %, was einer Drehung von 0 bis 360 Grad entspricht. Bei einer Versorgungsspannung von 5 V DC können wir davon ausgehen, dass der Einschaltzeit-Spannungsimpuls 5 V DC beträgt.

Warum variiert die Einschaltdauer zwischen 10 % und 90 %? Dieser Bereich ist für PWM-Sensoren üblich, obwohl auch 5 % bis 95 % typisch sind. Der gesamte Bereich von 0 % bis 100 % wird nicht für Diagnosezwecke verwendet. Ein Signal unter 10 % oder über 90 % weist auf einen möglichen Fehlerzustand hin.

Beobachtung eines PWM-Signals mit einem Oszilloskop

Lassen Sie uns die Wellenform untersuchen, die wir auf einem tragbaren, batteriebetriebenen Oszilloskop Fluke 190 beobachten würden, das an den Ausgang dieses Encoders angeschlossen ist.

Bei einer Drehung um 0 Grad beobachten wir ein Tastverhältnis von 10 %. Die Wellenformperiode beträgt 4,0 Millisekunden und die Einschaltzeit beträgt 0,4 Millisekunden.

Bei einer Drehung um 360 Grad beobachten wir eine Einschaltdauer von 90 %. Wie üblich beträgt die Wellenformperiode 4,0 Millisekunden. Die Einschaltzeit beträgt 3,6 Millisekunden.

Hierbei ist zu beachten, dass in der Spezifikation ein maximaler Arbeitszyklus von 90 % angegeben ist, was etwa 3,5 ms entspricht.

Warum der Unterschied? Im Wesentlichen ist dies die gängige Praxis auf Datenblättern. Der Hersteller rundet die Werte der Einfachheit halber.

PWM-Signale mit einem Digitalmultimeter messen

Nun, es ist großartig, wenn Sie oder Ihr Unternehmen sich ein teures tragbares Oszilloskop leisten können, aber nicht viele können es.

Alles, was Sie wirklich brauchen, ist ein DMM (Digitalmultimeter) mit einigen speziellen Optionen, wie dem Fluke 87V, das Frequenz und Arbeitszyklus messen kann.

Ein PWM-Sensor ist ein aktives Gerät, im Gegensatz zu einem Potentiometer, das passiv ist. Zum Betrieb braucht es Strom. Es gibt keine Ohmmeter-Tests, mit denen Sie feststellen können, ob es brauchbar ist.

Dieses spezielle DMM verfügt über eine Schaltfläche mit der Bezeichnung Hz mit einem %-Prozentzeichen.

Mit dieser Taste können Sie mit einem einzigen Tastendruck die Frequenz in Hertz und den Arbeitszyklus als Prozentsatz messen.

Um die Frequenz zu messen, schließen Sie die Leitungen an die VAC-DMM-Klemmen an und stellen Sie den Wahlschalter auf Wechselspannung. Schließen Sie die Leitungen wie beim Oszilloskop an. Drücken Sie einmal die Hz-Taste und das Display zeigt die Frequenz in Hertz an.

Denken Sie daran, dass die PWM-Frequenz konstant bleibt; Daher sollte sich der Messwert beim Drehen des Encoders nicht ändern.

Um den Arbeitszyklus zu messen, lassen Sie die gleichen Leitungen angeschlossen. Drücken Sie die Hz-Taste erneut und das Display zeigt nun den Arbeitszyklus in Prozent an. Sie werden sehen, wie sich der Arbeitszykluswert von 10 % auf 90 % ändert, wenn Sie den Encoder von 0 auf 360 Grad drehen.

Anhand der DMM-Messwerte lässt sich erkennen, ob der Sensor tot, fraglich oder instabil ist.

PWM-Sensoren mit Gleichspannung testen

Wenn Ihr DMM nicht über die Möglichkeit verfügt, Frequenz oder Arbeitszyklus zu messen, ist noch nicht alles verloren. Sie können sich dennoch einen ungefähren Überblick über die Funktionsweise eines PWM-Sensors verschaffen, indem Sie das Messgerät auf die Messung von Gleichspannung einstellen. In diesem Modus zeigt das DMM den Durchschnitt der gepulsten Wellenform an.

Da das Tastverhältnis mit der Encoderdrehung variiert, ändert sich auch die durchschnittliche Gleichspannung. Mit zunehmender Einschaltdauer steigt die gemessene Gleichspannung entsprechend an.

Mit dieser Methode können Sie den Arbeitszyklus nicht bestimmen. Bleibt die Gleichspannung jedoch unverändert, während sich der Encoder dreht, sollte der PWM-Sensor als verdächtig angesehen werden.

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Zusammenfassung

PWM-Sensoren lassen sich vor Ort überraschend einfach mit einem Digitalmultimeter testen, vorausgesetzt, Sie verstehen Arbeitszyklus und Frequenz.

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18. März 2026