Pulsweitenmodulation

Ziel: Mithilfe des Arduino soll eine funkelnde LED-Kerze gebaut werden.

Der Arduino verfügt über mehrere sogenannte PWM-Pins, die mit einer Tilde (\(\sim\)) gekennzeichnet sind. Du hast diese Pins schon bei den analogen Aktoren kennen gelernt, weil diese über Pulsweitenmodulation(PWM) angesprochen werden. Die PWM-Werte, die der Anweisung übergeben werden können, variieren von 0 bis 255.

Fading

  1. Schließe eine LED mit Vorwiderstand an einen PWM-Pin an und konfiguriere einen analogen Aktor an diesem Pin. Implementiere dann eine Zählschleife, die systematisch alle PWM-Werte von 0 bis 255 durchläuft. Beschreibe die Auswirkung auf die LED.
  2. Sorge dafür, dass die PWM-Werte nach Erreichen der 255 genauso rückwärts von 255 bis 0 durchlaufen werden.
  3. Zum Experimentieren: Was passiert, wenn PWM-Werte größer als 255 übergeben werden?

Pulsweitenmodulation

Erkläre mithilfe der Zusammenfassung zur Pulsweitenmodulation, was bei der Nutzung des Befehls Schreibe analogen Wert Aktor A 158 passiert. Berechne auch die mittlere Spannung, die am PWM-Pin ausgegeben wird.

Für Physik-Profis: Eine blaue LED hält bis zu 3,5 V aus, ohne durchzubrennen. Trotzdem darf man sie bei Verwendung dieses Befehls nicht ohne Vorwiderstand an den Pin anschließen. Begründe.

Pulsweitenmodulation (PWM)

Bei der Pulsweitenmodulation wechselt der ausgewählte digitale Pin sehr schnell (mit einer Frequenz von 50 Hz) zwischen den elektrischen Potentialen 5 V und 0 V hin und her - es ergibt sich also ein gepulstes Signal, dessen Weite (Dauer) moduliert werden kann. Aus dem Verhältnis der Zeit, in der der Pin auf einem 5 V-Potential liegt, zu der Zeit, in der der Pin auf einem 0 V-Potential liegt, ergibt sich eine mittlere Spannung (gegenüber Ground), die scheinbar am Pin anliegt. Wenn der Pin in der Hälfte der Zeit auf 5 V und in der anderen Hälfte auf 0 V liegt, dann ergibt sich eine mittlere Spannung von \(\overline{U}=2,5\,V\). Wenn der Pin nur in einem Viertel der Zeit auf 5 V liegt, dann ergibt sich eine mittlere Spannung von \(\overline{U}=1,25\,V\) (\(=5\,V\cdot 0,25\)).

t-U-Diagramm zur PWM
Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Pulsweitenmodulation mit einem Tastverhältnis von 25%.

Das Verhältnis der Zeit mit 5 V zu der Gesamtdauer einer Periode mit 5 V und 0 V wird als Tastverhältnis bezeichnet. Im Programm wird das Tastverhältnis durch einen Wert zwischen 0 und 255 angegeben. Eine 0 bedeutet, dass die Zeit mit 5 V 0% ausmacht, also liegt der Pin durchgängig auf einem 0 V-Potential. Eine 255 bedeutet, dass die Zeit mit 5 V 100% ausmacht, also liegt der Pin durchgängig auf einem 5 V-Potential. Diese beiden Werte entsprechen dem, was bei den bekannten Befehlen zur Steuerung von digitalen Pins passiert.

Ein Wert von 100 bedeutet einen Anteil von \(\frac{100}{255}\approx 0,39\) der Periodendauer. Daraus ergibt sich eine mittlere Spannung von \(\overline{U}=5\,V\cdot 0,39\approx 1,96\,V\).

Kerzenfunkeln


Beispiel für eine einfache LED-Kerze.

Modelliere mithilfe von drei LEDs das Funkeln von Kerzen.

Tipp: Die Verwendung des Blocks für Zufallszahlen wird dir helfen, das Funkeln natürlicher aussehen zu lassen.