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Digitale Elektronik und Mikrocontroller – PWM zur Ansteuerung verstehen

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Einleitung

Digitale Elektronik und Mikrocontroller – PWM zur Ansteuerung verstehen

Zielgruppe: Ausbildung in Elektronik, Mechatronik, Automatisierungstechnik und verwandten Berufen

Kurzbeschreibung: Mit der Pulsweitenmodulation (PWM) steuerst Du die mittlere Wirkung eines digitalen Schaltsignals. Entscheidend sind Tastgrad, Periodendauer und Frequenz.

Lernziel: Du kannst PWM-Signaldiagramme lesen, Tastgrade berechnen, eine virtuelle LED-Ansteuerung programmieren und Grenzen der Technik erklären.

Lernzeit: ca. 60–75 Minuten einschließlich Simulation, Übungen und Lernkontrolle.

Beobachtungsfrage: Was verändert sich an der Länge der High-Impulse, wenn der Tastgrad steigt?

Sicherheit und Lernumgebung

Alle praktischen Kursaufgaben werden ausschließlich in virtuellen Schaltungssimulationen durchgeführt. Alternativ können durch den Ausbildungsbetrieb bereitgestellte, geprüfte und berührungssichere Schulungsmodelle verwendet werden, sofern die fachliche Aufsicht und die erforderlichen betrieblichen Vorgaben sichergestellt sind.

Reale Elektroarbeiten dürfen nur durch entsprechend qualifizierte und beauftragte Personen im Rahmen der geltenden Sicherheitsvorgaben ausgeführt werden. Schaltbilder und Simulationen sind keine Montageanleitungen oder Freigaben für reale Anlagen.

Wichtig: Weder ein bestandenes Quiz noch ein erfolgreicher Simulationsversuch erteilt eine Berechtigung zu Elektroarbeiten oder zur Inbetriebnahme.

Kursübersicht

Lerneinheit	Zeit	Ergebnis
1. PWM erkennen	5 Minuten	High- und Low-Phasen unterscheiden
2. Tastgrad berechnen	8 Minuten	Signaldiagramme auswerten
3. Mittlere Wirkung	8 Minuten	Spannungsmittelwert erklären
4. Mikrocontroller-Simulation	15 Minuten	LED virtuell dimmen
5. Ansteuerung verstehen	8 Minuten	Schaltstufen und Grenzen erklären
Übungen und Lernnachweis	20–30 Minuten	Wissen anwenden und übertragen

Ausbildungsfall: Dimmbare Statusanzeige

Ausgangssituation: In einem Ausbildungsprojekt soll die Helligkeit einer nicht sicherheitsrelevanten Status-LED an einem virtuellen Prüfplatz verändert werden.

Ein simulierter Arduino Uno steuert die LED über PWM am digitalen Ausgang D9.

Betriebszustand	PWM-Tastgrad	Gewünschte Wirkung
Ruheanzeige	25 %	Gedimmte LED
Betriebsanzeige	50 %	Mittlere Helligkeitsstufe
Hervorgehobene Anzeige	75 %	Höhere Helligkeitsstufe

Die Prozentwerte beschreiben den elektrischen Tastgrad, nicht unmittelbar den Prozentsatz der wahrgenommenen Helligkeit.

Dein Auftrag: Berechne die Tastgrade, verändere die PWM-Werte in einer sicheren Simulation und dokumentiere Deine Beobachtungen.

Lerneinheit 1: PWM erkennen

PWM bedeutet Pulse Width Modulation oder Pulsweitenmodulation. Ein digitaler Ausgang wechselt zwischen zwei Pegeln.

Signalzustand	Bedeutung
HIGH	Einschaltphase
LOW	Ausschaltphase
Periode T	Dauer eines vollständigen Signalzyklus
Tastgrad D	Anteil der Einschaltzeit an der Periode

Merksatz: Bei konstanter Periodendauer verändert PWM die Länge der Einschaltphase.

Videobeobachtung: Suche die Stellen, an denen kurze und lange Einschaltimpulse verglichen werden. Die gezeigten Hardwarearbeiten werden nicht nachgebaut.

Basisaufgabe 1

Eine LED wird pro Periode gleich lange eingeschaltet und ausgeschaltet.

Frage: Wie groß ist der Tastgrad?

Feedback: 50 % sind richtig, weil die Einschaltzeit die Hälfte der gesamten Periode beträgt. Die Signalhöhe muss dafür nicht verändert werden.

Lerneinheit 2: Tastgrad und Frequenz

Der Tastgrad wird aus der Einschaltzeit und der Periodendauer berechnet.

D = \frac{t_{e i n}}{T} \cdot 100 %

Die Frequenz beschreibt, wie viele Perioden pro Sekunde stattfinden.

f = \frac{1}{T}

Signaldiagramm zum Vergleichen

Im folgenden vereinfachten Zeitraster umfasst jede Periode acht gleich lange Abschnitte.

             Periode 1   Periode 2
             |--------|  |--------|
25 % HIGH:    ██░░░░░░    ██░░░░░░
50 % HIGH:    ████░░░░    ████░░░░
75 % HIGH:    ██████░░    ██████░░

█ = HIGH
░ = LOW

Achtung: Das Raster veranschaulicht Pegelzustände. Für genaue zeitliche Flanken und Messungen werden die Signaldiagramme und der virtuelle Logikanalysator verwendet.

Rechenbeispiel

Gegeben: T = 2 ms und t_ein = 0,5 ms.

D = \frac{0,5}{2} \cdot 100 % = 25 %

Die Frequenz beträgt:

f = \frac{1}{0,002 s} = 500 H z

Basisaufgabe 2

Gegeben: T = 4 ms und t_ein = 3 ms.

Berechne den Tastgrad.

Feedback: 75 % sind richtig. Die Einschaltzeit wird durch die gesamte Periodendauer geteilt. Wer 25 % berechnet, hat wahrscheinlich die Ausschaltzeit verwendet.

Videobeobachtung: Achte auf das Oszilloskopbild. Welche Eigenschaft des Rechtecksignals wird durch den PWM-Wert verändert? Verwende das Video nur zur Analyse.

Lerneinheit 3: Tastgrad und mittlere Wirkung

PWM verändert nicht kontinuierlich die Spannungshöhe des digitalen Ausgangs. Stattdessen wird zwischen HIGH und LOW geschaltet.

Bei einem idealen PWM-Signal mit 0 V und 5 V gilt für den zeitlichen Mittelwert:

\overline{U} = D \cdot U_{H I G H}

Dabei muss D als Dezimalzahl zwischen 0 und 1 eingesetzt werden.

Tastgrad	Idealer Spannungsmittelwert
0 %	0 V
25 %	1,25 V
50 %	2,5 V
75 %	3,75 V
100 %	5 V

Wichtig: Die Tabelle beschreibt den rechnerischen Mittelwert am PWM-Ausgang. An diesem liegt ohne Glättung weiterhin eine Folge von High- und Low-Pegeln an.

Eine LED kann bei ausreichend schneller Schaltung als gedimmt erscheinen. Ihre wahrgenommene Helligkeit ist aber nicht zwangsläufig proportional zum Tastgrad.

LED-Stromlaufbild

Das Bild zeigt das Grundprinzip einer LED mit Vorwiderstand in einem geschlossenen Stromkreis. Für den virtuellen Ausbildungsfall ersetzt der geeignete PWM-Ausgang die dargestellte schaltende Spannungsquelle.

Beachte: Die LED besitzt eine Anode und eine Kathode. Der Vorwiderstand begrenzt den Strom. Der Widerstandswert und die elektrischen Grenzwerte müssten bei realer Hardware fachgerecht geprüft werden.

Videobeobachtung: Erkläre, warum eine LED unterschiedlich hell erscheinen kann, obwohl der Mikrocontroller digitale Pegel erzeugt. Hardwareaufbauten im Video sind keine Arbeitsaufträge.

Anwendungsaufgabe 1

Eine ideale PWM-Spannung wechselt zwischen 0 V und 5 V. Der Tastgrad beträgt 40 %.

Berechne den Spannungsmittelwert und erkläre, warum dies keine konstante Ausgangsspannung von 2 V bedeutet.

Feedback: Der Mittelwert beträgt 2 V. Richtig ist die Erklärung, dass der Ausgang ohne Filter weiter zwischen 0 V und 5 V schaltet. Die Gleichsetzung von Mittelwert und tatsächlichem Spannungsverlauf wäre fachlich falsch.

Lerneinheit 4: PWM am Mikrocontroller simulieren

Der Arduino Uno R3 besitzt mehrere PWM-fähige Ausgänge. Dazu gehört Pin D9.

Mit analogWrite(Pin, Wert) wird dort ein PWM-Signal erzeugt. Bei der üblichen 8-Bit-Auflösung entsprechen Werte von 0 bis 255 den Tastgraden von 0 bis 100 %.

Tastgrad	Näherungsweiser PWM-Wert
0 %	0
25 %	64
50 %	128
75 %	191
100 %	255

Hinweis: Die angegebenen Werte gelten für die hier verwendete Arduino-Uno-R3-Simulation. Andere Mikrocontroller können andere PWM-Auflösungen und Ausgangseigenschaften besitzen.

Virtuelle Schaltung starten

Simulator: Wokwi – Arduino Fade

Arbeitsauftrag:

Öffne die verlinkte Simulation im Browser.
Starte die Simulation und beobachte die LED.
Erstelle eine bearbeitbare Kopie oder verwende eine eigene virtuelle Schaltung.
Setze den PWM-Wert zunächst auf 64, danach auf 128 und zuletzt auf 191.
Vergleiche die sichtbare Wirkung und dokumentiere den Unterschied zum elektrischen Tastgrad.

Der folgende Beispielcode kann in einer eigenen Arduino-Uno-Simulation mit virtuell angeschlossener, strombegrenzter LED an D9 verwendet werden:

const int ledPin = 9;
int pwmWert = 64;

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

void loop() {
  analogWrite(ledPin, pwmWert);
}

Ändere nur die Variable pwmWert auf 128 beziehungsweise 191 und starte die Simulation erneut.

Achtung: Die simulierte LED-Darstellung kann eine Helligkeitskorrektur besitzen. Daher sind die angezeigten Helligkeitsunterschiede nicht als kalibrierte optische Messwerte zu verstehen.

Signal virtuell messen

Wokwi – PWM mit virtuellem Logikanalysator

Anleitung zum Wokwi-Logikanalysator

Der virtuelle Logikanalysator zeichnet digitale Pegel auf. Die exportierten Signaldaten können beispielsweise mit PulseView ausgewertet werden.

Messauftrag: Vergleiche zwei simulierte PWM-Signale bei gleichem Takt und unterschiedlichem Tastgrad. Miss die Einschaltzeit und die Periodendauer.

Anwendungsaufgabe 2

Die Statusanzeige benötigt einen Tastgrad von ungefähr 75 %.

Frage: Welchen Wert verwendest Du in der Arduino-Uno-R3-Simulation?

Feedback: Der Wert 191 ist eine geeignete Annäherung. Die Rechnung lautet 0,75 mal 255 = 191,25. Da ein ganzzahliger PWM-Wert benötigt wird, wird gerundet.

Lerneinheit 5: Schaltstufen und Grenzen

Ein Mikrocontroller-Ausgang ist nicht automatisch für jede elektrische Last geeignet. Bei höheren Lastströmen werden fachgerecht ausgelegte Treiberstufen benötigt.

Die folgenden Schaltungen dienen nur der Analyse. Sie werden nicht praktisch nachgebaut.

Stromlaufbild: Transistor als Schalter

Ein Transistor kann als elektronischer Schalter eingesetzt werden. Das dargestellte Prinzip verdeutlicht die Trennung zwischen Steuersignal und geschaltetem Laststrom.

Stromlaufbild: MOSFET-Schaltstufe

Ein MOSFET kann in geeigneten Schaltungen als Schaltelement verwendet werden.

Fachliche Grenze: Eine reale MOSFET-Ansteuerung erfordert unter anderem die Prüfung von Gate-Ansteuerung, Strom, Spannung, Verlustleistung und gegebenenfalls induktiven Abschaltvorgängen. Ein vereinfachtes Stromlaufbild reicht dafür nicht aus.

PWM glätten: Tiefpassprinzip

Ein Tiefpassfilter kann den zeitlich wechselnden PWM-Verlauf glätten. Wie stark dies gelingt, hängt unter anderem von Filterzeitkonstante, PWM-Frequenz und Belastung ab.

Merksatz: Der Spannungsmittelwert allein beschreibt weder jeden Laststrom noch jede Wärmeentwicklung oder jede mechanische Wirkung.

Bei einem ideal ohmschen Widerstand ist beispielsweise die mittlere elektrische Leistung proportional zum Tastgrad. Für Motoren gelten zusätzliche elektromechanische Zusammenhänge.

Transfer: PWM und Motorsteuerung

Frage: Warum darfst Du einen Motor nicht einfach wie die kleine simulierte LED als direkte Last eines Mikrocontroller-Ausgangs behandeln?

Feedback: Motoren benötigen je nach Bauart deutlich größere Ströme und können beim Schalten induktive Spannungsspitzen verursachen. Eine geeignete Treiber- und Schutzschaltung ist erforderlich. Die Simulation ersetzt keine sicherheitstechnische Prüfung.

Vertiefungsbild: PWM-Erzeugung

Das Bild zeigt ein weiterführendes Prinzip zur Erzeugung von PWM durch den Vergleich eines zeitlich veränderlichen Referenzsignals mit einer Signalvorgabe.

Transferfrage: Warum kann ein digitaler Timer mit Vergleichswert eine ähnliche Aufgabe übernehmen?

Gestufte Lernhilfen

Verwende zunächst nur die erste Hilfe. Nutze die weiteren Stufen, wenn Du nicht weiterkommst.

Stufe	Hilfe
Hilfe 1 – Denkhinweis	Bestimme zuerst die vollständige Periode. Suche anschließend nur den Abschnitt, in dem das Signal HIGH ist.
Hilfe 2 – Rechenweg	Teile die Einschaltzeit durch die Periodendauer. Multipliziere das Ergebnis mit 100, um Prozent zu erhalten.
Hilfe 3 – Musterlösung	Bei 1 ms Einschaltzeit und 4 ms Periodendauer ergibt sich D = 1/4 = 25 %. Der ideale Mittelwert eines 5-V-PWM-Signals beträgt damit 1,25 V.

Rückmeldung bei typischen Fehlern:

Fehler	Begründetes Feedback
High-Zeit und Low-Zeit verwechselt	Verwende für den Tastgrad ausdrücklich die Einschaltzeit im Zähler.
Millisekunden nicht umgerechnet	Für f = 1/T muss T in Sekunden eingesetzt werden, damit Hertz entsteht.
PWM-Mittelwert als konstante Spannung gedeutet	Ungefiltertes PWM bleibt ein geschaltetes Signal.
PWM-Wert mit Prozentwert gleichgesetzt	Bei der verwendeten 8-Bit-Skalierung entspricht erst 255 ungefähr 100 %.
Erfolgreiche Simulation als Gerätefreigabe betrachtet	Simulationen prüfen Modelle und Lernverständnis, nicht die Betriebssicherheit einer realen Anlage.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was verändert PWM bei konstanter Frequenz? (Die Dauer der Einschaltphase) (!Die Anzahl der Anschlusspins) (!Den elektrischen Widerstand des Mikrocontrollers) (!Die Anzahl der Versorgungsspannungen)

Was bedeutet ein Tastgrad von 50 Prozent? (Die Einschaltzeit umfasst die Hälfte der Periode) (!Die Frequenz beträgt immer 50 Hertz) (!Die Spannung ist dauerhaft halb so hoch) (!Der Ausgang bleibt immer eingeschaltet)

Wie groß ist der Tastgrad bei 1 ms Einschaltzeit und 4 ms Periodendauer? (25 Prozent) (!4 Prozent) (!40 Prozent) (!75 Prozent)

Welche Frequenz gehört zu einer Periodendauer von 2 ms? (500 Hertz) (!2 Hertz) (!50 Hertz) (!2000 Hertz)

Welchen idealen Spannungsmittelwert ergibt ein Signal zwischen 0 V und 5 V bei 20 Prozent Tastgrad? (1 Volt) (!2 Volt) (!4 Volt) (!5 Volt)

Was bedeutet ein Tastgrad von 0 Prozent bei einem aktiv hohen PWM-Signal? (Der Ausgang bleibt LOW) (!Der Ausgang bleibt HIGH) (!Die Frequenz steigt unbegrenzt) (!Die Spannung wechselt zwischen negativen Werten)

Welcher PWM-Wert entspricht beim verwendeten Arduino Uno R3 ungefähr 50 Prozent Tastgrad? (128) (!25) (!50) (!255)

Welche Aussage zu analogWrite am PWM-Pin D9 des Arduino Uno R3 ist richtig? (Die Funktion erzeugt ein digitales PWM-Signal) (!Die Funktion erzeugt immer eine konstante Gleichspannung) (!Die Funktion benötigt grundsätzlich einen analogen Eingang) (!Die Funktion misst den Strom durch eine LED)

Warum kann eine LED bei PWM gedimmt erscheinen? (Weil schnelle Schaltphasen zu einer gemittelten Lichtwahrnehmung führen können) (!Weil die LED automatisch ihren Vorwiderstand verändert) (!Weil der Mikrocontroller die Lichtfarbe immer verändert) (!Weil das digitale Signal keine Ausschaltphasen mehr besitzt)

Welche Aussage zur Sicherheit ist richtig? (Quiz und Simulation erteilen keine Berechtigung zu realen Elektroarbeiten) (!Ein bestandenes Quiz ersetzt eine fachliche Beauftragung) (!Eine erfolgreiche Simulation beweist die Betriebssicherheit jeder realen Schaltung) (!Eine kleine Versorgungsspannung macht jede elektrische Arbeit automatisch ungefährlich)

Memory

Ordne jedem Fachbegriff die passende Erklärung zu.

Tastgrad	Anteil der Einschaltzeit
Periodendauer	Zeit eines vollständigen Signalzyklus
Frequenz	Anzahl der Wiederholungen pro Sekunde
HIGH	Digitaler oberer Pegel
LOW	Digitaler unterer Pegel
Vorwiderstand	Bauteil zur Strombegrenzung
Logikanalysator	Gerät zur Aufzeichnung digitaler Signalzustände
Tiefpass	Filter zur Abschwächung schneller Signaländerungen

Drag and Drop

Ordne die Fachbegriffe ihren Eigenschaften zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Tastgrad	Verhältnis von Einschaltzeit zur gesamten Periodendauer
Frequenz	Wiederholungen eines Vorgangs je Sekunde
PWM-Ausgang	Wechsel zwischen zwei digitalen Spannungspegeln
Vorwiderstand	Begrenzung des Stroms durch eine Leuchtdiode
Treiberstufe	Geeignete Ansteuerung einer Last mit höherem Strombedarf
Simulation	Virtuelle Untersuchung einer Schaltung ohne reale elektrische Eingriffe

Kreuzworträtsel

Tastgrad	Wie heißt der Anteil der Einschaltzeit an der vollständigen Periodendauer?
Periode	Wie nennt man einen vollständigen wiederkehrenden Signalzyklus?
Frequenz	Welche Größe beschreibt die Anzahl der Signalwiederholungen pro Sekunde?
Oszilloskop	Mit welchem Messgerät lassen sich zeitliche Spannungsverläufe darstellen?
Mikrocontroller	Welcher programmierbare elektronische Baustein kann PWM-Signale erzeugen?
Vorwiderstand	Welches Bauteil dient bei einer einfachen LED-Schaltung zur Strombegrenzung?

LearningApps

Die Suche ermöglicht zusätzliche passende Übungen. Externe Aufgaben ersetzen nicht die Lernkontrolle dieses Kurses.

Lückentext

PWM bedeutet Pulsweitenmodulation und verändert bei konstanter Frequenz die Länge der

innerhalb eines Signalzyklus.

Der Anteil der Einschaltzeit an der vollständigen Periode heißt

.

Die Zeitdauer eines vollständigen wiederkehrenden Signalzyklus nennt man

.

Die Anzahl der vollständigen Signalzyklen pro Sekunde wird durch die

beschrieben.

Ein Tastgrad von 50 Prozent bedeutet, dass das Signal während der Hälfte der Periode den Pegel

besitzt.

Bei einem idealen Signal zwischen null und fünf Volt beträgt der Spannungsmittelwert bei 50 Prozent Tastgrad

Volt.

Ein typischer Arduino Uno R3 kann PWM unter anderem am digitalen Pin

erzeugen.

Die Arduino-Funktion zur Ausgabe eines PWM-Signals heißt

.

Die LED benötigt in einer einfachen geeigneten Schaltung einen

zur Strombegrenzung.

Ein elektronisches Schaltelement für geeignete Laststufen ist der

.

Ein elektrisches Filter zur Glättung schneller Spannungsschwankungen heißt

.

Eine virtuelle Schaltung lässt sich in einer geeigneten

ohne reale elektrische Eingriffe untersuchen.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben in der angegebenen Reihenfolge. Verwende ausschließlich Signalbilder, Rechenmodelle und virtuelle Simulationen.

Leicht – Basisaufgaben

PWM-Skizze: Zeichne drei Signaldiagramme mit 25 %, 50 % und 75 % Tastgrad bei gleicher Periodendauer.
Tastgrad berechnen: Erstelle drei eigene Rechenbeispiele mit Einschaltzeit und Periodendauer.
Frequenz vergleichen: Zeichne zwei Signale mit gleicher Pulsdauer, aber unterschiedlicher Periodendauer, und beschreibe den Unterschied.
LED-Erklärung: Erstelle eine beschriftete Darstellung einer LED mit Vorwiderstand und erkläre deren Aufgaben in einer Simulation.

Begründetes Feedback: Deine Signaldiagramme sind fachlich richtig, wenn die Zeitabschnitte proportional dargestellt sind. Bei den Frequenzdiagrammen darfst Du Frequenz und Tastgrad nicht verwechseln. Beim LED-Stromlaufbild müssen Strombegrenzung und Anschlusspolarität berücksichtigt werden.

Standard – Anwendungsaufgaben

PWM-Programm: Verändere in Wokwi die PWM-Werte 64, 128 und 191. Dokumentiere die simulierte Helligkeitswirkung in einer Tabelle.
Signalanalyse: Nutze das Wokwi-Beispiel mit virtuellem Logikanalysator und bestimme aus einem aufgezeichneten Signal Einschaltzeit und Periodendauer.
Mittelwertvergleich: Berechne für ein ideales 5-V-PWM-Signal die Spannungsmittelwerte bei 20 %, 40 %, 60 % und 80 % Tastgrad.
Schaltungsvergleich: Vergleiche eine einfache virtuelle LED-Schaltung mit einem Stromlaufbild einer Transistor-Schaltstufe. Beschreibe den Unterschied zwischen Steuersignal und Laststrom.

Begründetes Feedback: Bei der Simulation müssen die PWM-Werte zur erwarteten Schaltzeit passen. Die ideale mittlere Spannung steigt proportional zum Tastgrad. Die optische Helligkeit muss dagegen nicht proportional steigen. Eine Treiberstufe ermöglicht die geeignete Ansteuerung anderer Lasten, ersetzt aber keine Auslegung und Schutzprüfung.

Schwer – Transferaufgaben

PWM und Motor: Untersuche anhand fachlicher Quellen, warum die Motordrehzahl nicht immer proportional zum PWM-Tastgrad ist. Erstelle ein begründetes Erklärdiagramm ohne realen Motorbetrieb.
PWM-Filterung: Vergleiche in einem virtuellen Schaltungssimulator das idealisierte PWM-Signal vor und nach einem RC-Tiefpass. Dokumentiere die Veränderung bei verschiedenen Frequenzen.
Fehlerdiagnose: Entwickle drei virtuelle Fehlerszenarien einer PWM-gesteuerten LED und beschreibe, wie Du sie anhand von Programmcode, Schaltbild und digitalem Signalverlauf unterscheidest.
Ausbildungsprojekt: Gestalte eine kurze digitale Präsentation für einen virtuellen LED-Prüfplatz mit Anforderung, Stromlaufbild, PWM-Signaldiagramm, Simulationsergebnis, Fehleranalyse und Sicherheitsgrenzen.

Begründetes Feedback: Eine gute Transferlösung unterscheidet zwischen dem digitalen Ansteuersignal und der tatsächlichen Wirkung an der Last. Sie nennt Grenzen des vereinfachten Modells, begründet technische Entscheidungen und weist ausdrücklich darauf hin, dass Simulationsergebnisse keine reale Sicherheitsfreigabe darstellen.

Lernkontrolle

Die Lernkontrolle prüft Zusammenhänge, Entscheidungen und die Anwendung des Gelernten.

Signalinterpretation: Zwei PWM-Signale besitzen dieselbe Frequenz, aber verschiedene Tastgrade. Erkläre, welche Unterschiede in der mittleren elektrischen Wirkung zu erwarten sind und warum.
Mittelwert und Wirklichkeit: Eine Person behauptet, ein PWM-Ausgang mit 50 % Tastgrad liefere immer eine konstante halbe Versorgungsspannung. Beurteile diese Aussage anhand eines Signaldiagramms.
Ansteuerkonzept: Erkläre für einen virtuellen LED-Prüfplatz, weshalb eine LED mit geeigneter Strombegrenzung anders behandelt wird als eine größere elektrische Last.
Virtuelle Messung: Entwickle einen Plan, mit dem Du in Wokwi einen falschen Tastgrad erkennst. Begründe die benötigten Signalgrößen.
Glättung und Belastung: Vergleiche die Wirkung eines PWM-Signals ohne Filter und hinter einem Tiefpass. Erkläre, warum ein Filter nicht für jeden Anwendungsfall notwendig oder geeignet ist.
Fehlersuche: Eine virtuelle LED bleibt trotz Veränderung des PWM-Wertes dunkel. Erstelle eine geordnete Fehlersuchstrategie unter Nutzung von Simulation, Stromlaufbild und Programmcode.
Sicherheitsentscheidung: Ein Lernender möchte nach bestandenem Quiz einen realen Motor an einem Mikrocontroller anschließen. Erkläre, warum die Lernergebnisse hierfür keine Freigabe sind und welche betrieblichen Qualifikations- und Beauftragungsanforderungen maßgeblich bleiben.

Bewertungskriterien: Fachlich richtige Zusammenhänge, verständliche Begründungen, schlüssige Signaldiagramme, nachvollziehbare Simulationsergebnisse, Erkennen von Modellgrenzen und korrekte Sicherheitsentscheidungen.

Ein Quiz-Ergebnis ist ausschließlich eine Lernrückmeldung und hat keine Freigabewirkung.

Lernnachweis

Für den Lernnachweis dokumentierst Du:

Signalverständnis: Zwei korrekt beschriftete PWM-Diagramme mit unterschiedlichem Tastgrad.
Berechnung: Mindestens zwei nachvollziehbare Tastgrad- und Mittelwertberechnungen.
Simulation: Ergebnisse zu drei PWM-Werten an einer virtuellen LED.
Schaltbildanalyse: Erklärung der LED-Strombegrenzung und der Funktion einer zusätzlichen Schaltstufe.
Transfer: Begründung eines Unterschieds zwischen idealem Spannungsmittelwert und tatsächlicher Lastwirkung.
Fehlerdiagnose: Ein dokumentierter Fehlerfall mit begründeter Lösung.
Sicherheitskompetenz: Schriftliche Einordnung, warum die Simulation keine reale Elektroarbeit oder Inbetriebnahme freigibt.

Nachweisformen: Digitales Lernprotokoll, kommentierte Screenshots, eigene Signaldiagramme und kurze technische Erläuterungen.

Bewertung: Entscheidend sind nachvollziehbare technische Begründungen und die Einhaltung der Sicherheitsgrenzen, nicht allein die Anzahl richtiger Quizantworten.

OERs zum Thema

Wikipedia

Wikipedia: Pulsweitenmodulation / Pulsdauermodulation

Fachlich geprüfte Informationsquellen

Arduino – Secrets of Arduino PWM: Grundlagen der PWM-Erzeugung.
Arduino – Use PWM output: Dokumentation der PWM-Funktion.
Arduino – analogWrite-Referenz: PWM-Werte und unterstützte Ausgänge.
Wokwi – Arduino-Uno-Referenz: PWM-Pins und Simulationsumfang.
Wokwi – LED-Referenz: Simulierte LED-Helligkeit und Gamma-Korrektur.
Wokwi – Logikanalysator: Digitale Signalaufzeichnung.
Falstad Circuit Simulator: Zusätzlicher virtueller Schaltungssimulator für elektronische Grundschaltungen.
DGUV – Im Bereich Elektrotechnik tätige Personen: Anforderungen an Qualifikation sowie Leitung und Aufsicht bei elektrotechnischen Arbeiten.

Medienrechte und Nachweise

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Medien	Quelle und Urheber	Lizenz
Dutycycle.svg	Wikimedia Commons, Krishnavedala	CC BY-SA 3.0
PWM duty cycle with label.gif	Wikimedia Commons, Eighthave, Bearbeitung Teslaton	Gemeinfrei
Duty Cycle Examples.png	Wikimedia Commons, Thewrightstuff	CC BY-SA 4.0
LED circuit.svg	Wikimedia Commons, siehe Dateibeschreibung	CC BY-SA 2.5
LED-wiring.svg	Wikimedia Commons, nach Sundance Raphael, Bearbeitung MikeRun	CC BY-SA 3.0
Transistor as switch.svg	Wikimedia Commons, FDominec	Gemeinfrei
MOSFET (Funktion als Schalter).svg	Wikimedia Commons, Cepheiden	CC BY-SA 3.0
Low-pass filter diagram.svg	Wikimedia Commons, Fred the Oyster	CC BY-SA 4.0
Pwm.svg	Wikimedia Commons, CyrilB und Krishnavedala	CC BY-SA 2.5

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Simulationen: Die Links führen zu real vorhandenen Angeboten von Wokwi und Falstad. Bei einer eigenen Veröffentlichung von Screenshots, Programmcode oder abgeleiteten Materialien sind die jeweiligen Nutzungs- und Lizenzbedingungen zusätzlich zu prüfen.

Hinweis: Die gezeigten Stromlaufbilder sind Lehr- und Analysemedien, keine freigegebenen Unterlagen für reale Geräte.