PWM-Generator mit NE555

Ein 12-V-Lüfter ist zu laut, eine kleine Pumpe fördert zu viel, ein Gleichstrommotor soll per Drehknopf langsamer laufen. Einen Vorwiderstand würde dabei heiß, ein Linearregler ebenso. Die elegante Lösung ist die Pulsweitenmodulation (PWM): Ein Schalter legt die volle Spannung in schnellem Takt an und wieder ab. Wie lange er pro Periode eingeschaltet ist – der Tastgrad –, bestimmt die mittlere Spannung am Motor. Der Schalter selbst setzt dabei kaum Leistung um.

Den Takt dazu liefert ein NE555. In der Grundschaltung als Taktgeber kann er allerdings nur Tastgrade über 50 %, und ein Poti würde dort Frequenz und Tastgrad zugleich verstellen. Mit zwei Dioden trennst du Lade- und Entladeweg: Das Poti verschiebt dann nur noch den Tastgrad, die Frequenz bleibt fast fest. Hier baust du einen PWM-Steller für einen 12-V-Motor bis 1 A.

Schaltplan

• IC1, NE555: erzeugt das Rechteck, an 12 V.
• R1, 1 kΩ: begrenzt den Strom in Pin 7 beim Entladen und legt den kleinsten Tastgrad fest.
• P1, 25 kΩ linear: das Potentiometer für den Tastgrad. Der Schleifer liegt an Pin 7, der obere Teil wirkt beim Laden, der untere beim Entladen.
• D1, D2, 1N4148: die Weichen. Durch D1 lädt C1 nur über den oberen Teil des Potis, durch D2 entlädt er sich nur über den unteren.
• C1, 2,2 nF: der Zeitkondensator (Folie oder C0G), zusammen mit R1 und P1 frequenzbestimmend.
• C2, 10 nF, und C3, 100 nF: Abblockung von CV (Pin 5) und Versorgung.
• R3, 100 Ω: Gatewiderstand. Er begrenzt den Umladestrom des Gates und dämpft Schwingungen.
• R4, 10 kΩ: hält das Gate auf Masse, wenn der Timer fehlt oder noch nicht läuft.
• T1, IRLZ44N: ein Logic-Level-MOSFET als Low-Side-Schalter für den Motor.
• D3, 1N5822: Schottky-Diode als Freilauf für den Motorstrom in den Pausen.

So funktioniert die Schaltung

Der Timer arbeitet wie beim Taktgeber: C1 pendelt zwischen 4 V und 8 V, also zwischen einem und zwei Dritteln der Versorgung. Neu ist nur der Weg des Stroms.

Laden (Ausgang High). Pin 7 ist offen. Strom fließt von +12 V über R1 zum Schleifer, durch den oberen Teil des Potis R_a, durch D1 in C1. D2 sperrt, denn ihre Kathode liegt am Poti höher als ihre Anode am Kondensator.

Entladen (Ausgang Low). Pin 7 schaltet nach Masse. C1 entlädt sich über D2 und den unteren Teil des Potis R_b in Pin 7. D1 sperrt jetzt, und R1 hängt nur noch zwischen +12 V und Pin 7.

Drehst du den Schleifer nach oben, wird R_a kleiner und R_b größer: Die High-Zeit schrumpft, die Low-Zeit wächst um genau denselben Widerstand. Die Summe R_a + R_b = 25 kΩ bleibt, und damit auch die Periode.

Der Motor glättet den Strom mit seiner Induktivität. Während T1 sperrt, fließt der Motorstrom über D3 weiter, statt eine Spannungsspitze am Drain zu erzeugen. Die Drehzahl folgt der mittleren Spannung D · 12 V. Mehr zu diesem Prinzip unter Motordrehzahl per PWM.

Dimensionierung

1. Frequenz wählen. Unter etwa 18 kHz pfeifen viele Motoren hörbar im PWM-Takt. 20 bis 25 kHz sind leise und für einen MOSFET am NE555 noch gut zu treiben.

2. Der Diodenfaktor. In jeder Phase liegt eine Diode mit etwa 0,65 V im Weg. C1 lädt deshalb nicht gegen 12 V, sondern gegen 11,35 V, und entlädt sich nicht gegen 0 V, sondern gegen 0,65 V. Statt ln 2 steht in beiden Zeiten

Ohne diese Korrektur lägst du rund 13 % zu hoch.

3. Zeiten und Frequenz.

Für 22 kHz ist T = 45 μs. Mit P₁ = 25 kΩ und R₁ = 1 kΩ:

Nachgerechnet: T = 0,786 · 26 kΩ · 2,2 nF = 44,9 μs, also f = 22,2 kHz.

4. Bereich des Tastgrads.

Steht der Schleifer ganz oben (R_a = 0), bleibt D = 1 kΩ / 26 kΩ = 3,8 %. Ganz unten (R_b = 0) geht die Low-Zeit gegen null, der Tastgrad also gegen 100 %. Die Kurve dazwischen ist linear.

5. Leistungsschalter. Der IRLZ44N verträgt 55 V und 47 A und hat bei 10 V am Gate höchstens 22 mΩ. Der NE555 liefert im High-Zustand etwa 10,5 V, damit ist er voll durchgesteuert.

Bauteilliste

Varianten

LEDs dimmen. Für LED-Streifen genügt 1 kHz, das Auge sieht kein Flimmern. Mit C1 = 47 nF wird T = 0,786 · 26 kΩ · 47 nF = 0,96 ms, also 1,04 kHz. Der Motor und D3 fallen weg; der Streifen hängt mit seinen eingebauten Vorwiderständen am Drain (12-V-LED-Streifen dimmen).

CMOS-555. Ein TLC555 oder LMC555 läuft auch an 5 V, sein Ausgang reicht bis an die Versorgung, und er nimmt kaum Strom auf. Unter 7 V steuert er aber nur Logic-Level-MOSFETs sicher durch (CMOS-555).

Spannungsgesteuert. Statt mit einem Poti kann der Tastgrad auch einer Steuerspannung folgen. Dazu vergleicht ein Komparator eine Dreieckspannung mit dem Sollwert – oder du nimmst gleich den PWM-Ausgang eines Mikrocontrollers, wie in Motordrehzahl per PWM.

Drehrichtung. Soll der Motor auch rückwärts laufen, ersetzt eine H-Brücke den einzelnen MOSFET.

Typische Fehler

• Motor pfeift: Die Frequenz liegt im Hörbereich. Prüfe C1; mit 22 nF statt 2,2 nF läuft die Schaltung bei 2,2 kHz.
• MOSFET wird heiß: Meist fehlt D3 oder es ist eine langsame Gleichrichterdiode wie die 1N4007. Bei 22 kHz braucht ihre Sperrverzögerung mehrere Mikrosekunden, in denen sie fast kurzschließt. Für den Freilauf gehört eine Schottky-Diode hinein.
• Timer stolpert, sobald der Motor läuft: Die Bürsten des Motors erzeugen Störungen, die über die Versorgung auf C1 und CV gelangen. C3 direkt am IC, C4 am Motor und getrennte Masseleitungen vom Motor und vom Timer zum Netzteil helfen (Masse, Erde und Ground).
• Drehrichtung des Potis verkehrt: D1 und D2 vertauscht oder die Poti-Enden. Rechtsdrehen soll den Tastgrad erhöhen; dazu muss der Schleifer bei Rechtsanschlag an dem Poti-Ende stehen, das zu D2 führt.
• Motor läuft bei kleinem Tastgrad nicht an: Unter etwa 20 bis 30 % reicht das mittlere Drehmoment nicht, um die Haftreibung zu überwinden. Das ist kein Schaltungsfehler.

Selbsttest