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PWM im Schweißgerät - Funktionsweise, Vorteile und Bedeutung der Pulsweitenmodulation

PWM – Pulsweitenmodulation – Schweißer-Lexikon

Die Abkürzung PWM begegnet Anwendern häufig in Beschreibungen moderner Inverter-Schweißgeräte. Gemeint ist die Pulsweitenmodulation – ein grundlegendes Verfahren der Leistungselektronik. Sie wird nicht nur in Schweißstromquellen, sondern auch in Schaltnetzteilen, Motorsteuerungen, LED-Treibern und Frequenzumrichtern eingesetzt.

Bei einem Schweißgerät sorgt PWM nicht dafür, dass zusätzliche Energie entsteht. Ihre Aufgabe besteht darin, die vorhandene elektrische Leistung schnell und präzise zu regeln. Dadurch kann die Elektronik den Schweißstrom stabilisieren, auf Änderungen im Lichtbogen reagieren und kompakte, leichte Stromquellen realisieren. Dieser Beitrag erklärt, wie die Technik funktioniert und welche praktische Bedeutung sie bei modernen Schweißgeräten hat.

Kurz zusammengefasst:
  • PWM regelt Leistung, erzeugt aber keine Energie: Durch schnelles Ein- und Ausschalten von Leistungshalbleitern wird der mittlere Energiefluss gesteuert.
  • Der Tastgrad bestimmt die mittlere Ausgangsgröße: Ein längerer Einschaltanteil überträgt innerhalb eines Schaltzyklus mehr Energie.
  • Die interne PWM ist nicht mit der Pulsfunktion beim Schweißen gleichzusetzen: Beide arbeiten mit zeitlich veränderlichen Signalen, erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben.

Was ist PWM?

PWM steht für Pulse Width Modulation, auf Deutsch Pulsweitenmodulation. Dabei wird ein elektrisches Signal mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet. Die Höhe der einzelnen Impulse bleibt grundsätzlich gleich, während ihre Einschaltdauer verändert wird.

Aus Sicht eines angeschlossenen Systems entsteht dadurch ein regelbarer Mittelwert. Wird der Schalter innerhalb eines Zyklus nur kurz eingeschaltet, wird wenig Energie übertragen. Bleibt er länger eingeschaltet, steigt der mittlere Energiefluss. Dieses Prinzip wird beispielsweise zur Regelung von Motoren, Heizungen, LED-Leuchten und Schaltnetzteilen verwendet.

Anders als eine lineare Regelung vernichtet PWM überschüssige Leistung nicht dauerhaft in einem Regelbauteil. Die Leistungshalbleiter arbeiten überwiegend in zwei Zuständen: eingeschaltet oder ausgeschaltet. Dadurch können hohe Wirkungsgrade erreicht werden.

Wie funktioniert die Pulsweitenmodulation?

Ein PWM-Signal besteht aus regelmäßig wiederkehrenden Schaltzyklen. Jeder Zyklus enthält eine Einschaltphase und eine Ausschaltphase. Das Verhältnis zwischen beiden Phasen wird als Tastgrad bezeichnet.

Bei einem Tastgrad von 25 % ist das Signal während eines Viertels der Periodendauer eingeschaltet. Bei 75 % bleibt es während drei Vierteln der Zeit aktiv. Unter idealisierten Bedingungen steigt damit auch der mittlere übertragene Energieanteil.

Ein vereinfachtes Beispiel:

  • 25 % Tastgrad: kurze Einschaltzeit und niedriger mittlerer Energiefluss,
  • 50 % Tastgrad: Ein- und Ausschaltzeit sind gleich lang,
  • 75 % Tastgrad: lange Einschaltzeit und höherer mittlerer Energiefluss.

In realen Stromversorgungen wird das PWM-Signal nicht direkt als Schweißstrom verwendet. Es steuert Leistungstransistoren, während Transformator, Gleichrichter, Drosseln, Kondensatoren und Regelkreise daraus eine geeignete Ausgangskennlinie erzeugen.

Welche Aufgabe hat PWM im Schweißgerät?

Moderne Inverter-Schweißgeräte wandeln die Netzspannung in mehreren Schritten um. Zunächst wird die eingehende Wechselspannung gleichgerichtet. Anschließend schalten Leistungshalbleiter wie IGBT- oder MOSFET-Transistoren die Zwischenkreisspannung mit hoher Frequenz. Diese Schaltvorgänge werden durch PWM gesteuert.

Die hochfrequente Spannung wird einem vergleichsweise kleinen Transformator zugeführt. Nach der Transformation wird sie erneut gleichgerichtet und geglättet. Ein elektronischer Regelkreis misst dabei Ausgangsstrom und teilweise auch Ausgangsspannung. Weicht der reale Wert vom Sollwert ab, passt die Steuerung den PWM-Tastgrad an.

Dadurch kann das Gerät unter anderem:

  • den eingestellten Schweißstrom stabilisieren,
  • auf Veränderungen der Lichtbogenlänge reagieren,
  • unterschiedliche Stromkennlinien für MMA, WIG oder MIG/MAG erzeugen,
  • Funktionen wie Hot Start, Arc Force, Puls oder Stromabsenkung umsetzen,
  • Schutzfunktionen bei Überstrom, Übertemperatur oder Unterspannung unterstützen.

Die Technologie wird in unterschiedlichen Gerätetypen eingesetzt – von kompakten MMA-Schweißgeräten über MIG/MAG-Schweißgeräte bis zu präzise regelbaren WIG-Schweißgeräten.

Frequenz, Tastgrad und Impulsdauer

PWM-Frequenz

Die Frequenz gibt an, wie viele vollständige Schaltzyklen pro Sekunde stattfinden. Eine Frequenz von 400 Hz entspricht 400 Zyklen pro Sekunde. In Leistungsteilen moderner Inverter-Schweißgeräte liegt die tatsächliche Schaltfrequenz jedoch häufig deutlich höher – typischerweise im Kilohertzbereich. Der genaue Wert hängt von Topologie, Leistungshalbleitern und Konstruktion ab.

Tastgrad

Der Tastgrad beschreibt den prozentualen Anteil der Einschaltzeit innerhalb eines Zyklus. Bei 75 % Tastgrad ist das Signal während drei Vierteln der Periodendauer aktiv und während eines Viertels inaktiv.

Periodendauer und Impulsdauer

Die Periodendauer ergibt sich aus dem Kehrwert der Frequenz:

T = 1 / f

Bei 400 Hz beträgt die Periodendauer:

T = 1 / 400 Hz = 0,0025 s = 2,5 ms

Bei einem Tastgrad von 75 % dauert der Einschaltimpuls:

tein = 2,5 ms × 0,75 = 1,875 ms

Das Rechenbeispiel aus dem ursprünglichen Text ist damit grundsätzlich korrekt. Für die interne Leistungselektronik eines konkreten Schweißgeräts sind jedoch die tatsächliche Schaltfrequenz und die Regelstrategie des Herstellers maßgeblich.

PWM und Pulsschweißen – nicht dasselbe

Die Begriffe PWM und Pulsschweißen werden gelegentlich verwechselt. Beide Verfahren arbeiten mit zeitlich veränderlichen elektrischen Größen, befinden sich jedoch auf unterschiedlichen Ebenen.

  • Interne PWM: steuert die Leistungshalbleiter des Inverters und arbeitet im Hintergrund. Der Benutzer sieht oder verändert diese Schaltvorgänge normalerweise nicht direkt.
  • Pulsschweißen: verändert gezielt den Ausgangsstrom des Schweißprozesses. Der Schweißer stellt je nach Gerät Parameter wie Pulsstrom, Grundstrom, Pulsfrequenz oder Pulsdauer ein.

Die Pulsfunktion kann intern mithilfe der PWM-Regelung realisiert werden, ist aber nicht mit ihr identisch. Mehr zu den einstellbaren Prozessparametern finden Sie im Beitrag Puls-Schweißen im MIG/MAG- und WIG-Verfahren.

Vorteile und technische Grenzen der PWM-Regelung

Die Verwendung von PWM in Inverter-Schweißgeräten bringt mehrere Vorteile:

  • präzise und schnelle Regelung des Schweißstroms,
  • kompaktere Transformatoren und Drosseln durch höhere Arbeitsfrequenz,
  • geringeres Gewicht gegenüber klassischen Netztransformatorgeräten,
  • hoher Wirkungsgrad bei korrekt ausgelegter Leistungselektronik,
  • Umsetzung komplexer Schweißfunktionen durch digitale Steuerung.

PWM ist jedoch kein automatischer Qualitätsnachweis für ein Schweißgerät. Die tatsächliche Leistungsfähigkeit hängt zusätzlich von der Dimensionierung der Leistungshalbleiter, dem Transformator, der Kühlung, dem Regelalgorithmus, der Einschaltdauer und der Qualität der Ausgangsfilter ab.

Auch Werbeaussagen wie „mehr Leistung durch PWM“ sollten differenziert betrachtet werden. PWM kann die vorhandene Leistung effizient regeln und die Konstruktion optimieren, sie kann aber die physikalischen Grenzen des Netzanschlusses und der Bauteile nicht aufheben.

Welches Inverter-Schweißgerät passt zu Ihrer Anwendung?

Vergleichen Sie Geräte für MMA-, MIG/MAG- und WIG-Schweißen und achten Sie neben dem maximalen Strom auch auf Einschaltdauer, Netzversorgung, Regelmöglichkeiten und verfügbare Prozessfunktionen.

SCHWEISSGERÄTE ANSEHEN

Zusammenfassung

PWM ist ein zentrales Regelverfahren moderner Inverter-Schweißgeräte. Durch die Veränderung der Impulsbreite steuert die Elektronik den Energiefluss im Leistungsteil und kann den Ausgangsstrom schnell an den eingestellten Sollwert sowie an Veränderungen des Schweißprozesses anpassen.

Für den Anwender ist die interne PWM normalerweise kein direkt einstellbarer Parameter. Entscheidend ist ihr Ergebnis: eine kompakte Stromquelle, stabile Regelung und die Möglichkeit, unterschiedliche Schweißverfahren und Zusatzfunktionen elektronisch umzusetzen. Einen Überblick über die grundlegenden Gerätetypen bietet der Ratgeber Welche Arten von Schweißgeräten gibt es?.


Häufig gestellte Fragen zu PWM im Schweißgerät

Was bedeutet PWM bei einem Schweißgerät?

PWM steht für Pulsweitenmodulation. In einem Inverter-Schweißgerät steuert diese Technik die Schalttransistoren des Leistungsteils. Durch die Veränderung des Tastgrads kann die Elektronik den mittleren Energiefluss und damit den Schweißstrom schnell und präzise regeln.

Erzeugt PWM zusätzliche elektrische Leistung?

Nein. PWM erzeugt keine zusätzliche Energie. Die Technik regelt, wie die vorhandene elektrische Energie im Gerät umgewandelt und dosiert wird. Die maximal verfügbare Leistung bleibt durch Netzanschluss, Bauteile, Kühlung und Konstruktion des Schweißgeräts begrenzt.

Warum sind Inverter-Schweißgeräte kleiner als alte Transformatorgeräte?

Invertergeräte arbeiten intern mit einer deutlich höheren Schaltfrequenz als klassische Netztransformatoren. Dadurch können Transformator, Drosseln und weitere magnetische Bauteile kleiner und leichter ausgeführt werden. PWM ist ein Teil der elektronischen Regelung dieses Hochfrequenzwandlers.

Ist die PWM-Frequenz dasselbe wie die Pulsfrequenz beim Pulsschweißen?

Nein. Die interne PWM-Schaltfrequenz des Inverters liegt meist weit über der vom Schweißer eingestellten Pulsfrequenz. Die Pulsfunktion verändert gezielt den Schweißstrom im Prozess, während PWM im Hintergrund die Leistungselektronik steuert.

Kann der Benutzer die interne PWM eines Schweißgeräts einstellen?

In der Regel nicht. Die interne PWM-Regelung arbeitet automatisch und wird von der Steuerelektronik des Geräts vorgegeben. Der Benutzer stellt Schweißstrom, Spannung, Pulsparameter oder andere Prozessfunktionen ein; die Leistungselektronik setzt diese Vorgaben intern um.

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