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<!DOCTYPE html>

<title>Pulse-Step-Modulation</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Pulse-Step-Modulation</span></h1>

</header>

</div>

<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p>Die <b>Pulse-Step-Modulation</b> (<i>PSM</i>, <span style="font-style:normal;font-weight:normal"><a href="Englische_Sprache" title="Englische Sprache">englisch</a></span> <span lang="en-Latn" style="font-style:italic">pulse step modulation</span>) ist ein technisches <a href="Modulation_(Technik)" title="Modulation (Technik)">Modulationsverfahren</a> aus dem Bereich der <a href="Elektrische_Energietechnik" title="Elektrische Energietechnik">elektrischen Energietechnik</a>. Anwendungen liegen bei elektronischen Wechselstromversorgungssystemen und bei Rundfunksendeanlagen größerer Sendeleistung im <a href="Kurzwelle" title="Kurzwelle">Kurzwellen</a>- und <a href="Mittelwelle" title="Mittelwelle">Mittelwellenbereich</a>.<sup id="cite_ref-ieeepsm_1-0" class="reference"><a href="#cite_note-ieeepsm-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-atp516_2-0" class="reference"><a href="#cite_note-atp516-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Das Modulationsverfahren wurde 1994 von Hilmer Swanson bei der <a href="Harris_Corporation" title="Harris Corporation">Harris Corporation</a> erfunden.<sup id="cite_ref-patus53_3-0" class="reference"><a href="#cite_note-patus53-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Verfahren">Verfahren</h2></div>

<p>Das Verfahren nutzt einen sogenannten Pulse-Step-<a href="Modulator" title="Modulator">Modulator</a>. Er besteht aus mehreren einzelnen Stufen, welche in <a href="Reihenschaltung" title="Reihenschaltung">Reihe geschaltet</a> sind und jeweils aus einer <a href="Gleichspannungsquelle" class="mw-redirect" title="Gleichspannungsquelle">Gleichspannungsquelle</a> <i>U</i>, einen Schalter <i>S</i> und einer <a href="Freilaufdiode" class="mw-redirect" title="Freilaufdiode">Freilaufdiode</a> <i>D</i> bestehen, wie in nebenstehender vereinfachter Schaltskizze mit vier Stufen dargestellt. Reale Pulse-Step-Modulatoren bestehen aus 32 und mehr Stufen, die Anzahl richtet sich nach der konkreten Anwendung.<sup id="cite_ref-tron1_4-0" class="reference"><a href="#cite_note-tron1-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Die Spannungsquelle <i>U</i> jeder Stufe liefert eine <a href="Gleichspannung" title="Gleichspannung">Gleichspannung</a>, welche durch den Schalter <i>S</i> an den Ausgang einer Stufe geschaltet werden kann. Der Schalter ist üblicherweise in Form eines <a href="Bipolartransistor_mit_isolierter_Gate-Elektrode" title="Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode">Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode</a> (IGBT) oder <a href="Leistungs-MOSFET" title="Leistungs-MOSFET">Leistungs-MOSFET</a> realisiert, welche <a href="Schaltfrequenz" title="Schaltfrequenz">Schaltfrequenz</a> von einigen 10 <a href="Hertz_(Einheit)" title="Hertz (Einheit)">kHz</a> erlauben. Zusätzlich befindet sich am Ausgang eine Freilaufdiode <i>D</i>, welche den Stromfluss der aktiven Stufen in Reihe sicherstellt. Damit kann an dem <a href="Lastwiderstand" title="Lastwiderstand">Lastwiderstand</a> <i>R</i><sub>L</sub> eine Momentanspannung eingestellt werden, welcher der Summe der aktiven geschalteten Stufen entspricht. Bei vier Stufen ergeben sich vier mögliche Spannungsniveaus (1U, 2U, 3U und 4U) am Lastwiderstand, welche zeitlich nacheinander so aktiviert werden können, um einen bestimmten Signalverlauf nachzubilden. Dies ist in der Abbildung in den rechts dargestellten Zeitdiagrammen mit farbigen Balken, die die einzelnen aktiven Stufen repräsentieren, dargestellt. Es wird dabei in grober Näherung der Verlauf einer Sinushalbwelle angenähert.

</p><p>Die Ansteuerung der einzelnen Schalter kann dabei optimiert werden, wie in dem darunter liegenden zweiten Zeitdiagramm dargestellt. Dabei wird jene Stufe zuerst abgeschaltet, welche am längsten eingeschaltet war, ähnlich dem <a href="First_In_%E2%80%93_First_Out" title="First In – First Out">First-In-First-Out</a>-Prinzip. Damit erfolgt eine gleichmäßig Belastungsverteilung über die Zeit und jede Stufe liefert einen in etwa gleich großen Energieanteil. Um die dem Verfahren innewohnende Stufenbildung zu reduzieren, werden möglichst viele Stufen eingesetzt. Zusätzlich kann noch bei dem Übergang von einer Stufe zur nächsten eine <a href="Pulsweitenmodulation" class="mw-redirect" title="Pulsweitenmodulation">Pulsweitenmodulation</a> (PWM) erfolgen. Damit kann der nachfolgende <a href="Filter_(Elektrotechnik)" title="Filter (Elektrotechnik)">Filteraufwand</a> minimiert werden.

</p><p>Die einzelnen Stufen werden über eine in der Skizze nicht dargestellte Steuereinheit angesteuert, welche die einzelnen Ein- und Ausschaltzeitpunkte festlegt. Die Kommunikation zwischen Steuereinheit und den einzelnen PSM-Stufen erfolgt mit <a href="Lichtwellenleiter" title="Lichtwellenleiter">Lichtwellenleitern</a>, welche auch die <a href="Galvanische_Trennung" title="Galvanische Trennung">galvanische Trennung</a> sicherstellt.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Anwendung">Anwendung</h2></div>

<p>Der Pulse-Step-Modulator wird unter anderem bei Großsenderanlagen zur <a href="Amplitudenmodulation" title="Amplitudenmodulation">Amplitudenmodulation</a> bei Leistungen um 100 bis 1000 kW in Frequenzbereichen wie Mittelwelle und Kurzwelle eingesetzt. Typischerweise werden dabei 32 bis 36 PSM-Stufen eingesetzt, bei einer Spannung im Bereich von 500 <a href="Volt_(Einheit)" class="mw-redirect" title="Volt (Einheit)">V</a> bis 750 V und maximalem Impulsstrom von einigen <a href="Ampere_(Einheit)" class="mw-redirect" title="Ampere (Einheit)">Ampere</a> pro Stufe. Jede einzelne Stufe wird über einen galvanisch getrennten Anschluss, üblich sind Anschlüsse für <a href="Dreiphasenwechselstrom" title="Dreiphasenwechselstrom">Dreiphasenwechselstrom</a>, gespeist. Der dazu nötige Transformator besitzt eine Primärseite, welche je nach Leistung beispielsweise direkt mit dem <a href="Mittelspannungsnetz" title="Mittelspannungsnetz">Mittelspannungsnetz</a> verbunden ist, und eine Vielzahl von galvanisch getrennten Sekundäranschlüssen. Für jede PSM-Stufe ist eine eigene Sekundärwicklung am Transformator nötig.

</p><p>Die mit dem PSM in Summe erzielbare mittlere Gleichspannung beträgt je nach Konfiguration und Anlage ca. 10 kV bis 14 kV, dies entspricht dem Fall, wenn 50 % der Stufen aktiv geschaltet sind, und dient als Anodengleichspannung für die <a href="Elektronenr%C3%B6hre" title="Elektronenröhre">Senderöhre</a>. Die Senderöhre ist üblicherweise als eine einzige Sendestufe mit einer wassergekühlten <a href="Triode" class="mw-redirect" title="Triode">Triode</a> ausgeführt. Die Anodenspannung wird abhängig vom zu modulierenden, niederfrequenten Nutzsignal durch den Pulse-Step-Modulator nach oben und unten ausgesteuert, in den Extremwerten zwischen 1 kV bis knapp über 20 kV. Dem Steuergitter der Triode wird bei analogen Ausstrahlungen nur die unmodulierte <a href="Tr%C3%A4gerfrequenz" class="mw-redirect" title="Trägerfrequenz">Trägerfrequenz</a> (Sendefrequenz) zugeführt. Über den Anodenkreis kann dann das amplitudenmodulierte Sendesignal kapazitiv ausgekoppelt und der Sendeantenne zugeführt werden. Damit sind kompakte Sendeanlagen, welche auch für die digitale Rundfunkausstrahlung nach dem Standard <a href="Digital_Radio_Mondiale" title="Digital Radio Mondiale">Digital Radio Mondiale</a> (DRM) geeignet sind, mit hoher Sendeleistung realisierbar.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>Graham A. Jones, David H. Layer, Thomas G. Osenkowsky: <cite style="font-style:italic">National Association of Broadcasters Engineering Handbook</cite>. Taylor & Francis, 2013, ISBN 978-1-136-03410-7, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>687</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Pulse-Step-Modulation&rft.au=Graham+A.+Jones%2C+David+H.+Layer%2C+Thomas+G.+Osenkowsky&rft.btitle=National+Association+of+Broadcasters+Engineering+Handbook&rft.date=2013&rft.genre=book&rft.isbn=9781136034107&rft.pages=687&rft.pub=Taylor+%26+Francis" style="display:none"> </span></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

R.J. Adler, B. Ashcraft, R.J. Richter-Sand: <cite style="font-style:italic">Pulse step modulation to produce very fast solid state pulses</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Pulsed Power Plasma Science, 2001. IEEE Conference Record - Abstracts</cite>. 2001, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1109/PPPS.2001.961029">10.1109/PPPS.2001.961029</a></span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Pulse-Step-Modulation&rft.atitle=Pulse+step+modulation+to+produce+very+fast+solid+state+pulses&rft.au=R.J.+Adler%2C+B.+Ashcraft%2C+R.J.+Richter-Sand&rft.btitle=Pulsed+Power+Plasma+Science%2C+2001.+IEEE+Conference+Record+-+Abstracts&rft.date=2001&rft.doi=10.1109%2FPPPS.2001.961029&rft.genre=book" style="display:none"> </span></span>

</li>

<span class="cite">P.J. Patel et al.: <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/P1433_CD/datasets/papers/at_p5-16.pdf"><i>A Regulated Power Supply for Accelerator Driven System.</i></a> (PDF)<span class="Abrufdatum"> Abgerufen am 6. Juni 2015</span>.</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3APulse-Step-Modulation&rft.title=A+Regulated+Power+Supply+for+Accelerator+Driven+System&rft.description=A+Regulated+Power+Supply+for+Accelerator+Driven+System&rft.identifier=https%3A%2F%2Fwww-pub.iaea.org%2FMTCD%2Fpublications%2FPDF%2FP1433_CD%2Fdatasets%2Fpapers%2Fat_p5-16.pdf&rft.creator=P.J.+Patel+et+al."> </span></span>

</li>

<span class="cite">Patent <a rel="nofollow" class="external text" href="https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?locale=de_EP&CC=US&NR=5309114">US5309114</a>: <i>Pulse step modulator.</i> Angemeldet am <span style="white-space:nowrap;">30. Juni 1993</span>, veröffentlicht am <span style="white-space:nowrap;">3. Mai 1994</span>, Anmelder: Harris Corporation, Erfinder: Hilmer I. Swanson.</span><span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Apatent&rft_id=US5309114&rft.applcc=US&rft.title=Pulse+step+modulator&rft.inventor=Hilmer+I.+Swanson&rft.assignee=Harris+Corporation&rft.appldate=1993-06-30&rft.pubdate=1994-05-03">‌</span></span>

</li>

<span class="cite">W. Tron: <a rel="nofollow" class="external text" href="https://web.archive.org/web/20150923173005/http://www.aps.anl.gov/News/Conferences/2006/CWHAP06/presentations/Tron.pdf"><i>Modern and Crowbarless HVPS.</i></a> (PDF) Archiviert vom <style data-mw-deduplicate="TemplateStyles:r250917974">

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