In diesem Semester wird die unten dargestellte Schaltung als durchgehendes Beispiel verwendet. Sie steuert einen Gleichstrommotor über eine MOSFET-Vollbrücke, erfasst den Motorstrom über einen Shunt und kann bei Überstrom selbstständig abschalten.
Auf den ersten Blick wirkt die Schaltung relativ komplex. Tatsächlich bestehen die meisten ihrer Teilfunktionen jedoch aus Bauelementen und Konzepten, die bereits in vorherigen Veranstaltungen behandelt wurden.
Damit stellt sich zunächst eine berechtigte Frage:
Wenn die einzelnen Bauteile und Grundprinzipien bereits bekannt sind – warum beschäftigen wir uns in Elektronischer Schaltungstechnik noch einmal damit?
Die bisherigen Veranstaltungen haben hauptsächlich die Modelle und Grundfunktionen einzelner Bauelemente vermittelt. In einer realen Schaltung müssen diese Bauteile jedoch gemeinsam funktionieren.
Der Schwerpunkt dieses Kurses liegt daher nicht mehr auf der Frage
„Wie funktioniert dieses Bauteil grundsätzlich?“
sondern auf den Fragen
Die vollständige Schaltung kann in mehrere funktionale Bereiche zerlegt werden:
Diese Blöcke werden im Laufe des Semesters schrittweise geöffnet und analysiert.
Nicht jede Teilfunktion kann bereits am Anfang vollständig verstanden werden. So wird beispielsweise der Bootstrap-Kondensator erst sinnvoll, nachdem die High-Side-Ansteuerung eines N-Kanal-MOSFETs untersucht wurde. Ebenso lässt sich die LC-Struktur der Hilfsversorgung erst später vollständig einordnen.
Die Schaltung wird daher schrittweise im Semester wie ein „Adventskalender“ behandelt: In jedem Block wird ein weiterer Teil geöffnet und mit bereits bekannten Konzepten verknüpft.
Für den Einstieg wird die reale Schaltung stark vereinfacht.
Die Vollbrücke wird zunächst durch ideale Schalter aufgebaut und Steuersignale werden durch einen abstrakten Logikblock erzeugt.
Damit bleiben drei wesentliche Funktionen sichtbar:
Diese vereinfachte Darstellung ist kein alternatives Schaltungsdesign, sondern ein Modell der vollständigen Schaltung.
Im Verlauf des Semesters werden die idealisierten Blöcke schrittweise durch reale Schaltungen ersetzt:
idealen Schalter wird später MOSFET + Gate-Widerstand + Gate-Treiber,Strommessung wird später RSENSE + Operationsverstärker + Filter + Komparator.Auch in der vereinfachten Schaltung werden Bezeichnungen verwendet, die in vielen elektronischen Schaltungen wiederkehren:
| Abkürzung | Begriff | Erklärung |
|---|---|---|
| CLK | Clock | Signal des Taktgebers. Im Beispiel wird damit die PWM mit einer Frequenz von $30~\mathrm{kHz}$ erzeugt. |
| EN | Enable | Freigabesignal der Schaltung. Nur bei aktivem EN darf der Motortreiber den Motor ansteuern. |
| HS | High Side | Bezeichnet einen Schalter auf der Seite der positiven Versorgungsspannung einer Halbbrücke. HS1 und HS2 sind die beiden High-Side-Schalter der Vollbrücke. |
| LS | Low Side | Bezeichnet einen Schalter auf der Seite des Bezugspotentials bzw. der Masse. LS1 und LS2 sind die beiden Low-Side-Schalter der Vollbrücke. |
| VM | Motor Voltage / Motor Supply Voltage | Versorgungsspannung des Leistungsteils bzw. der Vollbrücke. Im Beispiel beträgt sie $20~\mathrm{V}$. |
| RSENSE | Sense Resistor / Shunt | Niederohmiger Messwiderstand zur Erfassung des Motorstroms. |
| OCP | Over-Current Protection | Überstromschutz. Das Signal zeigt an, dass der festgelegte maximale Motorstrom überschritten wurde und dient zur Abschaltung der Leistungsstufe. |
| ROM | Read Only Memory | Nichtflüchtiger Festwertspeicher. Im vereinfachten Modell bildet er die Eingangssignale auf die Schaltzustände der Vollbrücke ab. |
Die Leit-Schaltung wird nicht in einem Schritt vollständig analysiert. Stattdessen werden ihre Teilfunktionen in einer Reihenfolge betrachtet, bei der jeweils möglichst viele notwendige Grundlagen bereits bekannt sind.
Die Leitidee ist:
Bekanntes Modell → reale Abweichung → Datenblatt → konkrete Schaltungsfunktion
Einige Beispiele:
Damit wächst die vollständige Leit-Schaltung im Laufe des Semesters aus bereits verstandenen Teilfunktionen zusammen.
Die Leit-Schaltung wird im Verlauf des Semesters schrittweise erschlossen. Dabei gliedert sich der Kurs in drei größere Themenbereiche.
Im ersten Teil geht es um den Übergang vom idealen Bauteilmodell zum realen Bauteil. Gleichzeitig werden die Werkzeuge eingeführt, mit denen frequenzabhängiges Verhalten später beschrieben werden kann.
| Block | Thema | Leitfrage / zentraler Gedanke | Bezug zur Leit-Schaltung |
|---|---|---|---|
| 01 | Vom Schaltplansymbol zum realen Bauteil | Was unterscheidet Symbol, Modell und physisches Bauteil? | Shunt, Widerstände, Bauformen wie 0402/0603/1206/THT, Verlustleistung, Toleranz, Temperaturabhängigkeit und Kelvin-Anschluss; kurzer Blick auf reale Schalter und Logik |
| 02 | Frequenzgang, dB und Bode | Wie beschreiben wir frequenzabhängiges Verhalten kompakt? | Übertragungsverhalten, Amplitude und Phase, dB-Darstellung und Bode-Diagramm als Werkzeug für die folgenden Blöcke |
| 03 | Der reale Kondensator | Warum verhält sich ein echter Kondensator nicht wie $\frac{1}{j\omega C}$? | Kondensatoren der Leit-Schaltung, ESR, ESL, Selbstresonanz, DC-Bias, Elektrolytkondensatoren und Entkopplung |
| 04 | Passive Filter und Filterentwurf | Wie lässt sich ein gewünschtes Frequenzverhalten gezielt einstellen? | RC-Tiefpass, Filterung des Strommesssignals, Grenzfrequenz, Belastung und praktische Dimensionierung |
Am Ende dieses Abschnitts sollen reale passive Bauteile nicht mehr nur über ihren Nennwert beschrieben werden. Stattdessen werden Bauform, thermisches Verhalten und Frequenzabhängigkeit gemeinsam betrachtet.
Im zweiten Teil wird aus kleinen analogen Messsignalen eine auswertbare und robuste Schutzinformation. Dabei werden bekannte OPV-Grundlagen aus den vorherigen Veranstaltungen aufgegriffen und in konkreten Schaltungen eingesetzt.
| Block | Thema | Leitfrage / zentraler Gedanke | Bezug zur Leit-Schaltung |
|---|---|---|---|
| 05 | Operationsverstärker und aktive Filter | Wie werden aus passiven Netzwerken aktive Signalverarbeitungsschaltungen? | Reaktivierung bekannter OPV-Grundschaltungen, reale OPV-Grenzen und aktive Filter; bewusst auch Beispiele außerhalb der Leit-Schaltung |
| 06 | Komparator und Schmitt-Trigger | Wann wollen wir nicht verstärken, sondern entscheiden? | Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Ereignis; Schaltschwelle und Hysterese |
| 07 | Referenzspannung und Überstromschutz | Wie wird aus einem Messwert eine robuste Schutzfunktion? | Verstärktes Shuntsignal, $V_{\rm REF}$, OCP und Rückwirkung auf die Freigabe der Leistungsstufe |
Nach diesem Abschnitt ist der Mess- und Schutzpfad der Leit-Schaltung weitgehend erschlossen: Der Motorstrom wird erfasst, aufbereitet, mit einer Referenz verglichen und kann eine Abschaltung auslösen.
Im dritten Teil wird der zunächst ideale Leistungsschalter schrittweise durch eine reale MOSFET-Leistungsstufe ersetzt. Aus einem einzelnen Schalter entsteht zunächst eine Halbbrücke und schließlich die vollständige H-Brücke.
| Block | Thema | Leitfrage / zentraler Gedanke | Bezug zur Leit-Schaltung |
|---|---|---|---|
| 08 | MOSFET als realer Schalter | Warum ist „Gate high = an“ nicht die ganze Wahrheit? | Low-Side-MOSFET, $R_{\rm DS(on)}$, Gate-Ladung, Gate-Widerstand sowie Leit- und Schaltverluste |
| 09 | Halbbrücke und induktive Last | Was passiert mit dem Strom, wenn der Schalter öffnet? | Halbbrücke, Motorinduktivität, Strompfade, Freilauf und Body-Diode |
| 10 | High-Side-Ansteuerung | Wie schaltet man einen N-Kanal-MOSFET oberhalb von $V_M$? | Floating Supply, Bootstrap und Gate-Treiberstufe |
| 11 | H-Brücke, PWM und Totzeit | Wie entstehen Drehrichtung, Drehmoment und sichere Schaltzustände? | vollständige Vollbrücke, PWM, Bremszustände, Shoot-through, Totzeit und Logik |
| 12 | Hilfsversorgung und Gesamtsystem | Wie wird aus den Einzelblöcken eine funktionierende Elektronik? | $V_{\rm DRV}$-Erzeugung, DC/DC-Wandler, LC-Struktur sowie Integration und Gesamtanalyse |
Am Ende des Semesters soll die anfangs komplex wirkende Schaltung als Zusammenspiel nachvollziehbarer funktionaler Blöcke verstanden werden.