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elektronische_schaltungstechnik:block00 [2026/09/27 16:40] – created mexleadminelektronische_schaltungstechnik:block00 [2026/09/27 17:29] (current) – mexleadmin
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 </WRAP> </WRAP>
  
-Auf den ersten Blick wirkt die Schaltung komplex. Tatsächlich bestehen ihre Teilfunktionen überwiegend aus Bauelementen und Konzepten, die bereits in vorherigen Veranstaltungen behandelt wurden.+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.
  
-  * Die grundlegenden Schaltungen mit **Widerständen** und **Leitern** wurden bereits in EEE1 eingeführt. Insbesondere Ohmsches Gesetz, spezifischer Widerstand und die lineare Temperaturabhängigkeit werden in diesem Kurs vorausgesetzt. Siehe [[https://wiki.mexle.org/electrical_engineering_1/preparation_properties_proportions#resistance_and_conductance|EEE1: Resistance and Conductance]]. +  - Die grundlegenden Schaltungen mit **Widerständen** und **Leitern** wurden bereits in EEE1 eingeführt. Insbesondere Ohmsches Gesetz, spezifischer Widerstand und die lineare Temperaturabhängigkeit werden in diesem Kurs vorausgesetzt. (hier im wiki in englisch unter [[https://wiki.mexle.org/electrical_engineering_1/preparation_properties_proportions#resistance_and_conductance|EEE1: Resistance and Conductance]]). 
-  * **Operationsverstärker**, **Rückkopplung** und einfache **Verstärkerschaltungen** wurden ebenfalls bereits behandelt. Komparator und Schmitt-Trigger werden später in diesem Kurs in einer konkreten Schutzschaltung detaillierter betrachtet. Siehe [[https://wiki.mexle.org/electrical_engineering_and_electronics_1/block23|EEE1: Comparator and Schmitt Trigger]]. +  - **Operationsverstärker**, **Rückkopplung** und einfache **Verstärkerschaltungen** wurden ebenfalls bereits behandelt. Komparator und Schmitt-Trigger werden später in diesem Kurs in einer konkreten Schutzschaltung detaillierter dargestellt (siehe [[https://wiki.mexle.org/electrical_engineering_and_electronics_1/block23|EEE1: Comparator and Schmitt Trigger]]). 
-  * Halbleiterbauelemente wie **Diode**, **Bipolartransistor** und **MOSFET** wurden in EEE2 eingeführt. In diesem Kurs wird daher nicht erneut hergeleitet, wie ein MOSFET physikalisch funktioniert. Stattdessen interessiert, wie sich ein realer MOSFET in einer konkreten Leistungsschaltung verhält und wie er angesteuert werden muss. Siehe [[https://wiki.mexle.org/electrical_engineering_and_electronics_2/start|EEE2: Electrical Engineering and Electronics 2]], insbesondere Block 11–14. +  - Halbleiterbauelemente wie **Diode**, **Bipolartransistor** und **MOSFET** wurden in EEE2 eingeführt. In diesem Kurs wird daher nicht erneut hergeleitet, wie ein MOSFET physikalisch funktioniert. Stattdessen interessiert uns, wie sich ein realer MOSFET in einer konkreten Leistungsschaltung verhält und wie er angesteuert werden muss (Einführung ind die Halblsiterelemente in [[https://wiki.mexle.org/electrical_engineering_and_electronics_2/start|EEE2: Electrical Engineering and Electronics 2]], Block 11 -14). 
-  * Auch die digitale Logik auf der linken Seite der Schaltung ist grundsätzlich bekannt. Boolesche Algebra und Wahrheitstabellen wurden bereits in Digitaltechnik bzw. Informatik behandelt. Siehe [[https://wiki.mexle.org/introduction_to_digital_systems/boolean_algebra|Boolean Algebra and Logic Gates]].+  - Auch die digitale Logik auf der linken Seite der Schaltung ist im Grundstudium angestriffen worden. Boolesche Algebra und Wahrheitstabellen wurden bereits in der Digitaltechnik bzw. Informatik behandelt (hier im wiki unter [[https://wiki.mexle.org/introduction_to_digital_systems/boolean_algebra|Boolean Algebra and Logic Gates]])
  
-Damit stellt sich eine berechtigte Frage:+Damit stellt sich zunächst eine berechtigte Frage:
  
 <WRAP center round important 80%> <WRAP center round important 80%>
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 Die bisherigen Veranstaltungen haben hauptsächlich die **Modelle und Grundfunktionen einzelner Bauelemente** vermittelt. In einer realen Schaltung müssen diese Bauteile jedoch gemeinsam funktionieren. Die bisherigen Veranstaltungen haben hauptsächlich die **Modelle und Grundfunktionen einzelner Bauelemente** vermittelt. In einer realen Schaltung müssen diese Bauteile jedoch gemeinsam funktionieren.
  
-  * Ein **Widerstand** besitzt nicht nur einen Widerstandswert. Zusätzlich werden beispielsweise Toleranz, Temperaturkoeffizient, Verlustleistung, Bauform und thermisches Verhalten relevant. +  * Ein **Widerstand** besitzt beispielsweise nicht nur einen Widerstandswert. Er besitzt neben einen Temperaturkoeffizienten auch eine Toleranz, eine maximale Verlustleistung, eine Baugröße und einen thermischen Widerstand. 
-  * Ein **Kondensator** besitzt nicht nur eine Kapazität. Bauart, Gleichspannung und Frequenz beeinflussen sein reales Verhalten. +  * Ein **Kondensator** besitzt nicht nur eine Kapazität. Abhängig von Bauart, Spannung und Frequenz ändern sich seine Eigenschaften teilweise erheblich. 
-  * Ein **MOSFET** ist nicht einfach nur ein idealer Schalter. Auch im leitenden Zustand besitzt er einen endlichen Widerstand; sein Gate muss geladen und entladen werden und seine zulässigen Spannungen und Ströme sind begrenzt. +  * Ein **MOSFET** ist nicht einfach nur „ein Schalter“. Im jedem Zustand besitzt er einen endlichen Widerstand; sein Gate muss geladen und entladen werden und seine zulässigen Spannungen und Ströme sind begrenzt. 
-  * Ein **Operationsverstärker** besitzt keine unendliche Verstärkung bei jeder Frequenz. Eingangs- und Ausgangsspannungen, Bandbreite und Versorgung begrenzen sein Verhalten. +  * Ein **Operationsverstärker** besitzt keine unendliche Verstärkung bei jeder Frequenz. Seine Eingangs- und Ausgangsspannungen sind begrenzt und hängen von der Versorgungsspannung ab. 
-  * Auch eine **digitale logische Funktion** wird letztlich durch reale elektronische Schalter mit endlichen Widerständen und Schaltzeiten realisiert.+  * Selbst eine digitale logische Funktion wird letztlich durch reale elektronische Schalter mit endlichen Schaltzeiten umgesetzt.
  
 <WRAP center round info 80%> <WRAP center round info 80%>
-**Der Schwerpunkt dieses Kurses liegt daher nicht mehr primär auf der Frage**+**Der Schwerpunkt dieses Kurses liegt daher nicht mehr auf der Frage**
  
 „Wie funktioniert dieses Bauteil grundsätzlich?“ „Wie funktioniert dieses Bauteil grundsätzlich?“
Line 37: Line 37:
 **sondern auf den Fragen** **sondern auf den Fragen**
  
-  * „Wie verhält sich dieses Bauteil in einer realen Schaltung?“ +  * „Wie verhält sich dieses Bauteil in einer realen Schaltung?“   
-  * „Welche Angaben im Datenblatt sind dafür relevant?“ +  * „Welche Angaben im Datenblatt sind dafür relevant?“   
-  * „Welche Grenzen des idealen Modells werden wichtig?“+  * „Welche Grenzen des idealen Modells werden wichtig?“  
   * „Wie beeinflussen sich mehrere Bauteile gegenseitig?“   * „Wie beeinflussen sich mehrere Bauteile gegenseitig?“
 </WRAP> </WRAP>
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 ===== 0.2 Funktionale Aufteilung der Leit-Schaltung ===== ===== 0.2 Funktionale Aufteilung der Leit-Schaltung =====
  
-Die vollständige Schaltung lässt sich in mehrere funktionale Bereiche zerlegen:+Die vollständige Schaltung kann in mehrere funktionale Bereiche zerlegt werden:
  
-  * **Nutzereingabe und Hauptschalter:** Aktivierung des Motortreibers und Vorgabe des PWM-Signals. +  * **Nutzereingabe und Hauptschalter:** \\ Aktivierung des Motortreibers und Vorgabe des PWM-Signals. 
-  * **Gate-Treiber-Logik mit Totzeit:** Erzeugung der Steuersignale für die vier Leistungstransistoren und Vermeidung unzulässiger gleichzeitiger Einschaltzustände. +  * **Gate-Treiber-Logik:** \\ Erzeugung der Steuersignale für die vier Leistungstransistoren und Vermeidung gleichzeitiger Einschaltzustände. 
-  * **Gate-Treiber:** Anpassung der Logiksignale an die Anforderungen der MOSFET-Gates. +  * **Gate-Treiber:** \\ Anpassung der Logiksignale an die Anforderungen der MOSFET-Gates. 
-  * **MOSFET-Vollbrücke:** Steuerung von Stromrichtung und Motorleistung. +  * **MOSFET-Vollbrücke:** \\ Steuerung von Stromrichtung und Motorleistung. 
-  * **Spannungsversorgung:** Versorgung des Leistungsteils und Erzeugung einer zusätzlichen Treiberspannung. +  * **Spannungsversorgung:** \\ Versorgung des Leistungsteils und Erzeugung einer zusätzlichen Treiberspannung. 
-  * **Strommessung und Überstromdetektion:** Erfassung des Motorstroms über einen Shunt, Signalaufbereitung, Vergleich mit einer Referenzspannung und Abschaltung bei zu großem Strom.+  * **Strommessung:** \\ Erfassung des Motorstroms über einen niederohmigen Shunt. 
 +  * **Überstromdetektion:** \\ Verstärkung des Shuntsignals, Vergleich mit einer Referenzspannung und Abschaltung bei zu großem Strom. 
 + 
 +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. 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 im Laufe des Semesters schrittweise geöffnet: In jedem Block wird ein weiterer Teil genauer betrachtet und mit bereits bekannten Konzepten verknüpft.+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.
  
 ===== 0.3 Vereinfachtes Modell ===== ===== 0.3 Vereinfachtes Modell =====
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 </WRAP> </WRAP>
  
-Die Vollbrücke wird zunächst durch ideale Schalter dargestellt. Die Gate-Treiber werden ausgeblendet und die Steuersignale durch einen abstrakten Logikblock erzeugt.+Die Vollbrücke wird zunächst durch ideale Schalter aufgebaut und Steuersignale werden durch einen abstrakten Logikblock erzeugt.
  
 Damit bleiben drei wesentliche Funktionen sichtbar: Damit bleiben drei wesentliche Funktionen sichtbar:
  
-  * **Steuern:** Die Logik entscheidet, welche Schalter geöffnet oder geschlossen sind. +  * **Steuern:** \\ Die Logik entscheidet, welche Schalter geöffnet oder geschlossen sind. 
-  * **Leistung übertragen:** Die Vollbrücke bestimmt Stromrichtung und Spannung am Motor. +  * **Leistung übertragen:** \\ Die Vollbrücke bestimmt Stromrichtung und Spannung am Motor. 
-  * **Messen und schützen:** Der Shunt erfasst den Motorstrom; die Schutzschaltung kann die Leistungsstufe abschalten.+  * **Messen und schützen:** \\Der Shunt misst den Strom und die Schutzschaltung kann die Brücke abschalten.
  
 Diese vereinfachte Darstellung ist kein alternatives Schaltungsdesign, sondern ein **Modell der vollständigen Schaltung**. 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: Im Verlauf des Semesters werden die idealisierten Blöcke schrittweise durch reale Schaltungen ersetzt:
- 
   * aus dem ''idealen Schalter'' wird später ''MOSFET + Gate-Widerstand + Gate-Treiber'',   * aus dem ''idealen Schalter'' wird später ''MOSFET + Gate-Widerstand + Gate-Treiber'',
   * aus der ''Strommessung'' wird später ''RSENSE + Operationsverstärker + Filter + Komparator''.   * aus der ''Strommessung'' wird später ''RSENSE + Operationsverstärker + Filter + Komparator''.
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 | 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. | | 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 $20~\mathrm{V}$. | | 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. Der Motorstrom erzeugt daran die Messspannung $U_{ +| RSENSE | Sense Resistor / Shunt | Niederohmiger Messwiderstand zur Erfassung des Motorstroms. |
-m SENSE}=I\cdot R_{ +
-m SENSE}$. |+
 | OCP | Over-Current Protection | Überstromschutz. Das Signal zeigt an, dass der festgelegte maximale Motorstrom überschritten wurde und dient zur Abschaltung der Leistungsstufe. | | 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. | | ROM | Read Only Memory | Nichtflüchtiger Festwertspeicher. Im vereinfachten Modell bildet er die Eingangssignale auf die Schaltzustände der Vollbrücke ab. |
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 Damit wächst die vollständige Leit-Schaltung im Laufe des Semesters aus bereits verstandenen Teilfunktionen zusammen. Damit wächst die vollständige Leit-Schaltung im Laufe des Semesters aus bereits verstandenen Teilfunktionen zusammen.
  
-===== 0.5 Überblick über die Lehrblöcke =====+===== 0.5 Ausblick auf das Semester ===== 
 + 
 +Die Leit-Schaltung wird im Verlauf des Semesters schrittweise erschlossen. Dabei gliedert sich der Kurs in drei größere Themenbereiche. 
 + 
 +==== 0.5.1 Reale passive Bauteile und frequenzabhängiges Verhalten ==== 
 + 
 +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. 
 + 
 +==== 0.5.2 Analoge Signalverarbeitung und Schutz ==== 
 + 
 +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. 
 + 
 +==== 0.5.3 Leistungselektronik und Gesamtsystem ==== 
 + 
 +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 ^ Bezug zur Leit-Schaltung ^ +^ Block ^ Thema ^ Leitfrage / zentraler Gedanke ^ Bezug zur Leit-Schaltung ^ 
-| 01 | Vom Schaltplansymbol zum realen Bauteil | Shunt, Bauformen, thermisches Verhalten, reale Schalter | +| **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 | 
-| 02 | Frequenzgang, Dezibel und Bode-Diagramm | grundlegendes Werkzeug für frequenzabhängige Schaltungen | +| **09** | **Halbbrücke und induktive Last** | Was passiert mit dem Strom, wenn der Schalter öffnet? | Halbbrücke, Motorinduktivität, Strompfade, Freilauf und Body-Diode | 
-| 03 | Der reale Kondensator | Versorgungskondensatoren, parasitäre Eigenschaften, DC-Bias | +| **10** | **High-Side-Ansteuerung** | Wie schaltet man einen N-Kanal-MOSFET oberhalb von $V_M$? | Floating Supply, Bootstrap und Gate-Treiberstufe | 
-| 04 | Passive Filter und Filterentwurf | Filterung von Mess- und Störsignalen | +| **11** | **H-Brücke, PWM und Totzeit** | Wie entstehen Drehrichtung, Drehmoment und sichere Schaltzustände? | vollständige Vollbrücke, PWM, Bremszustände, Shoot-through, Totzeit und Logik | 
-| 05 | Operationsverstärker und aktive Filter | Signalverstärkung und aktive Filterstrukturen | +| **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 |
-| 06 | Komparator und Schmitt-Trigger | Umwandlung eines analogen Messsignals in eine robuste Schaltentscheidung | +
-| 07 | Referenzspannung und Überstromschutz | VREF, OCP und Abschaltung der Leistungsstufe | +
-| 08 | MOSFET als realer Schalter | Low-Side-Schalter, $R_{ +
-m DS(on)}$, Gate-Ladung und Schaltverluste | +
-| 09 | Halbbrücke und induktive Last | Strompfade, Freilauf und Motorinduktivität | +
-| 10 | High-Side-Ansteuerung | Gate-Treiber, Floating Supply und Bootstrap | +
-| 11 | H-Brücke, PWM und Totzeit | vollständige Vollbrücke, Drehrichtung, PWM und Shoot-through | +
-| 12 | Hilfsversorgung und Gesamtsystem | VDRV-Erzeugung und Zusammenführung der Teilsysteme |+
  
-===== 0.6 Ausblick =====+Am Ende des Semesters soll die anfangs komplex wirkende Schaltung als Zusammenspiel nachvollziehbarer funktionaler Blöcke verstanden werden.
  
-Block 00 dient als Orientierung und Referenz für das gesamte Semester. Die hier gezeigte vollständige Schaltung muss zu diesem Zeitpunkt noch nicht im Detail verstanden werden. 
  
-Ab Block 01 wird jeweils ein begrenzter Teil der Schaltung genauer untersucht. Ziel ist, dass am Ende des Semesters die anfangs komplex wirkende Leit-Schaltung aus bekannten und begründbaren Teilfunktionen besteht.