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Block 00 — Leit-Schaltung und Kursüberblick

0.1 Die Leit-Schaltung

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 komplex. Tatsächlich bestehen ihre Teilfunktionen überwiegend 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 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 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 EEE2: Electrical Engineering and Electronics 2, insbesondere 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 Boolean Algebra and Logic Gates.

Damit stellt sich eine berechtigte Frage:

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 Kondensator besitzt nicht nur eine Kapazität. Bauart, Gleichspannung und Frequenz beeinflussen sein reales Verhalten.
• 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 Operationsverstärker besitzt keine unendliche Verstärkung bei jeder Frequenz. Eingangs- und Ausgangsspannungen, Bandbreite und Versorgung begrenzen sein Verhalten.
• Auch eine digitale logische Funktion wird letztlich durch reale elektronische Schalter mit endlichen Widerständen und Schaltzeiten realisiert.

0.2 Funktionale Aufteilung der Leit-Schaltung

Die vollständige Schaltung lässt sich in mehrere funktionale Bereiche zerlegen:

• 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: Anpassung der Logiksignale an die Anforderungen der MOSFET-Gates.
• MOSFET-Vollbrücke: Steuerung von Stromrichtung und Motorleistung.
• 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.

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.

0.3 Vereinfachtes Modell

Für den Einstieg wird die reale Schaltung stark vereinfacht.

Die Vollbrücke wird zunächst durch ideale Schalter dargestellt. Die Gate-Treiber werden ausgeblendet und die Steuersignale durch einen abstrakten Logikblock erzeugt.

Damit bleiben drei wesentliche Funktionen sichtbar:

• Steuern: Die Logik entscheidet, welche Schalter geöffnet oder geschlossen sind.
• Leistung übertragen: Die Vollbrücke bestimmt Stromrichtung und Spannung am Motor.
• Messen und schützen: Der Shunt erfasst den Motorstrom; die Schutzschaltung kann die Leistungsstufe abschalten.

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:

• aus dem idealen Schalter wird später MOSFET + Gate-Widerstand + Gate-Treiber,
• aus der Strommessung wird später RSENSE + Operationsverstärker + Filter + Komparator.

Auch in der vereinfachten Schaltung werden Bezeichnungen verwendet, die in vielen elektronischen Schaltungen wiederkehren:

0.4 Lernpfad durch das Semester

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:

Einige Beispiele:

• Der reale Widerstand wird zunächst am Shunt untersucht.
• Frequenzgang, Dezibel und Bode-Diagramm werden anschließend als Werkzeuge eingeführt.
• Mit diesen Werkzeugen kann danach das reale Verhalten von Kondensatoren und Filtern besser verstanden werden.
• Operationsverstärker und Komparatoren werden nicht erneut grundsätzlich eingeführt, sondern in konkreten Signalverarbeitungs- und Schutzschaltungen verwendet.
• Der MOSFET wird zunächst als realer Low-Side-Schalter betrachtet; danach folgen Halbbrücke, High-Side-Ansteuerung und schließlich die vollständige H-Brücke.
• Die Hilfsversorgung wird erst betrachtet, wenn Schalter, Diode, Induktivität und Kondensator im notwendigen Kontext bekannt sind.

Damit wächst die vollständige Leit-Schaltung im Laufe des Semesters aus bereits verstandenen Teilfunktionen zusammen.

0.5 Überblick über die Lehrblöcke

m DS(on)}$, Gate-Ladung und Schaltverluste |

0.6 Ausblick

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.