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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 relativ komplex. Tatsächlich bestehen die meisten ihrer Teilfunktionen jedoch aus Bauelementen und Konzepten, die bereits in vorherigen Veranstaltungen behandelt wurden.

1. 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 EEE1: Resistance and Conductance).
2. 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 EEE1: Comparator and Schmitt Trigger).
3. 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 EEE2: Electrical Engineering and Electronics 2, Block 11 -14).
4. 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 Boolean Algebra and Logic Gates)

Damit stellt sich zunächst 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 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. Abhängig von Bauart, Spannung und Frequenz ändern sich seine Eigenschaften teilweise erheblich.
• 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. Seine Eingangs- und Ausgangsspannungen sind begrenzt und hängen von der Versorgungsspannung ab.
• Selbst eine digitale logische Funktion wird letztlich durch reale elektronische Schalter mit endlichen Schaltzeiten umgesetzt.

0.2 Funktionale Aufteilung der Leit-Schaltung

Die vollständige Schaltung kann in mehrere funktionale Bereiche zerlegt werden:

• Nutzereingabe und Hauptschalter:
  Aktivierung des Motortreibers und Vorgabe des PWM-Signals.
• 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.
• MOSFET-Vollbrücke:
  Steuerung von Stromrichtung und Motorleistung.
• Spannungsversorgung:
  Versorgung des Leistungsteils und Erzeugung einer zusätzlichen Treiberspannung.
• 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.

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

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:

• 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 misst den Strom und die Schutzschaltung kann die Brücke 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

Die vollständige Leit-Schaltung muss zu diesem Zeitpunkt noch nicht im Detail verstanden werden.

In den folgenden Blöcken wird sie schrittweise erschlossen:

0.6 Ausblick auf das Semester

Die Leit-Schaltung wird im Verlauf des Semesters schrittweise erschlossen. Dabei gliedert sich der Kurs in drei größere Themenbereiche.

0.6.1 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.

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.

0.6.2 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.

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.

0.6.3 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.