Steuerung von Elektromotoren: Per Schalter, einfacher PWM, Vollbrücke

Wo Strom in Kraft und elektrische Energie (meistens) rotierend in mechanische Energie umgesetzt wird, da geht es um den guten, alten Elektromotor. Gut für Elektroniker, weil bei dieser Art Motor deutlich weniger Mechanik „stört“ als zum Beispiel bei einer Dampfmaschine oder einem Otto-Motor. Alt für Elektroniker deshalb, weil eigentlich alle Elektromotoren längst erfunden sind und sich bei deren Technologie kaum noch etwas tut. Dafür gibt es von E-Motoren viele Arten, und alle wollen für unterschiedliche Zwecke passend angesteuert werden.

Anders als bei thermomechanischen Motoren, bei denen irgendwas Heißes mit viel Geräusch und Stinkerei über Dinge wie Kurbelwellen etwas in Bewegung setzt, gibt es bei den elektrischen Antrieben viel mehr real eingesetzte Vielfalt. Elektromotoren drehen die Welle fast immer direkt. Das macht nicht nur die Mechanik einfacher, sondern auch die Anwendung und das Gewicht sowie den Preis geringer. Dank der Einfachheit ist auch die Haltbarkeit besser und eine präzise Steuerung leichter machbar. Das erkauft man sich mit dem Nachteil, dass an einem Elektromotor quasi immer ein Kabel dran ist – oder aber ein Akku als Kabelersatz, der die Sache dann wieder schwerer, teurer und etwas umständlicher macht.

Vielfalt

Nachdem der Däne Hans-Christian Ørsted vor fast 200 Jahren bemerkte, dass ein stromdurchflossener Leiter einen Kompass beeinflusst, trat er damit die Elektrotechnik im Allgemeinen und die stürmische Entwicklung der Elektromotoren im Speziellen los (Bild 1). Knapp zwanzig Jahre später fuhr dann im russischen St. Petersburg schon ein elektrisch angetriebenes Boot auf der Newa. Und jeder Homo technicus weiß ja, dass zu Anfang der Automobilgeschichte mehr Autos elektrisch als mit Benzin fuhren (Bild 2). Aber erst nach der Verbreitung elektrischer Netze durch Edison bzw. General Electric und Tesla bzw. Westinghouse in den USA sowie die AEG im damaligen Deutschen Reich wurden Elektromotoren breit und für vielfältigste Anwendungen eingesetzt. Pferde, Wasser- und Windkraft wurden bald sekundär und es erschlossen sich Möglichkeiten etwas zu motorisieren, von denen man zuvor nicht einmal träumen konnte.

Seit Ende des 19. Jahrhunderts tobten sich also Tüftler und Ingenieure bei den elektrischen Antrieben so richtig aus und entwickelten die unterschiedlichsten Typen an Elektromotoren. Sagt Ihnen der Begriff „Stromkrieg“ etwas? Um 1890 befehdeten sich GE und Westinghouse bzw. die dahinterstehenden großen Erfinder Edison und Tesla über die Grundsatzfrage: Gleich- oder Wechselstrom? Entsprechend gab es auch schon zu dieser Zeit nicht nur Elektromotoren unterschiedlichster Leistungen und Bauarten (Bild 3), sondern auch welche, die auf Gleich- oder Wechselstrom spezialisiert und bei Letzterem sogar mit unterschiedlich vielen Phasen ausgestattet waren. Für jeden Zweck stand also ein Spezialmotor zur Verfügung. Die Vielfalt der Bezeichnungen samt der damit zusammenhängenden Unterschiede ist für Elektroniker ohne Spezialkenntnisse im Bereich elektrischer Antriebe durchaus verwirrend.

In Tabelle 1 sind lediglich die groben Motorkategorien gelistet.

Tabelle 1. Motortypen.

Prinzipielles

Da es in diesem Beitrag eher um den Betrieb bzw. um die Ansteuerung geht, bleiben die Tiefen und Geheimnisse der ganz konkreten Funktionsweise jedes einzelnen Motortyps ausgespart. Im Prinzip ist ein Elektromotor ja eine Konstruktion von einem bis vielen Elektromagneten, dessen magnetisches Feld auf einen Permanentmagneten, einen anderen Elektromagneten oder aber auf ein Stück passend geformtes Eisen eine Kraft ausübt, die zu einer mechanischen Bewegung führt. Es wird dabei elektrische Energie in mechanische Energie verwandelt.

Diese Wandlung ist erwartungsgemäß nie vollständig, da ein Teil der Energie nicht nur durch mechanische Effekte wie Reibung verloren geht, sondern auch elektrische und elektromagnetische Effekte am Wirkungsgrad knabbern. Hier wäre in erster Linie der ohmsche Widerstand der Wicklungen zu nennen, der zur Produktion von Wärme statt mechanischer Energie führt. Dies wird noch durch den sogenannten Skin-Effekt bei Wechselstrom forciert, wenn dieser höhere Frequenzen aufweist. Bei Gleichstrom ist davon nichts zu spüren, bei den üblichen 50 oder 60 Hz fällt der Effekt sehr moderat und kaum problematisch aus, aber schon bei 30 kHz sinkt die sogenannte Eindringtiefe des Wechselstroms auf nur etwa 0,4 mm. Hinzu kommen noch Phänomene wie Wirbelstromverluste in den eisenhaltigen Motorteilen, die von sich ändernden Magnetfeldern durchflossen werden. Schließlich stören sekundäre Aspekte wie das, was sich zwischen Schleifringen und Kohlen etc. abspielt, sofern Motoren damit ausgestattet sind.

Last not least spielen auch die Verluste in der Steuerung eine Rolle. Bei schlichten elektromechanischen Schaltern (Schütze und Relais) ist das auf die in deren Spulen verheizte Energie sowie die in der Regel sehr niedrigen Kontakt- und Verkabelungswiderstände zurückzuführen. Bei einer halbleiterbasierten Ansteuerung, wie sie bei der PWM-Steuerung von Motoren ja zwingend ist, sind der Energieverbrauch der Steuerelektronik samt Netzteil (kleinerer Teil) sowie die Spannungsabfälle an durchgeschalteten Halbleitern plus die Schaltverluste beim schnellen Schalten relevant, was bei PWM obligatorisch ist. Moderne Power-MOSFETs sind da für kleine und mittlere Motorleistungen bis zu einigen Kilowatt schon ziemlich gut geeignet, da ihre On-Widerstände im Bereich weniger mΩ liegen können. Bei höheren Leistungen wie etwa im Automobilbereich und den dann nötigen höheren Spannungen steigen aber die On-Kanalwiderstände bei MOSFETs aus Silizium ziemlich an, was in den letzten Jahren zum verstärkten Einsatz von Leistungshalbleitern aus Siliziumcarbid geführt hat. Siliziumcarbid erlaubt höhere Feldstärken und damit dünnere Schichten. SiC-MOSFETs eignen sich daher besonders gut für höhere Spannungen, ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und niedrigere On-Widerstände, was zu niedrigeren Verlusten führt. Außerdem können SiC-Transistoren bei höheren Temperaturen betrieben werden, was die Zuverlässigkeit erhöht. Diese Vorteile erkauft man sich wie so oft im Leben mit höheren Preisen.

Funktionsweisen

Wie schon angedeutet würde es zu weit führen, wollte man die konkrete Funktionsweise jedes Motortyps detailliert erläutern. Dennoch ist es beim Thema Steuerung und Betrieb hilfreich, die prinzipielle Funktionsweise eines Elektromotors im Hinterkopf zu haben.

Bild 4 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau eines vereinfachten Elektromotors. Außen bzw. im Bild oben (Nord) und unten (Süd) befinden sich die Pole eines Permanentmagneten. Da er sich in dieser Variante nicht bewegt, nennt man ihn Stator. Der sich im Inneren drehende Teil ist folglich der Rotor, der im Deutschen auch gerne Läufer oder Anker genannt wird. Sein Eisenkern ist mit einer Wicklung aus isoliertem Kupferdraht versehen. Der Rotor fungiert als drehbar gelagerter Elektromagnet. Die ganze Konstruktion nennt sich „Innenläufer“ und wäre auch anders herum denkbar: Ein fester innerer Teil mit einem drehbar gelagerten Außenteil, wie das zum Beispiel bei sogenannten Nabenmotoren der Fall ist.

Würde man nun „irgendwie“ Gleichstrom durch die Wicklung fließen lassen, würde sich der blaue Nordpol des Rotors zum roten Südpol des Stators hingezogen fühlen und der Rotor-Südpol fände gleichermaßen den Stator-Nordpol attraktiv. In der Folge würde es einmal Zack machen und der Rotor hätte sich um etwa 60° im Uhrzeigersinn gedreht und bliebe dort wie festgenagelt stehen.

Da dies ziemlich nutzlos wäre, wird der Strom für die Rotor-Wicklung über einen zweigeteilten Schleifring (im Bild orange) über Bürsten (im Bild schwarz, meistens aus Kohle, bei kleinsten Motoren auch über Federn aus Edelmetallen) zugeführt. Diese Kommutator genannte Anordnung schaltet den Stromfluss durch die Wicklung abhängig von der Rotor-Position so um, dass sich die Polung des Elektromagnets ab der senkrechten Position immer passend umdreht, damit ein durchgängiges Drehmoment in einer Drehrichtung entsteht.

So simpel dieses Prinzip ist, so genial ist es auch. Und man kann daraus sehr viele Varianten machen. Es lassen sich nicht nur Innen und Außen vertauschen, sondern auch Permanent- und Elektromagnet. Außerdem lässt sich der Permanentmagnet durch einen zweiten Elektromagneten ersetzen. Im Beispiel von Bild 4 erhielte dann der Stator ebenfalls eine Wicklung. Und schon fächern sich die Möglichkeiten weiter auf: Die zweite Wicklung kann nämlich in Serie zur ersten geschaltet werden oder aber auch parallel. Im ersten Fall ergibt sich der sogenannte Reihenschlussmotor, der nicht zu Unrecht auch als Universalmotor bekannt ist. Man findet ihn fast überall, von der Bohrmaschine bis zum Staubsauger sowie in industriellen Applikationen. Universell ist er deshalb, weil er prinzipiell mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden kann.

Nachteilig an Kommutatoren ist der Abrieb: Es verschleißen die Bürsten und langfristig auch die Kontaktflächen des Schleifrings. Deshalb werden zum Beispiel mehrphasige Motoren gebaut, die bei Betrieb an einem mehrphasigen Netz das so entstehende Drehfeld nutzen und auf Schleifringe verzichten können. Es gibt noch weitere trickreiche Konstruktionen, durch die ein Drehfeld mit speziell angebrachten Kurzschlusswicklungen auch einphasig erreicht wird. Außerdem kann man Schleifringe in modernen Zeiten auch durch verschleißfreie elektronische Schalter ersetzen, die entweder von im Motor platzierten Positionsgebern oder aber durch die Gegen-EMK gesteuert werden. Mit Wechselrichtern lässt sich die Drehzahl von ansonsten starr an die Netzfrequenz gekoppelten Synchronmotoren in Grenzen variabel machen. Alle diese Veränderungen führen letztlich zu einer Motorenvielfalt, die in Tabelle 1 grob in Kategorien eingeteilt ist.

Ebenfalls interessant: Fast alle Motortypen können als Generatoren fungieren und damit aus mechanischer dann elektrische Energie erzeugen. Manchmal braucht es hierzu nur geringe konstruktive Anpassungen. In einigen Fällen kann man das nutzen: Man kann so zum Beispiel Motoren abbremsen, indem man die im Nachlaufen steckende kinetische Energie nach dem Ausschalten durch Verheizen (auch in der Wicklung) „vernichtet“. In anderen Fällen kann das stören, da eine Motorbewegung durch die Generatorwirkung unter Umständen die angeschlossene Steuerelektronik aktivieren kann.

Ansteuerungen

Da es so viele unterschiedliche Elektromotoren gibt, hat das auch unterschiedlichste Ansteuerkonzepte zur Folge. Ein schlichter Schalter entspricht nur in wenigen Fällen den Anforderungen und Möglichkeiten diverser Elektromotoren und folglich auch nicht den angepeilten Anwendungen. Daher wurde eine Auflistung der Ansteuerprinzipien nach Komplexität vorgenommen. Modellbau-Servos und Schrittmotoren bleiben außen vor, da sie weniger für Antriebe geeignet und ein anderes Thema sind.

Schalter

Motoren kleiner und mittlerer Leistung für Antriebe werden oft schlicht geschaltet. Im einfachsten Fall geschieht dies über einen mechanischen Schalter. Dieser kann durch ein Relais oder ein Schütz (Relais für mittlere bis höhere Leistungen zum Betrieb am Wechselstrom-Netz) ersetzt werden, was einen Motor per Steuerleitung fernschaltbar macht. Außerdem gibt es als elektronische Alternative Halbleiter-Relais für kleine und mittlere Leistungen sowie kleine bis große Thyristoren (Bild 5) und Triacs, mit denen sich auch Motoren mit Leistungen bis hin zu vielen kW nicht nur schalten, sondern auch in der Drehzahl bzw. Abgabeleistung steuern lassen. Mit Schaltern ist auch noch mehr möglich, wie gleich deutlich wird.

Drehrichtung per Schalter

Eine der einfachsten Möglichkeiten der Umschaltung der Drehrichtung bei einem Gleichstrommotor benötigt lediglich einen doppelpoligen Umschalter (Bild 6). Das kann man natürlich mit jeder Art Schalter, also auch mit Halbleitern realisieren. Doch Achtung: Polt man einen laufenden Motor ohne Pause direkt um, dann kann das wegen der Generatorwirkung zu ganz schön hohen Strömen und Spannungsspitzen sowie zur Beschädigung der Motormechanik oder der Aufhängung durch die enorm hohen Drehmomente führen. Die Auswirkungen sind schlimmer als ein bloßer Kurzschluss der Wicklungen. Dass etwas prinzipiell funktioniert, heißt eben noch lange nicht, dass es gut oder auch nur praktikabel ist. Außer bei Kleinmotoren sollte so ein mechanischer Umschalter eigentlich eine Mittel- oder dritte Stellung haben, in der der Motor zunächst abgebremst wird.

Die Drehrichtung lässt sich natürlich auch bei etlichen einphasigen Wechselstrommotoren ändern, die zwei getrennte Wicklungen aufweisen. In diesen Fällen reicht die Umpolung einer der beiden Wicklungen per Schalter. Bei etlichen Drehstrommotoren kann man schlicht zwei Phasen tauschen. Zu beachten ist, dass Wechselstrommotoren gelegentlich eine Vorzugsrichtung haben, da bei diesen der Kommutator gegenüber dem theoretischen Original um einige Grade verdreht ist, was einigen Aspekten wie dem Wirkungsgrad zugutekommen kann.

Drehzahl per PWM

Neben der Drehrichtung lässt sich bei Gleichstrommotoren auch die Drehzahl steuern. Der einfachste aber energetisch ungünstigste Fall ist ein einstellbarer Vorwiderstand, eine Art Lastpoti. Da dieser aber im Teillastbetrieb unnütz Energie verheizt und auch andere Nachteile hat, ist eine elektronische, „digitale“ Steuerung besser. Es genügt hierfür eine Halbbrücke mit zwei schnellen Halbleiterschaltern, wie sie in Bild 7 als typische N-Kanal-MOSFETs eingezeichnet sind. Die Schalter werden von gegenphasigen PWM-Signalen angesteuert, sodass niemals gleichzeitig beide Schalter leiten. Die mittlere Spannung ergibt sich direkt durch Versorgungsspannung x Puls/Pausen-Verhältnis. Würde der Gleichstrommotor von Bild 7 zum Beispiel mit 12 V versorgt, dann ergibt sich mit dem symbolisierten PWM-Signal und einem Duty-Cycle von 33 % (Signal „p“) demnach eine Versorgung des Motors mit effektiven 4 V. Die Induktivität des Motors und seine mechanische Trägheit mitteln bei ausreichend hoher Steuerfrequenz die reale Rechteckspannung zuverlässig aus.

Wer sich fragt, warum dieses Vorgehen nicht einfach nur eine Leistungssteuerung, sondern tatsächlich eine Drehzahlsteuerung ist, der überlege sich, wie ein (asynchroner) Elektromotor funktioniert. Nicht einmal die Leerlaufdrehzahl ergibt sich einfach als Kombination von zugeführter Leistung und den sich ergebenden (mechanischen) Verlusten. Die Gegen-EMK bzw. die durch die Drehung induzierte Gegenspannung ist nämlich der Drehzahl proportional. Sie steigt also auch im Leerlauf nicht beliebig hoch, sondern wird exakt so hoch, dass sie gerade unter der angelegten Spannung bleibt. Der Quotient aus der sich ergebenden kleinen Differenz und dem effektiven Widerstand der Wicklung(en) lässt genau so viel Strom fließen, dass sich ein Drehmoment ergibt, das die Reibung und sonstige Verluste kompensiert. Bei Belastung des Motors sinkt die Drehzahl entsprechend ab, die Differenz zwischen angelegter Spannung und Gegen-EMK und somit der Strom wird dann größer. Der Strom ist proportional dem verlangten Drehmoment und die abgegebene Leistung ist das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment.

Aus diesen Zusammenhängen ergibt sich auch, dass man einen laufenden Motor nicht plötzlich kurzschließen sollte: Sein ohmscher Widerstand ist sehr klein, die Gegen-EMK noch groß und der resultierende Strom sowie das daraus folgende Drehmoment sind unter Umständen ziemlich zerstörerisch. Dies gilt auch dann, wenn man mit einem Drehzahlsteller wie in Bild 7 plötzlich und abrupt die eingestellte Drehzahl reduziert: Die vorhandene überschüssige kinetische Energie muss weg und strapaziert dann die Transistoren und kann Defekte bewirken. Andersherum: Ein schnelles Anfahren sorgt für hohe Anlaufströme, die man im Auge behalten muss.

Vollbrücke

Drehzahl plus Drehrichtung lassen sich mit einer Voll- oder H-Brücke wie in Bild 8 steuern. Im Prinzip ist es eine Verdoppelung der Halbbrücke von Bild 7. Auch die zweite Halbbrücke rechts wird üblicherweise mit gegenphasigen PWM-Signalen angesteuert. Allerdings gibt es hier einen kleinen aber feinen Unterschied: Das positive PWM-Signal „p“ wird an den unteren Schalter T4 gelegt und das N-Signal kommt an T3. Der Motor liegt im H-Balken der Brücke. Still steht der Motor dann, wenn alle PWM-Signale ein Puls/Pausen-Verhältnis von genau 50 % haben, denn dann ist die Differenz der mittleren Spannungen beider Halbbrücken null. Liegt der Duty-Cycle der P-Signale bei über 50 %, dreht der Motor vorwärts; liegt er unter 50 %, dreht der Motor rückwärts.

Im Prinzip ist eine volle Doppelung mit 2 x 2 PWM-Signalen zur Ansteuerung der vier Transistoren Luxus. Es ginge auch eine einfachere Kombination, in der die linke Halbbrücke wie in Bild 7 mit PWM-Signalen versorgt wird, die rechte Halbbrücke von Bild 8 dann aber statt mit PWM-Signalen statisch angesteuert wird. Mit anderen Worten: Links wird die Drehzahl zwischen 0 und 100 % und rechts die Drehrichtung gesteuert. Bei der Steuerlogik gilt es dann etwas aufzupassen: Wenn man von 100 % vorwärts auf 100 % rückwärts fahren will, sollte man zunächst den Duty-Cycle für das P-Signal (langsam) von 100 % auf 0 % reduzieren, während T4 dauernd durchgeschaltet und T3 dauernd geöffnet ist. Ab da muss T4 öffnen und T3 schließen sowie der Duty-Cycle des P-Signals schlagartig auf 100 % springen, damit zunächst 0 V am Motor anliegen.

BLDC-Ansteuerung

Auch mehrphasige Motoren lassen sich per PWM in der Drehzahl einstellen sowie die Drehrichtung umkehren. Klassiker ist der bürstenlose Gleichstrommotor aka BLDC-Motor, wie er in zahlreichen moderneren Antrieben (vom E-Bike über den Segway bis hin zum Elektroauto und noch in vielen anderen Anwendungen mehr) eingesetzt wird. In der einfachen Version verfügt er über drei Phasen mit allerdings nur drei Anschlüssen. Im Gegensatz zu Industrie-Ausführungen, bei denen meistens alle Anschlüsse der drei Wicklungen herausgeführt sind, kann man hier nicht zwischen Stern- oder Dreieckschaltung wählen. Durch die übliche vollelektronische Steuerung ist das aber auch nicht nötig, da man hohe Anlaufströme ja durch die PWM abfangen kann.

Der schaltungstechnische Mehraufwand gegenüber einphasigen Motoren hält sich sehr in Grenzen: Im Vergleich zu Bild 8 hat Bild 9 nur eine weitere Halbbrücke mehr. Der Teufel steckt in der Steuerungslogik: Da für die Drehung hier ein Drehfeld per PWM generiert werden muss und ein BLDC-Motor vom Prinzip her eine Synchronmaschine ist, muss man die Spannungen an den drei Leitungen des Motors passend zur Position des Rotors kommutieren, und zwar so, dass die drei gegenphasigen PWM-Signale der drei Halbbrücken jeweils um 120° gegeneinander versetzt sind. Diese elektronische Kommutierung benötig aber Informationen darüber, welchen Positionswinkel der Rotor gerade aufweist. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder der Motor ist mit (mindestens drei) Hallsensoren bestückt oder aber es wird die Gegen-EMK in den Schaltpausen der Halbbrücken ausgewertet. Mit dieser Information kann die Steuerung den drei Halbbrücken die passenden PWM-Signale zur Verfügung stellen, so dass sich das Feld und damit der Motor korrekt dreht. Durch die Selbststeuerung per Sensor oder EMK des Motors zeigt er dann letztlich ein asynchrones Verhalten.

So ein BLDC-Motor kann durch per PWM simulierte dreiphasige Wechselspannungen angesteuert werden, die im einfachsten Fall Rechteckform aufweisen. Sinusförmige Spannungsverläufe per PWM sind auch kein Problem. Mit trapezförmiger Wechselspannung lassen sich hohe Wirkungsgrade bei gleichzeitig geringer Welligkeit des Drehmoments erreichen.

Stern/Dreieck-Umschaltung

Der Vollständigkeit halber: Gebräuchliche Drehstrommotoren mittlerer und hoher Leistung haben oft hohe Anlaufströme. Um diese Ströme zu reduzieren kann man z.B. die Motoren zunächst über Vorwiderstände anfahren und sie erst bei genügender Drehzahl voll ans Netz legen. Dies wird in der Industrie tatsächlich gemacht – hierzu gibt es sogar einstellbare Wasser-Vorwiderstände, deren Widerstandsmaterial im Namen steckt. Bei Leistungen bis etwa 10 kW reicht aber die Nutzung der Tatsache aus, dass ein Motor in Sternschaltung nur etwa 1/3 der Leistung in Dreieckschaltung aufnimmt. Man lässt ihn also in Sternschaltung anlaufen und schaltet seine drei Wicklungen nach Erreichen von mehr als 75 % der Nenndrehzahl als Dreieck.

Bild 10 zeigt dies in Schütz-Schaltungstechnik. Der Dreifach-Umschalter S2 darf dabei keinesfalls vom Typ „make before break“ sein, muss also erst unterbrechen, bevor er umschaltet, sonst knallt es. Ein zusätzlicher Schütz mit zwei Umschaltern könnte durch (korrektes) Vertauschen zweier Anschlüsse (zum Beispiel U1 und U2) die Drehrichtung ändern.

Im Prinzip sind solche Stern/Dreieck-Umschalter heute aber gerade in der Industrie weitgehend obsolet, da man die Motoren durch geeignete Frequenzumrichter sanft anlaufen lassen kann.

Elektronik

Dass außer bei großen Leistungen in großtechnischen Anlagen moderne Motorsteuerungen hauptsächlich MOSFETs als Leistungshalbleiter verwenden, das wurde schon erwähnt. Interessant ist aber die konkrete Ansteuerung einer Halbbrücke mit den gegenphasigen PWM-Signalen. Grundsätzlich ist es empfehlenswert, die Grundfrequenz der PWM hoch genug zu wählen, damit sie von Mensch und Tier akustisch nicht mehr wahrgenommen werden kann, sonst fungiert der Motor teilweise als Lautsprecher. Auf der anderen Seite steigen die Schaltverluste mit steigender PWM-Frequenz. In der Regel liegen daher die PWM-Frequenzen bei einem Kompromiss von 30 bis 60 kHz.

Da außerdem niemals beide Transistoren einer Halbbrücke gleichzeitig leiten dürfen, sollte zwischen dem Abschalten eines Transistors und dem Einschalten des anderen Transistors eine sogenannte Totzeit eingefügt werden. Die genaue Zeit hängt von den Eigenschaften der Leistungshalbleiter und natürlich der PWM-Frequenz ab. Üblich sind Werte zwischen 0,1 bis 2 µs. Bei einer PWM-Frequenz von z.B. 50 kHz würde eine Totzeit von 0,5 µs bedeuten, dass die oberen 2,5% der maximalen Leistung nicht erreicht werden, was in der Regel verkraftbar ist.

Die passenden gegenphasigen PWM-Signale samt passenden Totzeiten kann man quasi „von Hand“ mit einem geeigneten Mikrocontroller generieren, wenn man mag. Bei genügend vielen Pins kann man sogar alle sechs PWM-Signale für drei Halbbrücken per Software generieren und hat dann alles unter Kontrolle. Diese Flexibilität hat aber auch Nachteile. Hängt sich der Mikrocontroller durch einen Bug einmal zufällig auf, dann ist nicht nur die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich die Elektronik mit Getöse verabschiedet, sondern dass es zu gefährlichen mechanischen Schäden samt Körperverletzungen kommt. Von daher empfiehlt sich zumindest die Verwendung von speziellen Halbbrücken-Treibern für MOSFETs. Sie enthalten alles zur Ansteuerung eines typischen N-Kanal-MOSFET-Paars inklusive der Generierung gegenphasiger Steuersignale samt (einstellbarer) Totzeit und Feinheiten wie Bootstrapping zur Ansteuerung der Gates von High-Side-FETs (oben in den Schaltungen – bei Bild 9 sind das T1, T3 und T5). Eingangsseitig brauchen sie nur ein ganz normales einphasiges PWM-Signal. Manche Treiber-Chips enthalten sogar die Elektronik für gleich drei Halbbrücken.

Die PWM-Signale zur Ansteuerung solcher Treiber-ICs können dann von einem kleinen Mikrocontroller übernommen werden, der so weniger zu tun hat. Im Sinne der Sicherheit ist es, solche Mikrocontroller auch bei genügend Rechenleistung keine zusätzlichen Aufgaben erledigen zulassen, die über die reine Motoransteuerung samt Sicherheitsabschaltungen, Sanftanlauf etc. hinausgehen. Oder aber man verwendet spezialisierte Motor-Controller-ICs und ist dann auf Kosten der Flexibilität auf der sichereren Seite. Für kleine Motoren im Bereich bis einzige zig Watt gibt es sogar integrierte Komplettlösungen aus Steuerung, Treibern und Leistungshalbleitern. Man muss sich dann nur noch ans Datenblatt halten ;-)

Wer mit Fertiglösungen experimentieren möchte, der sollte in das Suchfeld von eBay einmal die Begriffe „motor controller“ eingeben. Hier gibt es tausende Platinen und Baugruppen unterschiedlichster Art zu Preisen zwischen 1 und mehreren tausend Euro – für Anwendungen vom einphasigen Kleinleistungsmotor (Bild 11) bis zur industriellen Steuerung (und alles fast durchweg aus China).

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel (180558-01) ist in der Ausgabe Januar/Februar 2019 des Elektor-Magazins erschienen.