Motortreiber und H-Brücke

Ein kleiner Roboter soll vorwärts und rückwärts fahren, ein Rollladen hoch und runter, eine Pumpe in der Drehzahl geregelt werden. Ein Pin des Mikrocontrollers liefert dafür viel zu wenig Strom, und mit einem einzelnen Transistor kann ein Motor nur in eine Richtung laufen. Für die Drehrichtung muss die Spannung am Motor umgepolt werden – und genau das macht eine H-Brücke. Als fertiges IC heißt sie Motortreiber: Vier Leistungsschalter, ihre Ansteuerung und Schutzschaltungen in einem Gehäuse, gesteuert über zwei Logikpins pro Motor.

Die H-Brücke

Vier Schalter bilden ein H: Zwei sitzen oben an der Versorgung (High-Side), zwei unten an Masse (Low-Side), der Motor liegt im Querbalken. Schließen S1 und S4 diagonal, fließt der Strom von links nach rechts durch den Motor. Schließen S2 und S3, fließt er von rechts nach links – der Motor dreht andersherum. In Motortreiber-ICs sind die Schalter MOSFETs, bei älteren Typen Bipolartransistoren.

Aus den vier Schaltern ergeben sich die Betriebsarten:

Der verbotene Zustand heißt Querstrom (Shoot-Through): Sind oben und unten auf derselben Seite gleichzeitig leitend, schließen sie die Versorgung kurz. Weil Transistoren nicht unendlich schnell sperren, fügt die Ansteuerung beim Umschalten eine kurze Totzeit ein, in der beide Schalter einer Seite aus sind. Ein Motortreiber-IC erledigt das selbst, bei einer H-Brücke aus Einzeltransistoren musst du dich darum kümmern.

Freilauf und Bremsenergie

Ein Motor ist eine große Spule. Wird der Strom unterbrochen, will sie ihn weitertreiben, und die Spannung springt hoch – das Prinzip kennst du von der Freilaufdiode und aus Induktion. In einer MOSFET-Brücke übernehmen die eingebauten Body-Dioden der Transistoren diese Aufgabe. Bei bipolaren Treibern wie dem L298 musst du vier externe schnelle Dioden, am besten Schottky-Dioden, selbst ergänzen.

Bremst der Motor oder wird er von außen gedreht, arbeitet er als Generator und schiebt Strom zurück in die Versorgung. Ein Elko direkt am Treiber nimmt diese Energie auf; fehlt er, kann die Versorgungsspannung über den erlaubten Wert steigen und den Treiber zerstören.

Drehzahl per PWM

Die Drehzahl stellst du mit PWM ein: Ein Eingang bleibt fest, der andere wird schnell ein- und ausgeschaltet. Die Induktivität der Wicklung glättet den Strom, der Motor sieht im Mittel die Spannung U_M = D · U_B, wobei D das Tastverhältnis ist. In den Pausen kann der Strom auf zwei Arten weiterfließen:

• Langsames Abklingen (Slow Decay): Der Strom kreist über die beiden unteren Schalter. Die Drehzahl folgt dem Tastverhältnis fast linear – meist die bessere Wahl.
• Schnelles Abklingen (Fast Decay): Alle Schalter öffnen, der Strom fließt über die Dioden zurück in die Versorgung und baut sich schnell ab.

Wähle die PWM-Frequenz über 20 kHz, dann pfeift der Motor nicht hörbar. Wie Spulenstrom an- und absteigt, erklärt Spule an Gleichspannung.

Kennwerte gängiger Typen

Der Unterschied zwischen bipolarer und MOSFET-Brücke ist riesig, wie die folgende Rechnung zeigt.

Wie sich Verluste eines MOSFETs aus Durchlass- und Schaltverlusten zusammensetzen, rechnet der Rechner aus:

Ob die Wärme ohne Kühlkörper abgeführt wird, steht unter Wärme und Kühlung.

Typische Schaltung

Ein Motortreiber wie der DRV8833 braucht wenig außen herum: zwei Logikeingänge pro Motor direkt vom Mikrocontroller, einen Elko und einen Keramikkondensator an der Motorversorgung, dazu den Sleep-Eingang auf High. Die Logikpegel passen zu 3,3-V- und 5-V-Controllern.

Für einen bipolaren Schrittmotor brauchst du zwei H-Brücken, eine pro Wicklung. Für den Gleichstrommotor reicht eine. Schrittmotoren treibt man heute meist mit eigenen Schrittmotortreibern, die den Wicklungsstrom regeln und Mikroschritte erzeugen.

Auswahl und Praxistipps

Zuerst bestimmst du Motorspannung, Dauerstrom und Anlaufstrom aus dem Datenblatt des Motors. Der Treiber muss die Spannung mit Reserve aushalten und den Anlaufstrom entweder vertragen oder begrenzen. Für Akkubetrieb und kleine Motoren bis etwa 10 V sind MOSFET-Treiber wie DRV8833 oder TB6612FNG ideal, für 12–24 V Typen wie der DRV8871. Den L298 findest du noch auf vielen Bastelmodulen; für neue Entwürfe lohnt er wegen seiner Verluste kaum.

Häufige Fehler:

• Kein Pufferkondensator an der Motorversorgung: Spannungsspitzen beim Bremsen und Einbrüche beim Anlaufen setzen Treiber und Controller zurück. Setze einen Elko von 10–100 µF und 100 nF direkt an den VM-Pin.
• Anlaufstrom vergessen: Der Stillstandsstrom eines Motors kann das Drei- bis Zehnfache des Betriebsstroms betragen.
• Dioden beim L298 weggelassen: Ohne externe Freilaufdioden zerstört die Induktionsspannung den Treiber.
• Wärme nicht abgeführt: MOSFET-Treiber in HTSSOP oder QFN brauchen ihre Kühlfläche auf eine große Kupferfläche mit Vias gelötet.
• Motor und Logik auf gemeinsamer dünner Masse: Der Motorstrom erzeugt auf der Masseleitung Spannungsabfälle, die den Controller stören. Führe die Motormasse sternförmig getrennt zurück.
• Bürstenfeuer: Bürstenmotoren erzeugen Störungen; ein Keramikkondensator von 10–100 nF direkt an den Motoranschlüssen dämpft sie, siehe EMV.

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