Der Einsatz von OPs bietet sich für unser Projekt geradezu an. Der Barnzih V1 ist ja bereits mit dieser Technik aufgebaut, nun soll er schaltungstechnisch etwas "schlanker" gestaltet werden. Unser Augenmerk soll dabei auf das Kombinieren der OP-Grundschaltungen gerichtet sein. Zum Verständnis ist es natürlich einfacher, jede Anwendung (Funktion) separat zu betrachten. Es ist aber durchaus üblich, verschiedene Funktionen mit einem einzigen OP zu verwirklichen. Der Nachteil dabei ist natürlich, dass die eigentliche Funktion der Schaltung nicht mehr sofort ersichtlich ist.
Oft liegt es nur an der Abstimmung der Bauteile, ob eine Schaltung z.B. als Oszillator oder als mitgekoppelter Verstärker wirkt. Wenn man keine Beschreibung des Entwicklers hat, ist es mühsam bereits auf die einfachsten Dinge zu schließen.
Ich habe mir viele Grundschaltungen und deren Anwendungen in fertigen Schaltungen angesehen, es gibt wirklich unheimlich viele Schaltungen im Netz. Bereits die Wikipedia hat dazu einiges zu sagen.
Tolle Handbücher findet man bei Texas Instruments und viele Vorlesungsunterlagen an den technischen Unis, z.B. hier.

Eine wichtige Sache: Eigentlich arbeiten OPs mit zwei Spannungen gegen Masse, die Versorgung der OPs liegt z.B. an +10V und -10V. Inzwischen können OPs aber so genau gefertigt werden, daß sie sehr dicht an die Versorgungsspannung hin ausregeln können, daher verzichtet man auf einen Zweig zugunsten der Einfachheit. Das wird als asymmetrische Versorgung bezeichnet, da die negative Versorgungsspannung gleichzeitig das Bezugspotential bildet. Der OP kann jetzt zwar nur noch in die positive Richtung ausregeln, das reicht aber für die meisten Anwendungen. Wir verwenden ICs, die auch noch günstig sind. LM224, LM324, LM258, TLC247X, TLC07X, TLC08X, TL082, je nach Schaltungsumfang mit 2 oder 4 OPs in einem Gehäuse.
Diese ICs sind nicht so hochwertig wie spezielle Regelungs-ICs, die noch genauer und linearer aussteuerbar sind ("Rail to Rail" OPs) für unsere Anwendungen natürlich ausreichend, man muss aber die Fehler kennen (Offsetspannung, max. Aussteuerbereich) um dem schaltungtechnisch zu begegnen. Also nicht wundern, wenn sich am Ausgang der Schaltung ein anderes Ergebnis einstellt als erwartet, immer erst überlegen, ob der OP das überhaupt erreichen kann.

Unsere OP-Schaltungen im Detail:

Triggersignal abnehmen und verstärken

Ganz nach Belieben dient unserem Finger am Abgriff vermutlich ein Wischer auf einem Scheifwiderstand (Parma-Resistor). Das stellt das einfachste und bekannteste Regler-Prinzip dar und gleichzeitig für uns die schwierigste Aufgabe.
Der Widerstand ist grob gefertigt, er soll eigentlich mehreren Ampere Stromfluß gewachsen sein. Sein Widerstandswert ist direkt dem Innenwiderstand der Motoren angepasst und beträgt daher zwischen 1Ω und 60Ω. Für den H0-Bereich gab es auch einen 90Ω Parma-Widerstand, der scheint aber nicht mehr überall erhältlich zu sein. Für uns wäre ein grosser Widerstand  viel besser geeignet, wir wollen dem Widerstand nur die Dynamik des Fingers entlocken, keine Leistung damit regeln.
Wir nehmen mal beispielhaft einen 35Ω-Resistor, der bei Carrera-Autos recht beliebt ist. Bitte beachtet, dass der Widerstand noch nachgearbeitet werden muss, bevor er in den Regler gesetzt wird, schaut mal nach beim Parma Feintuning.

Umpfi´s Parma

Um aus den 35Ω eine proportionale Spannung zu gewinnen, benutzen wir den OP als nichtinvertierenden Differenzverstärker mit entsprechender Verstärkung und am Eingang eine Art Messbrückenschaltung (Viertelbrücke). Am Ende erhalten wir eine vom Eingang entkoppelte Spannung in etwa der Höhe der halben Versorgungsspannung, bei Vollgas (Parma-Widerstand bei 0Ω). Geht der Schleifer auf Ruheposition zurück, so "verstimmt" sich die Brücke und das Potential gegen Masse am Plus-Eingang des OPs wird kleiner. Der Ausgang regelt sich nun entsprechend der Gegenkopplung in Richtung Masse aus, da der OP über die Rückkopllung versucht die Spannungsdifferenz am Eingang auszugleichen.

Messbrückenschaltung

Bestimmt habt ihr bemerkt, dass das eine ganz schön haarige Sache ist, mit dem kleinen Parma-Widerstand. Durch die beiden Widerstände (470Ω+470Ω) wird der Strom (Leckstrom) auf ca. 10mA begrenzt. Eine Änderung von 35Ω verursacht eine Spannungsänderung der Widerstansreihenschaltung um ca. 2%. Die Spannung ergibt sich über die Rechnung: UBrücke=UVersorgung*(R1/R2+R1), 10V*(470Ω/(470Ω+470Ω+35Ω)=4.82V.
Die Brücke verstimmt sich also um 0.180V, wenn wir eine Eingangsspannung von 10V annehmen. Durch den Verstärkungsfaktor, der über die Widerstände 1MΩ+100kΩ vorgegeben ist, erhalten wir am Ausgang einen entsprechenden Spannungsunterschied.
Da die Widerstände jeder Brückenhälfte gleich sein müssen und wir eine Einkopplung über die Versorgungsspannung in die Feedbackschaltung haben, ist eine Berechnung des Verstärkungswiderstandes nicht mehr trivial.  
Eine tolle Seite hierzu bei Berufsschullehrer Stefan Gemmel. Man nimmt hier die Formel für R1 und als Verstärkungsfaktor V=27 (ergibt sich aus den zu erzielenden Spannungswerten und der Brückenverstimmung). Für unseren 35Ω-Fall erhalten wir RRückkopplung= 1.3MΩ.
also 1MΩ und 300kΩ in Reihe im Rückkopplungszweig bei 35Ω.
Mit diesen Werten erreichen wir mit unserem Trigger 5V...0,2V. Genau passend.
Bitte denkt daran, dass unser OP keine 0V erreichen wird, auch nach oben hin ist bei ca.86% der Versorgungsspannung Schluß! Daher beschränken wir uns komplett auf +Vcc½

Nun ist es auch einfach, die Schaltung für andere Widerstandswerte des Parma-Resistors auszulegen, benutzt diese Formeln
Beispielhaft für 90Ω:
UBrücke= 10V * (470Ω / (470Ω+470Ω+90Ω))= 4.563V
V= (5V-0.2V) / (5V - 4.536V) = 10.986
RRückkopplung= ((10.986-1) * 100kΩ *100kΩ) / 200kΩ) =  499,33kΩ
also 500kΩ im Rückkopplungszweig bei 90Ω

  Messbrücke für 90Ω Abgriff
Hier ist die Schaltung mal etwas anders gezeichnet. Den Kondensator am Abgriff solltet ihr verwenden, falls euer Widerstand etwas "hakelt" oder nicht mehr 100%ig i.O. ist. Dadurch werden kleine Störspitzen entschärft.
Übrigens funktioniert diese kleine Schaltung bei allen angelegten Versorgungspannungen zwischen 3V...30V, ganz einfach so! :-)

Wir haben nun also eine Spannung zwischen 0.2V und der halben Versorgungsspannung, genau proportional unseres Fingerdrucks, das ist doch schonmal was, oder?

Triggersignal an Endstufe

Erster Mosfet-Treiber

Hier die erste Schaltung mit "Endstufe". Der zweite OP dient als "Mischer". Er wird über Z-Diode und "Offset"-Potentiometer mit einer einstellbaren Spannung am Plus-Eingang beschaltet. Unsere "Abgriff"-Spannung vom Finger wird an den Minus-Eingang gelegt.

Der Offset legt im Prinzip den Arbeitspunkt unseres MOSFET-Transistors fest, er hebt die Spannung bis an VGS(TH) (Treshhold- oder Schwellenspannung) am Gate an, das soll verhindern, daß ein Leerlauf am Abgriff entsteht.
Nun bildet der OP am Ausgang die Differenz aus Offset und Triggersignal.
Der zusätzliche Widerstand vom Ausgang zum Plus-Eingang (als Mitkopplung) dient dazu, die Verstärkung unseres Abgriffs etwas zu schwächen. Sonst wäre es nicht möglich, den ganzen Bereich des Parma-Potis einigermaßen proportinal als Ausgangsspannung unseres Transistors zu übertragen.

Verwirrt? Schaut euch die Schaltung des 2.OPVs bei Wikipediaan. Um zu erreichen, daß sie so arbeitet wie wir das wollen, müssen die Widerstandsverhältnisse in einem gewissen Verhältnis stehen. Wenn wir unsere Triggerspannung zu sehr spreizen, dann geht die Funktionalität der eigentlich Offset-Funktion verloren. Daher der zusätzliche Rückkopplungswiderstand gegen den Plus-Eingang, das ist ein kleiner Trick.

Nochmal zum Verständnis: Ihr müsst die Schaltung aus Sicht des P-MOSFETs  betrachten. Er liegt mit Source-Anschluß am Plus unserer Versorgungsspannung. Wenn wir ihn zum Durchsteuern bewegen wollen, so müssen wir eine positive Spannung zwischen Gate und Source anlegen, die mindestens VGS(TH) entsprechen muss. Also: positive Spannung von Gate gegen Plus der Versorgungsspannung? Genau, das Potential an Gate muss sinken, nämlich um den Betrag VGS(TH).
Als Beispiel mit 10V-Versorgung in unserer Schaltung: Wir setzten den Ausgang am Subtrahierer auf 10V - 3V (Z-Diode) - Offsetwert (eingestellt am 250Ω Poti) z.B. 0.5V auf +6.5V über den Zweig am Plus-Eingang. Dann lassen wir unsere Spannung vom Abgriff (von OPV1) vom Offset subtrahieren.
Als Beispiel; 50% Fingerstellung (ca. 2.5V): 6.5V - 2.5V ergibt ein Potential von 3V an Gate des P-MOSFET, das wiederum bedeutet eine Spannung von 10V - 3V= 7V zwischen Gate und Source. Das reicht natürlich allemal, um ihn komplett in die totale Aussteuerung zu treiben, ein bisschen übertrieben mit 50%, oder?
Nun könnten wir natürlich die Spanne unserer Fingerabgriffspannung reduzieren, vielleicht von 0.2V auf 2,5V bei 100% Fingerdruck? (Erinnert euch: Bremse = 5V, Vollgas = 0.2V). Das hätte aber für unsere nachfolgenden Ideen Auswirkungen, außerdem ist eine größere Spanne am Abgriff auch gleichbedeutend mit "besserer Auflösung", denn unsere Betrachtungen vernachlässigen noch jegliche Störeinflüsse. Im Vergleich zum Störsignal soll unsere Abgriff möglichst groß sein!
Also besser mit dem Trick über die Mitkopplung des Ausgangs auf den Plus-Eingang erstmal.
Das ist natürlich nur ein kleiner Eingriff in die Schaltung. Rechnerisch aber bereits eine größere Katastrophe. Wir wollen diese Schaltung jetzt auch nicht überstrapazieren, sie funktioniert und wir betrachten uns einfach mal Eingang (Fingerstellung) und Ausgang (Motorspannung) und zeichnen unsere Kennlinie.
Motorspannung ist ja einfacher zu Messen als Motorstrom, aber direkt proportional, wenn wir nur den ohmschen Teil betrachten.
Später wäre ein Motor als Belastung natürlich interessanter, als Vergleich der verschiedenen Schaltungen soll jetzt aber erstmal ein Heizwiderstand genügen.
Eigentlich wäre nämlich die Kennlinie: Fingerstellung zu Drehzahl die richtige, leider ist aber die Drehzahl des Motors nicht nur von der angelegten Spannung (unser Einfluß) abhängig sondern auch von Motortemperatur, Wicklungsaufbau, blabla...

Ausgangskennlinie des Reglers

Wie ihr erkennen könnt, ist das Ergebnis schon ganz okay. Bereits mit dem ersten Fingerzucken ist am Ausgang eine Reaktion festzustellen. Bis ca, 80% Triggerstellung verläuft die Kennlinie einigermaßen linear, flacht zum Ende hin jedoch ab.
Bei maximalem Fingerdruck erreicht unser MOSFET auch die maximale Aussteuerung UDS(ON). Bei dieser Schaltung ist nur ein MOSFET eingesetzt, daher der etwas höhere Voltage-Drop.

Die Linearität ist noch verbesserungswürdig, allerdings hat unsere Schaltung bereits große Vorteile gegenüber der Standardschaltung:

  • Der Regler funktioniert mit allen Versorgungsspannungen und allen Motorleistungen.
  • Der Offset ist unabhängig einstellbar.
  • Der Regler schafft locker bis 20A und mehr am Ausgang, das wollen wir aber jetzt mal nicht übertreiben...

Einen Nachteil müsste man allerdings noch nennen: Mit diesem Design, das mit drei Anschlussleitungen am Parmadrücker auskommt, sitzen die Potis im Gehäuse der Endstufe. Wer die Einsteller lieber griffbereit am Drücker braucht, für den gibt es später auch noch eine Lösung, die erfordert aber einen anderen Abgriff, soll später nochmal separat aufgegriffen werden.

Wir wollen nun als nächstes die Linearisierung unserer Endstufe ins Auge fassen.

Linearisierung des Reglers

Was bedeutet: "Lineare Ausgangskennlinie" für unseren Regler? Am Beispiel unserer Schaltung mit gewählter 10V-Versorgungsspannung wäre das doch:
Fingerstellung: 0% > Ausgang OPV1: 5V > Motorspannung: 0V.
Fingerstellung: 50% > Ausgang OPV1: 2.5V > Motorspannung: 5V.
Fingerstellung: 100% > Ausgang OPV1: 0.2V > Motorspannung: 10V.
Was wäre somit einfacher, den Ausgang des Transistors einfach an unseren OPV zurückzuführen und mit unserer Abgriffspannung zu vergleichen? Also einen Vergleich zwischen Soll- und Istwert zu bilden und auszuregeln? Der Operationsverstärker ist doch das klassische Reglerbauteil in der Regelungstechnik?
Man findet daher die besten Schaltungsbeispiele nicht unter der Rubrik: "Linearregler" oder "Linearisierer" sondern mit den Begriffen: "Sollwertvergleicher", "Istwertrückführung".
Ich bin gleich mal an den Schlagworten: "Integrierschaltung" hängen geblieben. Tolle Unterlagen dazu gibt es hier und hier.

Wird eine konstante Spannung an den Integratoreingang gelegt, fließt ein konstanter Eingangsstrom. Dieser Strom fließt als eingeprägter Konstantstrom in die Rückführung und lädt den Kondensator zeitlinear auf.
Wenn die Eingangsspannung zu Null wird, wird auch der Stromfluß zu Null. Es findet dann keine Umladung mehr statt.
Die Kondensatorspannung, die mit der Ausgangsspannung betragsgleich ist, bleibt dann unverändert.
Das bedeutet also: wenn der Vergleich: Triggersignal zu Ausgang keine Differenzspannung zwischen den OP-Eingängen ergibt, bleibt der Integratorausgang auf dem aktuellen Wert stehen, also genau auf unserer Sollspannung vom Trigger!

Barnzih_Mosfet_2 Lineare Endstufe

Hier also nun die einfachste Möglichkeit, die Fingerstellung 1:1 auf die Motorspannung zu übertragen. Bei allen Versorgungsspannungen, Motoren und unabhängig jeglicher Unlinearitäten der Endstufentransistoren versteht sich!
Das ist also mal eine wirklich feine Sache. Dass es tatsächlich funktioniert, soll unsere Kennlinie beweisen:

Kennlinie_Mosfet_LINEAR Ausgangskennlinie des linearen Reglers

Wie ihr erkennen könnt, ist das jetzt eine wirklich astreine, schnurgerade Spannungskennlinie. Wir haben aus unserem MOSFET jetzt einen Spannungsregler gemacht!
Übrigens haben wir nun mit dem OPV2 als Integrator die Möglichkeit, die Responce-Time unseres Reglers zu verstellen. Wie ihr ja bereits gelesen habt, hat John für seinen Regler eine Kombination aus RC: 250Ω - 330μF = 83ms gewählt. Aktuell haben wir ein RC-Glied von 10kΩ - 100nF = 1s in unserer Schaltung, das ist natürlich noch etwas zu viel! eher praktikabel wäre 10kΩ - 10nF = 100ms, das müssen wir mal austesten! Man könnte über einen Poti 10kΩ (statt Festwiderstand) das Ganze natürlich noch einstellbar gestalten.
Reponce-Time? ...die soll dafür Sorge tragen, dass unser Auto beim Beschleunigen aus der Kurve heraus nicht spontan losdriftet wenn wir den Gashahn voll runterdrücken. Es ist im Zusammenhang mit den Begriffen: "Tracking-Control" oder "Anti-Spin" etwas ironisch genannt worden :-)
...natürlich ist das Quatsch, wir können wohl kaum verhinder, dass mal eine Achse durchdreht. Die kleine Verzögerung hat aber wohl wirklich einen brauchbaren, praktischen Nutzen, testet am besten selbst.

Nun, als nächstes wäre es wohl sinnvoll, einen einstellbaren Offsetpoti zu haben, mit dem man den Startwert der Ausgangsspannung festlegt, mit dem die Regelung beginnt.
Bei kleinen Motoren ist das eher vernachlässigbar. Bei starken Motoren ist das Losbrechmoment allerdings so hoch, das man schonmal bei mehr als der halben Versorgungsspannung landen wird.

Offset bilden

Nun, es klingt ja recht einfach. Unser Offset stellt die Startspannung am Ausgang dar, mit der unser Regler zu arbeiten beginnt. Wir stellen den Offset anhand unseres Motors ein. Ohne Gas so weit am Offset drehen, bis unser Auto los läuft. Auch "Standgas"-Einstellung oder Choke genannt. Ab dieser Losbrechspannung übernimmt dann unser Finger.
Beim BARNZIH V1 tat ich mich damit etwas schwer. Mass aller Dinge beim Regler sind immer:

  • Jede Bewegung oder Justage muss eine eindeutige, am Ausgang sofort merkliche Änderung bringen.
  • Es darf keine Totpunkte bei den Einstellungen geben, vor allem nicht am Fingerabgriff.
  • Vollgas muss immer die maximal mögliche Aussteuerung am Ausgang bringen.
  • ...

Bei BARNZIH V1 konsequent umgesetzt bedeutet das im Detail:
Die Offsetspannung wird von der Versorgungsspannung subtrahiert und ergibt die Triggerspannung, die für den Abgriff zur Vefügung steht. Anschließend werden Offsetspannung und die vom Finger abgegriffene Triggerspannung am Ausgang wieder addiert.
In Summe haben wir somit wieder die komplette Versorgungsspannung am Motor (bei Vollgas).
Das klingt wirklich umständlich, funktioniert aber perfekt.
Leider waren mit der Offsetbildung zwei OPVs beschäftigt, die Funktion wollen wir in unsere bereits verwendeten, beiden OPVs integrieren!

Okay, ich lass die Katze gleich aus dem Sack. Warum komplziert, wenn es auch einfach geht? Manchmal macht man sich einfach zu viele Gedanken...
Beim BARNZIH V2 ist es lediglich nötig, die Spannungsverstärkung des Triggersignals abzuschwächen.
Man kann das ganz prima mit Stefan Gemmels Spannungsteilerrechner rausbekommen.
Wir setzten unsere bekannten Werte für 10V Versorgungsspannung ein (die gelten dann auch automatisch für alle anderen Spannungen):

VCC: 10V, Uemin: 4.82V, Uemax: 5V, Uamin: 0.2V, Uamax: 5V, R3: 100kΩ, Ergebnis wie bekannt: 1283kΩ für den Rückkopplungswiderstand, R2:100kΩ.
Jetzt lässt sich das beispielhaft für verschiedene Offsetspannungen wiederholen, denkt daran: 0.2V=Bremse, 5V=Vollgas!
VCC: 10V, Uemin: 4.82V, Uemax: 5V, Uamin: 1V, Uamax: 5V, R3: 100kΩ, Ergebnis: 1061kΩ für den Rückkopplungswiderstand, R2:100kΩ.
VCC: 10V, Uemin: 4.82V, Uemax: 5V, Uamin: 2V, Uamax: 5V, R3: 100kΩ, Ergebnis: 783kΩ für den Rückkopplungswiderstand, R2:100kΩ.
VCC: 10V, Uemin: 4.82V, Uemax: 5V, Uamin: 3V, Uamax: 5V, R3: 100kΩ, Ergebnis: 505kΩ für den Rückkopplungswiderstand, R2:100kΩ.
VCC: 10V, Uemin: 4.82V, Uemax: 5V, Uamin: 4V, Uamax: 5V, R3: 100kΩ, Ergebnis: 238kΩ für den Rückkopplungswiderstand, R2:100kΩ.

Okay, ihr seht: Wir benötigen also lediglich ein Poti: 1MΩ mit Offset: 283kΩ und könnten damit einen Offset von 80% vorgeben (vielleicht ein bisschen viel des Guten?)

MOSFET_Offset MOSFET mit Offset oder "Choke"
Kennlinie_Mosfet_Offset Anhand der Kennlinien sieht man das Reglerverhalten am besten.
Wie man erkennen kann, ändert sich die Linearität durch die Offsetverstellung nicht und der Triggerbereich liegt nach wie vor bei 0-100%.

Als nächstes wird uns die Bremse beschäftigen. Diese soll natürlich auch per MOSFET-Transistor funktionieren und Stufenlos einstellbar sein (wie ein Bremspoti)

Bremsfunktion

Der Bremsfunktion möchte ich etwas mehr Aufmerksamkeit widmen, sie wurde von mir bisher etwas stiefmütterlich behandelt (ganz nach dem Motto: "Wer bremst, verliert").
Beim BARNZIH V1 war die Bremsfunktion noch realisiert über den Kontakt des Bremsrelais, der die Schaltung (sicher) überbrückte und einen einstellbaren Bremswiderstand (oder eine Diodenkaskade) mit dem Motor kurzschloss.
Der Bremsvorgang an sich verläuft ja so, dass die Energie, die dem drehenden Motor inne wohnt, irgendwie mehr oder weniger geregelt abgebaut (vernichtet :-) werden muss.
Wir wollen uns mit dem geregelten Vorgang befassen.
Grundsätzlich ist es ja so, daß man mit dem Finger den Trigger "loslässt" und das Auto prinzipiell versuchen wird, zum Stillstand zu kommen. Etwa so, als ob man im PKW die Handbremse einhakt, nachdem man den Fuß vom Gas nimmt.
Das funktioniert ja auch recht gut; wenn die Bremsbacken schon etwas verglast sind und der Seilzug nicht mehr ganz so stramm sitzt, sogar durchaus sanft.

Mit der neuen Bremsfunktion soll die Energie über einen MOSFET-Transistor abgebaut werden, dessen "Zugkraft" man nach belieben einstellen können sollte. Außerdem soll es so sein, dass man eine Spannung (oder Geschwindigkeit aus Sicht des Autos) einstellen kann, auf die die Bremse abbremst und danach das Auto weiterlaufen lässt ohne Bremskraft, also ausrollen lässt.
Davon verspreche ich mir eine feinfühligere Fahrweise, mal sehen, ob das tatsächlich so funktioniert...

Die Fragen, die sich nun stellen, wären:

  1. Woher weiss der Regler, ob ich Bremsen möchte? Klingt wirklich blöd. Aber wenn ich einen Offset von 4V einstelle, dann kann der Regler ja kaum erkennen, wann genau der Zeitpunkt für einen Bremsschub gekommen ist? ...oder?
    Am besten präzisieren wir das jetzt mal: Den Offset benutzen wir, um den Regler über das Lochbrechmoment zu "heben". Der liegt nun z.B. bei 4V. Diese Spannung würde auch ohne Finger am Abgriff am Motor liegen, das Auto würde bereits losstottern.
    Die Bremse passe ich der Bahn entsprechend an. Es könnte sich z.B. zeigen, dass der Kurs so schnell ist, dass ich mit einer Einstellung von 6V durchkomme. Der Kurs könnte sich aber auch als haarig erweisen (vermutlich zutreffender, falls nicht gerade ein Nascar-Oval das Ultimative darstellen soll) und ich würde auf 3V runtergehen müssen.
    Bremsspannung über Offset, Bremsspannung unter Offset? Schließt das eine das andere aus?
    Wir legen mal einfach fest: Offset (Choke) ist unabhängig von Bremsbereich zu sehen.
    Bremsbereich
    Bremsspannung liegt über Offsetspannung

    Bremsbereich
    Bremsspannung liegt unter Offsetspannung

    Vielleicht werden die Überlegungen anhand der Grafik deutlicher?

    Bremsbereich
    Hier jetzt mal statt der Triggerposition (die ja analog der Drehzahl zu sehen sein soll) den Drehzahlbereich angedeutet.

    Und siehe da: eine Bremsspannung unter der Offsetspannung ergibt eigentlich keinen Sinn (auf den ersten Blick).
    In einem Fall aber vielleicht doch (und zwar in einem ganz engen Bereich), nämlich: Wenn das Rollmoment unter dem Losbrechmoment liegt (und das tut es) und ich möchte den Regler so fein auf mein Auto einstellen, daß es nach dem kurzen "Bremsstoss" leicht weiterläuft (wenn es erstmal zum Rollen gekommen ist) und nicht komplett zum Stillstand gebracht werden soll.
    Okay, ich gestehe: Keine Ahnung, wir müssen es einfach mal testen...
  2. Ein weiteres Problem: Unsere Bremse wird duch einen weitern MOSFET-Transistor angesteuert, einem N-MOSFET. Er wird wie ein Raubtier auf seinen Einsatz warten, um sich dann im richtigen Moment, mit voller Kraft auf unseren Motor zu stürzen
    So zumindest die Theorie. Wir sollten vorher allerdings tunlichst unser anderes Raubtier: den P-MOSFET hinter Gitter sperren.
    Denn sonst wird sich in unserem Reglergehäuse ein Kampf auf Leben und Tod abspielen.
    Also, wie im Zoo: Tiger und Löwe müssen voneinander getrennt werden. Das müssen wir irgendwie schaltungstechnisch hinkriegen: Der Brems-MOSFET muss den Gas-MOSFET sperren!

  3. Wir müssen den Bremsvorgang separat betrachten, also uns nochmal in Gedanken rufen, was da am Motor passiert.

Die Motorbremse

Motor wird vom Strom angetrieben:

Stromfluß verursacht durch Induktion in den Motorwicklungen des Läufers ein magnetisches Feld, das eine magnetische Kraft zur Folge hat. Unser "permanent erregter" Motor, mit seinen Magneten, erzeugt auch eine ständige Magnetkraft. Man muss sich diese Kräfte (Magnetische Felder) ähnlich der Spannung am Motor vorstellen, auch sie bewirken eine Art Stromfluss, es sind die magnetischen Feldlinien. Alle dies Größen haben Wirkrichtungen, die eindeutig sind.
Durchläuft unser drehender "Läufer" mit seinen erzeugten Feldlinien die vom Magneten, so erfährt er einerseits Abstoßung und andererseits Anziehung.
Logisch, wenn man links zieht und rechts drückt, bewegt sich irgendwann das ganze Gebilde, vor allem, wenn es in der Mitte gelagert ist: drehend.
Das Erzeugen der Feldlinien und das Entgegenwirken der Magnetkräfte macht unserem Läufer zu schaffen, es kommt eine weitere Kraft ins Spiel, die dem Vorgang Einhalt gebietet: Die Gegeninduktion, sie ist der induzierten Spannung entgegenwirkend.
Irgendwann ist die Gegeninduktion so gross, dass die Geschwindigkeit der Drehbewegung konstant bleibt, also eine Art Gleichgewicht der Kräfte eintritt.
Ich gehe da jetzt mal nicht weiter, ihr wisst das ja noch aus dem Physikunterricht: Man kann nun an allen Parametern rumschrauben um z.B. eine höhere Drehzahl zu erreichen oder ein größeres Moment oder eine stabilere Drehzahl...
Am einfachsten ist natürlich: Die Spannung erhöhen. Da muss man an dem Drehsystem nämlich nichts Mechanisches verändern (Windungszahl, Polpaarzahl, Wicklungsdurchmesser, wirksame Fläche im Magnetfeld...). Irgendwann endet das aberauch mal an den Parametern: Magnetische Sättigung, Wicklungstemperatur, Isolierungsproblem,...

Motor läuft aus:

Wenn der Stromfluss endet (weil wir die angelegte Spannung abschalten), so dreht unser Motor noch weiter. Wir können sogar noch eine Spannung am Motor messen, sie ist in ihrer Richtung der ehemals angelegten Spannung gleich, die Polung bleibt also erhalten.
Das ist jetzt wohl nicht sehr spektakulär, oder? Viel wichtiger für uns (nach der bahnbrechenden Erkenntnis, dass der Motor weiterdreht) ist die Tatsache, daß er also bestrebt ist, sein (Dreh-)Moment aufrecht zu erhalten.
Der Motor versucht also nun, sich selbst am Laufen zu halten, seine Mittel dazu sind: Energie der Masse, fehlende Gegeninduktion wegen fehlendem Stromfluss durch die Läuferwicklung, Restmagnetismus der Eisenanteile im Läufer,...
Also eine tiefgreifende, physikalische Erkenntnis: Auch die schönste Drehbewegung hat ein Ende, denn Erdanziehung, Lagerreibung und Trägheit der Masse setzen dem Spiel irgendwann ein Ende... Schade eigentlich. :-)

Motor wird gebremst:

Dieser Vorgang ist jetzt, der für uns eigentlich wichtige. Diese Drehbewegung unseres Motors, sei er nun angetrieben durch seine eigene, träge Drehmasse oder dadurch, dass ihn jemand anschiebt, kann auch wieder umgekehrt werden. Nämlich, um dadurch Strom zu erzeugen.
Strom kann natürlich nur in einem Stromkreis fliessen, daher muss man diese Spannung, die am drehenden Motor vorhanden ist irgendwie abgreifen, um dadurch die Möglichkeit zu haben, den erzeugten Strom "verbrauchen" zu können.
Logisch: unser Motor ist jetzt ein Generator geworden. Wenn wir den erzeugten Strom zum Bremsen nutzen, dann spricht man technisch von Nutzbremsung des Motors (hier ein toller Artikel).
Wir wollen ja unseren Motor nicht als Generator misbrauchen, dass er plötzlich Strom liefern kann, soll nur ein (manchmal durchaus sinnvoller) Nebeneffekt sein, den wir betrachten müssen.
Was passiert, wenn wir den erzeugten Strom unseres Motors fliessen lassen?
Es ist ja für euch nichts neues: wenn wir mit unserem Triggerschleifer den Bremskontakt des simplen Widerstandsreglers gegen Masse schliessen, dann schliessen wir unseren Motor kurz. Das kann über eine Diode oder einen einstellbaren Widerstand erfolgen, die Wirkung ist die gleiche: der Motor bleibt früher stehen, als wenn er von alleine ausläuft.
Das erklärt sich so: Die Richtung der Drehbewegung unseres Motors bleibt beim Kurzschliessen die gleiche, für die Bewegung ist jetzt aber nicht mehr das vom Läufer erzeugte Moment (Induktion durch Anlegen unserer Spannung) verantwortlich, sondern das dem drehenden Läufer innenwohnende Trägheitsmoment der rotierenden Masse.
Hier ist jetzt aber wichtig, dass dieses Moment umgekehrt zu unserem ehemals erzeugten Moment steht.
Also nochmal: Wenn das Drehmoment die gleiche Richtung wie die Drehzahl hat, arbeitet der Motor motorisch, d.h. er wandelt elektrische Energie in mechanische um.
Wird nicht mehr weiter eingespeist, sondern kurzgeschlossen, dann bekommt das Drehmoment die entgegengesetzte Richtung, jetzt arbeitet der Motor generatorisch, d.h.er wandelt mechanische Energie in elektrische um.
Das Drehmoment ist für den Stromfluss in den Windungen verantwortlich. Wenn das Magnetfeld von unseren Magneten und die Drehrichtung die gleiche bleiben (und das tuen sie), so ändert logischerweise der Strom seine Fliessrichtung.
Das ist die einzig wichtige Erkentnis für uns: Die Spannungsrichtung bleibt gleich, der Stromfluss ändert die Richtung.
Wir brauchen also zwei "Ersatzschaltbilder" für unseren Motor, je nach Betriebsart.

Ersatzschaltbilder des Motors

ErsatzschaltbildErsatzschaltbild

Prinzip der "linear geregelten Bremse"

Prinzip Bremse Wirkprinzip der Bremse

Schaut euch erstmal die Schaltung an. Ihr erkennt sofort unseren bewährten Linearregler? Genau! Damit habt ihr auch schon das ganze Prinzip verstanden, ich erzähle es euch aber gerne nochmal:
Am Integrator-Eingang des OPs legen wir unsere gewünschte Bremsspannung an, also die Spannung, auf die wir abbremsen möchten und ab deren Erreichen unser Auto ausrollen darf.
Betrachtet wird nur der untere Zweig am Motor, den P-MOSFET oben sehen wir als gesperrt oder nicht vorhanden an.
Sobald die Bremse freigegeben ist (in diesem Beispiel ist das der Fall), wird der Integrator den Ausgang so weit nachregeln, bis sich die gewünschte (am Integratoreingang vorgewählte) Spannung am Motor eingestellt hat.
Wir arbeiten allerdings wieder mit Vcc½ wegen des begrenzten Aussteuerbereichs unseres LM324 und setzen Spannungsteiler zur Anpassung ein.
Der Bremstransistor ist ein N-MOSFET, an ihn sind eigentlich keine grösseren Anforderungen gestellt, man kann z.B. den billigen FQP27N25 o.ä. verwenden, ein kleiner RDS(ON) spielt an dieser Stelle keine Rolle.
Angesteuert wird er mit einer positiven Spannung von Gate nach Source, also hier mit Plus gegen Masse.
Jetzt wäre vielleicht noch interessant, mit welcher "Kraft" der Bremsvorgang einsetzt.
Nun, die Bremskraft ist gleichbedeutend der Zeit in der dieser Vorgang abläuft, quasi die Steilheit der Spannungsänderung / Bremszeit. Und damit haben wir mit unserem Integrator wieder alle Möglichkeiten die uns die Regelungstechnik bietet.
Wir legen mit der Zeitkonstante über das RC-Glied einfach die Steilheit der Bremsspannung fest, in unserem Beispiel steht sie auf R=10kΩ * C=10nF = 100μs.
Wikipedia sagt uns: Die Zeitkonstante gibt allgemein den Zeitraum an, den ein exponentiell absinkender Prozessbraucht, um auf 1/e (etwa 36,8 %) seines Ausgangswertes abzusinken. Wir rechnen allerdings 100%-36,8%, da wir ja Laden.
Praktisch heisst das: Bei eingestellter Bremsspannung:5V und Versorgungsspannung:10V betrachtet beim Wechsel des Triggers von Vollgas nach Bremse, ist der Ausgang unseres Brems-MOSFETs nach 100μs von 10V auf (10V-5V=(5V*0,632)+5V=) 8,16V gesunken, nach 200μs auf (8,16V-5V*0,865+5V=) =7,73V usw...
Man kann sagen, dass der Ladevorgang nach 5 Zeitkonstanten beendet ist.
Ladekurve
Natürlich soll das nur eine theoretische Betrachtung sein, denn unser kleiner, auslaufender Motor erzeugt ja keine kontante Spannung. Vielmehr unterliegt seine Masse und Schwungenergie einer eigenen Energie-Entladefunktion, wir haben also für jedes unserer Autos eine ganz individuelle "Entladekurve" der Masse, daher machen wir das auch einstellbar. Aber wie bereits geschrieben: die Praxis muss uns da mehr darüber sagen...
Leider kann man die Kombination von R (als Poti mit Vorwiderstand) und C nur im Bereich bis 1s verändern, sonst gerät unsere Schaltung in Schwingung, das wollen wir ja nicht. Die Praxis wird das noch zeigen.
In der Bremsschaltung hatte ich einen Kondensator 1μF in Kombination mit einem Poti 10kΩ vorgesehen, das bedeutet für die Zeitkonstante: 0...10ms. Die Praxis zeigt allerdings, daß die Einstellung an dieser Stelle keinen Sinn macht. Vielleicht würde ein Kondensator mit 100μF (Zeitkonstante: 1s) mehr Effekt bringen, für die Fahrpraxis allerdings nicht. Daher habe ich die Kombi: C3: 1μF mit Festwiderstand R14: 1kΩ jetzt erstmal so festgelegt.

MOSFETs sperren

Als nächstes müssen wir uns mit der Sperrfunktion auseinandersetzen. Bei Gegentaktendstufen oder immer, wenn zwei gegensinnige Treiber zusammenarbeiten hat man in der Regel den Verbraucher, als Schutz der beiden dazwischen.
Das Schaltungsdesign lässt das natürlich nicht immer zu und so ist es leider auch bei unserem Regler. Wir können nun mal nicht ändern, dass unsere positiv gespeiste Slotbahnspur mit einer Litze direkt auf Masse liegt, also der Motor mit einem Anschluss dirket auf Ground.
Daher müssen wir andersweitig sicher stellen, dass die beiden Treiber nicht gleichzeitig in Betrieb sind.

Ja, und nun müssen wir auch endgültig mal festlegen, wann der Regler denn bremsen soll. Der Gedanke, dass der Regler womöglich selbst entscheidet, wann das der Fall ist, war dann doch zu schwierig.
Ideen gebe es da zur Genüge: z.B. Erkennt der Regler bereits an der "Sinkgeschwindigkeit" der Triggerspannung, daß zusätzlich zur reduzierten Spannung eine Bremsung nötig wäre? Oder der Regler bremst automatisch, sobald die Offsetspannung (Choke) erreicht ist? Oder noch besser: Sinkt die Spannung am Motor nicht schnell genug im Vergleich zur Triggerspannung, so wird automatisch per Bremsung nachgestellt. Das wäre gleichbedeutend mit: Je stärker sich der Finger am Drücker zurückbewegt, desto heftiger wird die Bremsung ausfallen.

Okay, vielleicht sollten wir das später nochmal aufgreifen? Erstmal soll es so sein, dass unser guter, alter Bremskontakt benutzt wird. Wie entscheiden manuell, ob wir reduzierte Spannung oder Bremsung haben wollen, eben indem wir den Trigger zurückfedern lassen.

Parma Anschluss Hier die gewohnte Verdrahtung.
Lediglich mit der Besonderheit, dass unser Bremskontakt nicht direkt mit Masse verbunden wird, sondern an den Eingang unseres Sperr-OPVs angeschlossen wird.

Für unsere Schaltung machen wir uns nochmal klar: Plus am Gate des P-MOSFETs sperrt diesen, Masse am Gate des N-MOSFET sperrt diesen!

Barnzih_V2
Hier seht ihr den Sperrteil (gelb markiert) in der bereits (vorerst) fertigen Schaltung (der Rest wird noch etwas abweichen).
Der OPV erkennt, wenn der Kontakt vom Trigger berührt wird, koppelt das Signal ohne Verluste aus und schaltet den Ausgang bei erkanntem Signal: "Bremse" auf High. Der Wechsel des Potentials am Ausgang wiederum bewirkt, dass je eine der beiden Dioden einen MOSFET sperrt, nämlich die, die in Durchlassrichtung zur Ausgangsspannung des OPVs liegt.

Barnzih_V2
Die komplette Schaltung nochmal in grosser Ansicht.
OPV1: Triggersignal verstärken, OPV2: Fahrregler, OPV3: Bremsdetektor und MOSFET-Sperre, OPV4: Bremsregler

Betrieb-LED

Wir spendieren unserem Barnzih V2 noch eine kleine Bereitschafts-Anzeige. Die einfachste Variante, unabhängig der angelegten Spannung (5...30V) ist die Konstantstromquelle mit Hilfe des N-FETs BF256B.

BF256B Die eingeprägte Kennlinie bedingt, daß Der N-FET 15mA "Ruhestrom" fliessen lässt, wenn UGS=0V ist, unabhängig der angelegten Spannung UDS.

BF256B Die LED leuchtet bei 15mA zwar nicht absolut hell, allerdings kaum schwächer als mit 20mA, für unsere Belange ausreichend.

Barnzih_V2 Mit Betriebs-LED

Es gibt als Alternative zum N-FET eine bessere Lösung mit einem kleinen LED-Driver NSI45015WT1G, zu bekommen bei R+S Elektronik. Leider in SMD-Bauweise sehr fummelig zu montieren...

Als nächstes steht der Aufbau der Schaltung und der Praxistest an.