Gleichstrommotor

Der Fensterheber im Auto, die Zahnbürste, das Spielzeugauto, der Vibrationsalarm im Handy, die Pumpe im Aquarium, der Lüfter im alten Netzteil: Überall dreht ein kleiner Gleichstrommotor. Er ist billig, braucht nur zwei Drähte und läuft los, sobald Spannung anliegt. Für deine Schaltung ist er aber ein anspruchsvoller Verbraucher: Er zieht beim Anlaufen ein Vielfaches seines Betriebsstroms, erzeugt Spannungsspitzen und Störungen und ist eine induktive Last. Wer das weiß, steuert ihn mit wenigen Bauteilen sicher an.

Aufbau und Funktionsweise

Ein kleiner Gleichstrommotor besteht aus drei Teilen:

• Stator: das feststehende Gehäuse mit zwei gebogenen Dauermagneten, die ein Magnetfeld quer durch den Motor erzeugen.
• Rotor (Anker): ein drehbares Blechpaket mit meist drei oder fünf Wicklungen auf der Welle.
• Kommutator und Bürsten: Auf der Welle sitzt ein in Segmente geteilter Kupferring, an den die Wicklungen angeschlossen sind. Zwei feststehende Bürsten aus Metall oder Kohle schleifen darauf und führen den Strom zu.

Fließt Strom durch eine Wicklung im Magnetfeld, wirkt auf sie eine Kraft (siehe Elektromagnetismus). Der Rotor dreht sich, bis die Wicklung mit dem Feld ausgerichtet wäre. Kurz vorher schaltet der Kommutator den Strom auf die nächste Wicklung um, und die Drehung geht weiter. Der Kommutator ist also ein mechanischer Wechselrichter: Er sorgt dafür, dass in den Wicklungen ein wechselnder Strom fließt, obwohl außen Gleichspannung anliegt.

Gegenspannung, Drehzahl und Drehmoment

Dreht sich der Rotor, bewegen sich seine Wicklungen durch das Magnetfeld. Nach dem Induktionsgesetz entsteht in ihnen eine Spannung, die der angelegten Spannung entgegenwirkt: die Gegenspannung oder Gegen-EMK U_ind. Sie wächst proportional zur Drehzahl. Der Motor läuft so schnell, bis die Gegenspannung fast die Versorgungsspannung erreicht; dann fließt nur noch so viel Strom, wie für Reibung und Last nötig ist. Zwei einfache Gleichungen beschreiben fast alles:

Dabei ist R der Wicklungswiderstand, ω die Winkelgeschwindigkeit, M das Drehmoment und k die Motorkonstante. Daraus folgt:

• Die Drehzahl hängt von der Spannung ab. Halbe Spannung – etwa halbe Leerlaufdrehzahl.
• Der Strom hängt vom Drehmoment ab. Je stärker du den Motor bremst, desto mehr Strom zieht er.
• Im Stillstand fehlt die Gegenspannung. Beim Anlaufen und beim Blockieren begrenzt nur der Wicklungswiderstand den Strom: I_Block = U / R.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist ein Kreis mit einem großen „M“ für Motor (siehe Schaltzeichen). Ein Gleichheitszeichen oder Strich darunter kennzeichnet den Gleichstrommotor. Bei Motoren mit fester Drehrichtung markiert ein Plus den Anschluss, an dem für Rechtslauf die positive Spannung liegt; oft ist dieser Anschluss am Gehäuse mit einem roten Punkt gekennzeichnet.

Kennlinien und Kennwerte

Motordatenblätter nennen Werte für drei Betriebspunkte: Leerlauf, besten Wirkungsgrad und Blockieren. Am Beispiel eines verbreiteten Kleinmotors, Mabuchi RF-300FA-12350 (Nennspannung 3 V, oft in CD-Laufwerken und Solarbausätzen):

Zwischen diesen Punkten verlaufen Drehzahl und Strom über dem Drehmoment als Geraden: Die Drehzahl fällt vom Leerlauf bis zum Stillstand, der Strom steigt vom Leerlaufstrom bis zum Blockierstrom.

Weitere Größen, die du kennen solltest:

• Nennspannung: bei Kleinmotoren 1,5 bis 24 V. Kurzzeitig sind 50 % mehr oft möglich, dauerhaft kosten sie Lebensdauer.
• Wicklungsinduktivität: einige 100 µH bis einige mH. Sie sorgt beim Abschalten für Spannungsspitzen (siehe Spule im Gleichstromkreis).
• Lebensdauer: begrenzt durch die Bürsten, bei Spielzeugmotoren einige 100 Stunden, bei Kohlebürsten einige 1000.

Bauformen

• Kleinmotoren mit Metallbürsten: Typen wie 130, 280, 300 oder 540 nach dem Gehäusedurchmesser; Spielzeug, Haushaltsgeräte.
• Getriebemotoren: Motor mit Stirnrad- oder Planetengetriebe; wenige 10 bis einige 100 Umdrehungen pro Minute mit viel Drehmoment. Typisch für Roboter und Stellantriebe, bekannt als gelbe „TT-Motoren“ in Bausätzen.
• Glockenankermotoren: Rotor ohne Eisen, sehr leicht, schnell und effizient; in Kameras, Medizintechnik und Modellbau.
• Vibrationsmotoren: winzige Motoren mit Unwucht auf der Welle oder als flache Münze.
• Bürstenlose Motoren (BLDC): Die Elektronik übernimmt die Kommutierung. Sie brauchen einen eigenen Treiber und gehören eigentlich zu den Synchronmotoren; mehr dazu unter Schrittmotor, der eng verwandt ist.

Ansteuerung

Ein- und Ausschalten mit dem Transistor

Ein Mikrocontroller-Pin liefert einige Milliampere, ein Motor braucht Hunderte. Dazwischen gehört ein Schalter: ein Bipolartransistor oder besser ein Logic-Level-MOSFET zwischen Motor und Masse (siehe Transistor als Schalter). Parallel zum Motor liegt eine Freilaufdiode, deren Kathode an Plus zeigt. Sie nimmt beim Abschalten den Strom der Wicklung auf, der sonst eine Spannungsspitze von vielen 10 V am Transistor erzeugen würde.

Den Schalttransistor dimensionierst du mit dem Rechner:

Drehzahl mit PWM

Die Drehzahl folgt der mittleren Spannung. Mit PWM schaltest du den Transistor schnell ein und aus; der Tastgrad bestimmt die mittlere Spannung. Die Wicklungsinduktivität glättet den Strom. Frequenzen von 15 bis 25 kHz liegen über dem Hörbereich, darunter pfeift der Motor. Bei hohen Frequenzen wachsen aber die Schaltverluste im Transistor (siehe Rechner MOSFET-Verluste).

Drehrichtung mit der H-Brücke

Zum Umkehren der Drehrichtung muss die Spannung am Motor umgepolt werden. Das erledigt eine H-Brücke aus vier Schaltern, fertig als IC erhältlich (siehe Motortreiber). Sie kann den Motor außerdem aktiv bremsen, indem sie beide Anschlüsse auf dasselbe Potential legt.

Auswahl und Praxistipps

Wähle den Motor nach benötigtem Drehmoment und Drehzahl; bei weniger als einigen 100 Umdrehungen pro Minute nimmst du einen Getriebemotor. Den Treiber legst du nach dem Blockierstrom aus, nicht nach dem Betriebsstrom.

Häufige Fehler:

• Motor direkt am Mikrocontroller-Pin: Der Pin wird überlastet, und der Controller stürzt durch Spannungseinbrüche ab.
• Freilaufdiode vergessen: Die Abschaltspitze zerstört den Transistor früher oder später.
• Gemeinsame Versorgung ohne Puffer: Beim Anlauf bricht die Versorgung ein, der Mikrocontroller startet neu. Ein Elko am Treiber und getrennte Masseführung helfen (siehe Masse, Erde, Ground).
• Bürstenfeuer ignoriert: Die Bürsten erzeugen Funken und damit Störungen bis in den UKW-Bereich. Ein Keramikkondensator von 10 bis 100 nF direkt über den Motoranschlüssen, oft dazu je einer von jedem Anschluss zum Gehäuse, dämpft sie (siehe EMV).
• Netzteil mit Kurzschlussabschaltung: Manche Labornetzteile oder USB-Quellen schalten beim Anlaufstrom ab. Ein großer Pufferelko oder ein Sanftanlauf löst das.

Selbsttest