Planung und Dimensionierung einer Schaltung Nutzer mit großer Leistung mit dem Feldeffekttransistor schalten

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1 Bei vielen naturwissenschaftlichen und technischen Projekten müssen Motoren, Pumpen, Lautsprecher, etc. mit hoher Leistung eventuell automatisch ein- oder ausgeschaltet werden. Dieser Schaltvorgang kann nicht durch Eingriff von Hand mit einem Schalter erfolgen, sondern muss durch Sensoren, die auf Licht, Temperatur, Magnetfeld, Abstand, Helligkeit,... reagieren vorgenommen werden. Da diese Sensoren meist nur für geringe Stromstärken ausgelegt sind, benötigen sie einen eigenen Stromkreis. In diesem wird das elektrische Potenzial an einem Punkt durch den Sensor verändert. Dadurch wird der Schaltvorgang im Transistor ausgelöst. In der hier vorliegenden Schrift soll die Planung der Schaltung und die Berechnung der Daten der benötigten Bauteile erläutert werden. 1 Bauteile... Fachbegriffe Potenzial φ und Spannung Stromstärke I und Ladung Q Widerstand Kennlinie Spannungsteiler Planung und Dimensionierung einer Verstärkerschaltung Grundschaltung Spannungsquelle Auswahl des Sensors (1. Widerstand) Position im Schaltplan Dimensionierung der Widerstände ealisierung Test auf der Steckplatine Lötplatine Prüfung der Schaltung bekannte Beispiele aus der Mittelstufe Lichtpfeifer Fahrradbeleuchtung Layoutplan für die Fahrradbeleuchtung Anhang Bauteile Crashkurs Spannungsteiler Schutzwiderstand für Leuchtdioden Vom Schaltbild zur Lochstreifenplatine...16 Seite 1 / 16

2 1 Bauteile Hier wird ein (Feldeffekt-) Transistor vom Typ BZ10 verwendet Der Feldeffekttransistor ist ein elektronisches Bauteil mit drei Anschlüssen: Gate (Tor), Source (Quelle) und Drain (Abfluß) Source (S) wird mit dem niedrigen Potenzial (Potenzialnullpunkt) verbunden, Drain (D) mit dem hohen Potenzial der Spannungsquelle. Ein Transistor ist ein Schalter, dessen Durchlässigkeit in einem bestimmten Bereich stufenlos elektrisch gesteuert werden kann. Zu diesem Zweck muss man das am Gate (G) herrschende Potenzial verändern. Nur wenn das Potenzial am Gate des BZ 10 den Wert von ca. V bis 3V überschreitet, ist der Schalter geöffnet. Wird der Transistor zum egeln verwendet, so muss das Potenzial am Gate verändert werden. Mit Hilfe der Kennlinie kann man die Abhängigkeit der Durchlässigkeit (Stromstärke I DS ) von dem am Gate herrschenden Potenzial darstellen. Kennlinie eines BZ 10 (n-fet) Mögliche Aktoren Glühbirne, Leuchtdiode LED (mit Schutzwiderstand) Summer Motor Mögliche Sensoren Lichtempfindlicher Widerstand LD Temperaturempfindlicher Widerstand (NTC) Von. abhängiger Widerstand Seite / 16

3 Fachbegriffe physikalische Größe Symbol Maßeinheit Elektrisches Potenzial Abkürzung der Einheit φ 1 Volt 1 V elektrische Spannung =φ hoch -φ niedrig 1 Volt 1 V elektrischer Widerstand Elektrische Stromstärke elektrische Ladung oder Elektrizität 1 Ohm 1 Ω I 1 Ampère 1 A Q 1 Coulomb 1 C.1 Potenzial φ und Spannung Das elektrische Potenzial φ kann als die Energiebeladungshöhe der Elektrizität (Energie pro Ladungsmenge) interpretiert werden. ϕ = Entlang einer Leitung ändert sich das elektrische Potenzial (fast) nicht. D.h. das Verhältnis Energie pro Ladung ändert sich nicht, es wird dort (fast) keine Energie umgeladen. Leitungen die miteinander verbunden sind haben das gleiche elektrische Potenzial. Für Leitungen, die mit der Erde verbunden sind (geerdet) hat man willkürlich ein elektrisches Potenzial von 0 Volt festgelegt. Wenn durch einen elektrischen Widerstand ein elektrischer Strom fließt, so unterscheiden sich die elektrischen Potenziale an seinen Anschlüssen. Da der elektrische Widerstand Energie aufnimmt, muss sich die Energiebeladungshöhe der Elektrizität ändern. Eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Stellen bezeichnet man auch als elektrische Spannung. = ϕ hoch Die elektrische Spannung (Potenzialdifferenz) ist der Antrieb für einen elektrischen Strom. (Fließt kein elektrischer Strom durch den Widerstand, so gibt es an seinen Anschlüssen keine Potenzialdifferenz (Spannung), d. h. aber nicht dass an den beiden Anschlüssen das Potenzial 0 Volt betragen muss!) Das Messgerät zur Messung der elektrischen Spannung heißt Voltmeter. Beim Messen verbindet man die beiden Anschlüsse mit den Punkten zwischen denen man die Differenz der Potenziale messen möchte (Parallelschaltung). E Q ϕ niedrig Seite 3 / 16

4 . Stromstärke I und Ladung Q Die elektrische Stromstärke I gibt an wie viel elektrische Ladung Q in einer bestimmten Zeit t an einer bestimmten Stelle vorbeifließt. Q I = t Das Messgerät zur Messung der elektrischen Stromstärke heißt Amperemeter. Beim Messen der elektrischen Stromstärke, muss man die Leitung immer an der Stelle, wo man die Stromstärke messen möchte durchtrennen (eihenschaltung)..3 Widerstand Gibt es an den Anschlüssen eines elektronischen Bauteils eine Potenzialdifferenz, so bestimmt sein elektrischer Widerstand (das ist eine Eigenschaft des Bauteils) die fließende Stromstärke I. = I Das Messgerät zur Messung des elektrischen Widerstandes heißt Ohmmeter. Beim Messen schließt man die beiden Anschlüsse des Ohmmeters an die Anschlüsse des ausgebauten Bauteils an (ohne Energiequelle). Mit modernen Messgeräten können alle drei Messungen durchgeführt werden, man nennt sie Multimeter..4 Kennlinie Der elektrische Widerstand ist der Quotient aus der elektrischen Spannung und der elektrische Stromstärke. = I Bei den meisten elektronischen Bauteilen ändert sich der Wert ihres elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung. Der Widerstand hat keinen festen Wert. Elektronische Bauteile die einen festen Widerstandswert haben, nennt man ohmsche Widerstände (z.b. Kohleschichtwiderstand). Die Änderung der Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung nennt man Kennlinie des Bauteils. Seite 4 / 16

5 .5 Spannungsteiler Das bekannteste Beispiel für einen Spannungsteiler ist die Lichterkette. 0 Lampen die einzeln höchstens mit einer Spannung von 1 Volt betrieben werden dürfen, kann man an die Steckdose ( = 30 Volt) anschließen, wenn man sie in eihe schaltet. Die Gesamtspannung teilt sich an den Anschlüssen der einzelnen Lampen auf. gesamt = Bei einer eihenschaltung von zwei Widerständen ist das Verhältnis der an den Widerständen anliegenden Potenzialdifferenzen gleich dem Verhältnis ihrer Widerstandswerte. Indem man die Widerstandswerte vorgibt, kann man also das Verhältnis der Teilspannungen festlegen. 1 = 1... Seite 5 / 16

6 3 Planung und Dimensionierung einer Verstärkerschaltung 3.1 Grundschaltung 3. Spannungsquelle Die Wahl der Spannungsquelle wird durch die Betriebsspannung des Aktors bestimmt. Folgende Grenzwerte sind aus sicherheitstechnischen Gründen vorgeschrieben: > 3 V und < 50V im Schulbetrieb < 5V 3.3 Auswahl des Sensors (1. Widerstand) Ein Sensor ist ein elektronisches Bauteil, das seine elektrischen Eigenschaften ändert, wenn sich eine Größe aus seiner mgebung ändert. Die im nterricht verwendeten Sensoren ändern ihren elektrischen Widerstandswert. Es empfehlen sich Sensoren mit hohen Widerstandswerten, um die Stromstärke und die damit verbundene Wärmewirkung im Sensor zu vermindern. Lichtempfindlicher Widerstand (LD) Im Katalog wird bei den Kenndaten der Widerstandswert des LDs angeben den er bei Helligkeit hat. Sein Widerstandswert sinkt mit zunehmender Helligkeit. Temperaturempfindlicher Widerstand (NTC) Im Katalog wird bei temperaturempfindlichen Widerständen der Widerstand bei einer bestimmten Temperatur angegeben. Sein Widerstandswert sinkt mit zunehmender Temperatur. Temperaturempfindlicher Widerstand (PTC) Im Katalog wird bei temperaturempfindlichen Widerständen der Widerstand bei einer bestimmten Temperatur angegeben. Sein Widerstandswert steigt mit zunehmender Temperatur. Der Wert des Widerstandes des Sensors kann nur im ausgebauten Zustand mit dem Ohmmeter direkt bestimmt werden! Seite 6 / 16

7 3.4 Position im Schaltplan Die eihenfolge der Position des Sensor und des Widerstandes hängt davon ab, ob der Aktor ein- oder ausgeschaltet werden soll? 3.5 Dimensionierung der Widerstände Der zweite feste Widerstand muss so gewählt, dass das Verhältnis der beiden Widerstandswerte der beiden Widerstände, die Gesamtspannung nach Wunsch teilt. Beispiele findet man im Anhang 6. 1 = 1 mit gesamt = 1 + Seite 7 / 16

8 4 ealisierung 4.1 Test auf der Steckplatine o Layoutplan erstellen o Bestücken o Funktion prüfen 4. Lötplatine o o o o Layoutplan auf Lötplatine anpassen (entweder Lochstreifenplatine oder selbst hergestellte Platine) Bestücken Löten prüfen 4.3 Prüfung der Schaltung Messung des Potenzials am Gate: o Das schwarze Kabel des Multimeters wird immer an den Minuspol der Energiequelle (niedriges Potenzial) angeschlossen und bleibt dort. o Mit dem roten Kabel (hohes Potenzial) wird das Potenzial am Gate getestet: es sollte bei der Änderung des Signals am Sensor um einen von V bis 3V pendeln. Seite 8 / 16

9 5 bekannte Beispiele aus der Mittelstufe 5.1 Lichtpfeifer Lastenheft: Ein Summer soll ansprechen, wenn der Sensor Helligkeit registriert Aktor Ein 9V-Summer wird ausgewählt, um mit einem 9V Block arbeiten zu können (Platzeinsparung) Fotowiderstand (LD) Position (1) im Schaltbild: wenn es hell wird, nimmt der Widerstand ab, das Potenzial am Gate steigt an. Widerstand Aus dem Datenblatt entnimmt man für den LD z.b. = 10kΩ Das Potenzial am Gate am Schaltpunkt beträgt ca.,5v, die Potenzialdifferenz an muss also,5v betragen. Der Widerstand bei () muss also nach Überschlag zwischen halb oder ein drittel so groß sein. Ein Potenziometer mit = 5kΩ oder 10kΩ ist also geeignet. 5. Fahrradbeleuchtung Lastenheft: Die Beleuchtung soll eingeschaltet werden, wenn es dunkel wird. Aktoren LED weiß (vorne) LED rot (hinten) Spannungsquelle über 3V aus Platzgründen entscheiden wir uns für einen 9V Block Schutzwiderstände der LEDs LED weiß (aus dem Datenblatt z.b. 1,8V 0mA) Potenzialdifferenz am Schutzwiderstand 7,V ergibt = 360Ω in der E1 eihe wird der nächst höhere Wert von 390Ω gewählt. LED rot (aus dem Datenblatt z.b. 1,3V 5mA) Potenzialdifferenz am Schutzwiderstand 7,7V ergibt = 154Ω in der E1 eihe wird der nächst höhere Wert von 180Ω gewählt. Fotowiderstand (LD) Position () im Schaltbild: wenn es dunkel wird, nimmt der Widerstand zu, das Potenzial am Gate steigt an. Widerstand Aus dem Datenblatt entnimmt man z.b. = 10kΩ Das Potenzial am Gate am Schaltpunkt beträgt ca.,5v, die Potenzialdifferenz an 1 muss also 6,5V betragen. Der Widerstand bei (1) muss also nach Überschlag zwischen zwei und dreimal so groß sein. Ein Potenziometer mit = 50kΩ oder 100kΩ ist geeignet. Seite 9 / 16

10 5.3 Layoutplan für die Fahrradbeleuchtung Im Schaltplan werden alle Leitungen, die auf dem gleichen Potenzial liegen mit derselben Farbe markiert. Im Layoutplan werden alle Verbindungen, die auf demselben Potenzial liegen mit derselben Farbe markiert. Diese sollte der Farbe auf dem Schaltplan entsprechen. Aufbau auf der Steckplatine Seite 10 / 16

11 6 Anhang 6.1 Bauteile (Kohleschicht-) Widerstände Der Zahlenwert wird nach dem Farbcode ermittelt: Beachte: Meist können diese Bauteile nur ¼ Watt Leistung aufnehmen. Besonders bei kleinen Widerstandswerten wird dieser Wert rasch überschritten und es müssen dann spezielle Widerstände (½ Watt oder höher) verwendet werden. In der E1 eihe sind die Werte von 10Ω, 1Ω, 15Ω, 18Ω, Ω, 7Ω, 33Ω, 39Ω, 47Ω, 56Ω, 68Ω, 8Ω sowie deren zehnhundert, -. fache Werte verfügbar. Die Werte steigen jeweils um 0% gegenüber dem Vorgänger an und überdecken eine ganze Zehnerpotenz. Potentiometer / (Poti) Schaltbilder Mögliche Bauform: Potentiometer sind einstellbare Widerstände. Der Wert dieser Widerstände kann durch Drehen eines Abgreifschleifers von nahezu OΩ bis zum aufgedruckten Wert verändert werden. Zwischen den Anschlüssen 1 und liegt der gesamte Widerstandswert. Von diesem Widerstand können über den Schleifer 3, je nach seiner Stellung, Teilwerte abgenommen werden (Spannungsteiler). Leuchtdioden (LED) Symbol: Schaltbild Häufige Bauform Leuchtdioden strahlen Licht ab, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Sie müssen immer mit einem Vorwiderstand geschützt werden. Die Spannung ist so anzulegen, dass die Anode zum Pluspol und die Kathode zum Minuspol zeigen. Vertauschte Anschlüsse können die Diode zerstören. m festzustellen, wo die Anode (A) und die Kathode (K) sind, hält man die LED gegen eine Lichtquelle und vergleicht mit der "Bauform". Seite 11 / 16

12 Daten: Typische LEDs können mit bis zu 10mA betrieben werden. Besondere Typen auch mit 50mA oder mehr. Die Spannung LED an LEDs darf die Schwellspannung nicht überschreiten, diese hängt von der Farbe ab: Standardtypen Farbe Wellenlänge I in ma LED in nm in V I ,3 ot ,6 Orange ,8 Gelb 590 0,1 Grün 565 0, Blau ,9 Weiss - 0 3,5 V ,7 Kennlinienschar verschiedener Dioden (Messungen FSG) Quelle Für die häufig benutzten Farben sind auch Low-Current-Typen für ma verfügbar. Die zugehörigen Spannungen betragen: ot 1,9 V / Gelb,4 V / Grün 1,9 V Schaltbild Dioden Häufige Bauform Der ing kennzeichnet die Kathode. Die Kennzeichnung von 1 N-Dioden erfolgt vom Kathodenring (breiter ing) an, der gleichzeitig die erste Ziffer ist. Dabei gilt der gleiche Farbcode wie bei den Widerständen. Ist nur der Kathodenring aufgedruckt, dann ist der Diodenkörper zusätzlich mit der Typenbezeichnung bedruckt. Dioden lassen den Strom nur in einer ichtung -von der Anode (A) zur Kathode (K) -fließen, wenn an der Anode + und an der Kathode -angelegt wird. Wird die Diode umgekehrt angeschlossen, fließt praktisch kein Strom. Auf richtige Polung achten! Aktive Bauelemente: Feldeffekttransistor (MOSFET) Schaltbild Bauformen Funktion: Ähnlich wie beim bipolaren Transistor kann ein Isolator leitend gemacht werden. Hier gelingt dies durch elektrostatische Aufladung des Anschlusses Gate G, worauf zwischen Source S und Drain D ein elektrischer Strom fließen kann. Vorteil: Es treten keine Verluste durch Basis-Ströme auf. Damit ist eine verlustlose Steuerung und Schaltung möglich. (Dies wird z.b. in Computern ausgenutzt) Nachteil: Die Bauteile haben eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Aufladung. Bei unvorsichtigem mgang mit den Bauteilen können diese sehr leicht durch bloßes Berühren zerstört werden. Beim Löten ist ein Erdungsband nötig. Seite 1 / 16

13 Aktive Bauelemente: Transistoren (Bipolarer Typ) Schaltbild Typische Bauform: (Siehe auch Kataloge des Versandhandels) Aufbau: Zwei Dioden sind entgegengepolt verbunden. Wenn die in der Mitte liegende Halbleiterschicht sehr dünn ist (einige Mikrometer), kann der Transistoreffekt auftreten: Die mittlere dünne Halbleiterschicht (Basis) ist wegen des Diodeneffektes ladungsträgerarm und deshalb ein guter Isolator. Wird diese Schicht von außen mit Ladungsträgern versorgt, so kann zwischen Collector C und Emitter E ein Strom fließen. Dieser ist stark von der Basisstromstärke abhängig. Beim npn Transistor ist die dünne Trennschicht p dotiert und der Transistoreffekt tritt dann auf, wenn die Basis gegenüber dem Emitter auf einem positiven Potential liegt. Arbeiten mit Europlatinen / Lochrastermaterial 1. Zeichne einen Verdrahtungsplan. Nummeriere dazu die Leiterschienen durch und zeichne die Bauteile dazwischen auf. Beachte dabei die Größe der Bauteile. Der Abstand zwischen zwei Bohrungen beträgt,54mm. Achte auf Lücken in denen ein Messgerät eingebaut werden könnte.. Die Leiterschienen können zwar aufgetrennt werden, dies ist jedoch nur in Ausnahmefällen empfehlenswert. 3. Bestimme die Größe der Platine und säge ein passendes Stück aus der Platine vorsichtig aus. 4. Montiere das Platinenstück mit einer dritten Hand horizontal. 5. Bestücke die Platine. 6. Kontrolliere die Schaltung nochmals anhand des Schaltbildes. Überprüfe ob jede (nicht aufgetrennte) Schiene auch nur die Kontakte herstellt, die vorgesehen sind. 7. Führe die Lötarbeiten durch. Verlöte dabei die Halbleiter schnell. Seite 13 / 16

14 6. Crashkurs Spannungsteiler Ziel: Das Potenzial am Gate eines Transistors muss angesteuert werden. Dazu wird ein so genannter Spannungsteiler verwendet. Dieser besteht aus der eihenschaltung zweier Widerstände. Das Potenzial zwischen ihnen hängt von den Zahlenwerten dieser Widerstände ab. Wird dieser Punkt mit dem Gate verbunden und einer der beiden Widerstände verändert, ändert sich das Potenzial am Gate und der Schaltvorgang kann ausgelöst werden. Schaltbild Aus der Energieerhaltung folgt: 1 + = ges Mit = I wird 1 *I + *I = ers *I ers ist der Widerstand der beide Einzelbauteile ersetzt; I ist überall gleich somit wird: 1 + = ers. Verteilung der Spannungen 1 und 1 = 1 I I = 1. 1 = 1 Kopfrechentest: Gegeben Gesucht / Lösung = 9V, 1 = = 4,5V 1 = Größe unwichtig aber je kleiner desto größer der Energieübertrag auf Entropie =9V 1 = 6V 1 = 100kΩ = 50kΩ (handschriftlich nachrechen) =9V 1 =7V 1 = 100kΩ muss kleiner als 50 kω werden (handschriftlich nachrechnen) = V / 1 = /7 = /7* 1 = 8,6 kω Seite 14 / 16

15 6.3 Schutzwiderstand für Leuchtdioden Leuchtdioden haben als typische Kenndaten: (dem Datenblatt oder 6.1 zu entnehmen) o Potenzialdifferenz (Spannung) je nach Farbe o Max. Stromstärke einige ma typisch 10mA bis 0 ma Berechnung des Vorwiderstands, der die Stromstärke begrenzt Die Potenzialdifferenz am Vorwiderstand berechnet sich aus der Differenz der angelegten Spannung und der Potenzialdifferenz an der LED. Über =/I wird aus der Stromstärke der Wert des Vorwiderstands berechnet. Übung Batterie 9V Blaue LED mit =,9V bei I=10mA Die Potenzialdifferenz am Vorwiderstand wird 6,1V. Mit der Stromstärke errechnet sich daraus = 610Ω. In der E1 eihe wird entweder 680Ω (sichere Variante) oder 560 Ω (helle Variante) gewählt. Seite 15 / 16

16 6.4 Vom Schaltbild zur Lochstreifenplatine Erstellen des Schaltbildes Vereinfache das Schaltbild so, dass Punkte gleichen Potenzials auf waagrechten Linien liegen. Layout Zeichne das Platinenlayout auf Karopapier auf Beachte: alle waagrechten Linien sind auf der Leiterseite bereits miteinander verbunden Lasse dein Layout von Mitschülern (oder dem Lehrer) prüfen Bestücken Bohre die Löcher für Lötnägel Bestücke die Platine Achtung der MOSFET kann durch elektrostatische Aufladung zerstört werden. Biege die Bauelementfüße leicht zur Seite, sie können beim Drehen der Platine, nicht mehr heraus fallen. Löten Lasse deine Schaltung von Mitschülern (oder dem Lehrer) prüfen o Übereinstimmung mit dem Layout o Sichtkontrolle der Lötstellen o Liegen Verbindungen zwischen benachbarten Leiterbahnen vor? Kürze die Bauteildrähte mit dem kleinen Seitenschneider auf ca. 10mm und beachte, dass sich keine Bauteildrähte berühren. Test Verbinde die Schaltung mit der Batterie Kontrolliere die Funktion der Schaltung Seite 16 / 16