DIY. Personal Fabrica1on. Elektronik. Juergen Eckert Informa1k 7

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1 DIY Personal Fabrica1on Elektronik Juergen Eckert Informa1k 7

2 Ätz und LötTutorial Übung: Layout mit Eagle (CadsoL) Slots: 1214, 1416 und 1618Uhr st!!! Blink(1) Clone No1fica1on RGB Led Kostenlos für DIY`ler Foto: wiki.jenkinsci.org

3 Speiseplan Dioden Transistoren Konstantstrom Kühlung Mosfets

4 Halbleiter: Silicium (Si) Element der 4. Hauptgruppe (4 Außene ) SiKristall keine freien Elektronen (e ) Nicht 0 K Foto: Wikipedia Durch Molekularbewegung (Wärme) lösen sich sporadisch e (Loch posi1v geladen) Heißleiter ndo1ert (freie e, Fremdatom pos. gel.) Element aus 5. Hauptgruppe (5e ) in die Struktur einbringen z.b. Phosphor, Arsen oder An1mon pdo1ert (pos. gel. Löcher, Fremdatom neg. gel.) Element aus 3. Hauptgruppe (3e ) in die Struktur einbringen z.b. Bor, Indium, Aluminium oder Gallium

5 (ak1ves Bauteile ab jetzt) Foto: Wikipedia Diode Strom in einer Richtung fast ungehindert Anderen Richtung fast isoliert Anode + + Kathode Durchlassrichtung Sperrrichtung Die Kathode ist NeKathiv

6 Diode: Aunau Raumladungszone (Sperrschicht) P N Diffusion P P N N Durchlassrichtung Sperrrichtung

7 Diode: SpannungStrom Verhalten Wich1ge Parameter: Vorwärtsspannung Forward Voltage Drop (max) Durchlassstrom Forward Current Sperrspannung Reverse Voltage Foto: Wikipedia

8 ZDiode Darf dauerhal in Sperrrichtung im Bereich der Durchbruchspannung betrieben werden Foto: Wikipedia

9 Siehe LötTutorial: USB Data Pin Spannungsanpassung ZDiode Anwendungen Voltage ShiLer Voltage Regulator V out = max(v in V zener, 0V ) Fotos: Wikipedia I

10 LED (lightemisng diode) Arbeitspunkt liegt im steilen Bereich der Kennlinie Konstantstromquelle Vorwiderstand Vorwiderstand dimensionieren: R v = U 0 U AP I AP Foto: Wikipedia

11 Foto: Wikipedia Geschichte der Transistoren Vorher: Elektronenröhre Groß, schwer, hoher Energiebedarf,... Erster Transistor: Bell Telephone Labs 1947 Entwickler: Shockley, Bardeen und Bravain Mo1va1on: Probleme der Röhren besei1gen Erstes Patent bereits 1928 bei Lillenfield Transistor = transfer resistor Aktuelle CPUs haben > 1 Mrd Transistoren

12 Bipolartransistor (BJT) Stromschalter Kollektor (C) C C Basis (B) B N P N B Emiver (E) Wich1ge Parameter: Verstärkung (h fe, β) Spannungsabfall U BE (=U FB ) Spannungsabfall U CE(SAT) E Hier NPN, PNP analog für neg. Spannungen E

13 BJT Opera1onsmodi Sperrbereich (cutoff): U BE < U FB, I B = 0 Wie ein Schalter (ausgeschalten) Ak1ve lineare Region: U BE = U FB, I c = βi B Wie ein Stromverstärker Säsgung: U BE = U FB, I c,max / β < I B Wie ein Schalter (eingeschalten)

14 Emiver- schaltung LED 100mA 2.8V BC548 h FE > 125 V BE = 0.7V V CE = 0.6V I B = 5mA

15 Emiver schaltung LED 100mA 2.8V BC548 h FE > 125 V BE = 0.7V V CE = 0.6V R 1 U uc U BE I B 2.6V = 520Ω I B = 5mA 3.3V 0.7V

16 Emiver schaltung LED v 100mA 2.8V BC548 R 1 U uc U BE I B = 520Ω 2.8V h FE > 125 V BE = 0.7V 2.6V V CE = 0.6V 0.6V I B = 5mA 3.3V 0.7V

17 Emiver schaltung NEVER EVER: LED 100mA 2.8V BC548 h FE *I B benutzen um I C zu regeln R 1 U uc U BE I B = 520Ω v 2.8V h FE > 125 V BE = 0.7V 2.6V V CE = 0.6V 0.6V I B = 5mA 3.3V 0.7V

18 Emiver- schaltung LED 100mA 2.8V BC548 h FE > 125 V BE = 0.7V V CE = 0.6V R 2 5V 2.8V U CE 100mA =16Ω R 1 U uc U BE I B 2.6V = 520Ω 1.6V 2.8V 0.6V I B = 5mA 3.3V 0.7V R 1 = 390 Ohm R 2 = 15 Ohm

19 Konstant- strom LED 100mA 2.8V BC548 h FE > 125 V BE = 0.7V V CE = 0.6V I B = 5mA

20 Konstant- strom LED 100mA 2.8V BC548 h FE > 125 V BE = 0.7V V CE = 0.6V I B = 5mA 270 Ohm 3.3V 1.4V 0.7V 0.7V

21 Konstant LED strom 100mA 2.8V BC548 h FE > 125 V BE = 0.7V V CE = 0.6V I B = 5mA R 2 = 7 Ohm V cc =?? R 2 = U BE I LED = 7Ω 270 Ohm 3.3V 1.4V 0.7V 2.8V 0.7V

22 Konstant LED strom 100mA 2.8V BC548 h FE > 125 V BE = 0.7V V CE = 0.6V I B = 5mA R 2 = 7 Ohm V cc (4.1;??) R 2 = U BE I LED = 7Ω 270 Ohm 3.3V 1.4V 0.7V 2.8V 0.6V 0.7V

23 Festspannung Dimensionierung von R 1 abhängig vom Spannungs- bereich V cc U BE V CC >U OUT + max(u CE,U BE ) R 1 = U R1,min U Z U OUT =U Z U BE U OUT I D1,min + I LOAD,max h fe +1

24 Darlington β β 1 β 2 Schaltung

25 Abwärme Jedes Bauteil produziert Wärme Daumenregel: Je heißer ein Bauteil, desto kürzer ist seine Lebenszeit Leistung P[W] = U I Bsp. LED: Einfache Emiverschaltung 1.6V * 0.1A = 0.16mW (Widerstand) 0.25W Widerstand (gerade so) Konstantstromschaltung: max Vcc? P = (Vcc 3.5V) * 0.1A (Transistor) PD = 625mW (Datenblav BC548) VCC,max = C (kurz vor Magic Smoke) Magic Smoke / Blue Smoke rctech.net

26 Kühlungsdesign Welche Temperatur ist zu erwarten? Reicht die Kühlung aus? Berechnungsgrundlagen bereits bekannt Foto: Wikipedia

27 Kühlung: Junc1on to Ambient Hitze (W) T J R θja = 200 C/W T A Datenblav Umgebungs temperatur Aus Ohm'sches Gesetz: Foto: Datenblav T J = T A + R θja P T J = 25 C C/W * 0.625W = 150 C Leistung[W] Strom Thermischer Widerstand [ C/W] Widerstand Temperatur [ C] Spannung Anmerkung: Sta1onärer Zustand, sonst müssen Kapazitäten berücksich1gt werden KRITISCHER WERT

28 Kühlung: Kühlrippe Junc1on to Case Hitze (W) Foto: Datenblav T J R θjc = 83 C/W [R θch = NA] Aus Ohm'sches Gesetz: T J = T A + R θjc P + R θch P + R θha P T J = 25 C + (83 C/W + 53 C/W) * 0.625W = 110 C NAJA KRITISCHER WERT 58 C T H R θha = 53 C/W T A Umgebungs temperatur Daumenregel: Punkterhitzung des Kühl körpers mit Faktor 1.33 kompensieren

29 MetallOxidHalbleiter Feldeffekvransistor (Mosfet) Spannungsschalter Schneller als BTJ Mehr Strom ESD empfindlich Schutzdiode Selbstsperrend: Aus wenn U GS = 0V Selbstleitend: An wenn U GS = 0V (selten) nkanal und pkanal Foto: Wikipedia, nkanal Mosfet

30 Mosfet Opera1onsmodi Sperrbereich (cutoff): U GS < U th I DS = 0 Wie ein Schalter (ausgeschalten) Lineare Region: U GS > U th und U DS < U GS U th Variabler Widerstand kontrolliert durch U GS Säsgung: U GS > U th und U DS > U GS U th Konstantstrom

31 Mosfet Verhalten Foto: Wikipedia Linearer Bereich schwierig, besser: Operar1onsverstärker Strom limi1erendes Bauteil im Gesäsgten Bereich Als Schalter überdimensionieren!

32 Funk1on + Wich1ge Parameter U th Schwellenspannung R DS Innenwiderstand Wich1g für Hitzeentwicklung P = R DS I D 2 (voll an) Tipp: Gate nicht floaten lassen (z.b. PullDown Widerstand) Foto: Wikipedia

33 PKanal Schalten uc Pin: 0 oder 3.3V Load immer an 3.3V12V P= 3.3V: U GS = 8.7V < U th P= 0V: U GS = 12V < U th PKanal

34 PKanal Schalten uc Pin: 0 oder 3.3V R 2 bes1mmt Schaltgeschw. (Daumenregel: Q2 an, sollten einige ma fließen) P= 3.3V: U GS = 12V < U th An P= 0V: U GS = 0V > U th Aus PKanal NKanal

35 Nächstes mal bei DIY Opera1onsverstärker Spannungsanpassung Baverien Schaltungsentwurf

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