Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse

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1 Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse

2 Themen Übung zu Grundlagen Beispiel zu Abtastung digitaler Systeme Beispiel Kabelplan Schottky-Diode Dioden als Freilauf-Dioden an Induktivitäten Relais-Kenngrößen & Contact-Welding Z-Diode Avalanche-Effekt Suppressordioden Suppressordioden in Leistungstransistoren Pulsweiten-Modulation (PWM) Puls-Frequenz-Modulation (PFM) Generatoren im Fahrzeug (Reste des Kapitels Bordnetze ) Folie 2

3 Themen (2) Transistorschaltungen Low-Side-Switch High-Side-Switch Halbbrücken-Schaltung Vollbrücken-Schaltung Ein-/Ausgangsstufen logischer Bauelemente Totem-Pole-Ausgangsstufe Open-Kollektor / Open-Drain- Ausgangsstufe Pull-up / Pull-Down Widerstände Wired-Or-Schaltungen Gate-Treiber Opto-Koppler Masseschleifen Folie 3

4 Diode (PN-Übergang) vs. Schottky-Diode Benannt nach Walter Schottky (dt. Physiker) Besitzt keinen PN-Übergang, sondern einen (sperrenden) Metall-Halbleiter-Übergang Materialkomposition (z. B. Dotierung des Halbleiters und Austrittsarbeit des Metalls) so gewählt, dass sich in der Grenzfläche im Halbleiter eine Verarmungszone ausbildet Silicium-Schottky-Dioden Vorteil: Kleine Schwellenspannung (0,1V 0,4V) (vgl. pn-übergang 0,7.. 0,8V) Nachteil: Höhere Leckströme Sperrspannungen im Bereich bis ca. 250V Siliciumcarbid-Schottky-Dioden Vorteil: Sperrspannungen im Bereich bis ca. 1700V Nachteil: Schwellenspannung (ca. 0,8V ) Folie 4 Quelle: Wikipedia

5 Dioden als Freilauf an induktiven Lasten W=1/2 L * I 2 Je kleiner die Induktionsspannung, desto länger die Stromabbauzeit DC: P = U*I W = P*t Auswahl der Diode entscheidet über auftretende Induktionsspannung In der Regel kurze Stromabbauzeiten erwünscht Folie 5 Quelle: Wikipedia

6 Relais & Schütze Schütz i.d.r. 3-phasig ausgeführt In der Regel doppelt trennende Hubanker Relais einfache Trennung Schütze und Relais stellen selbst eine induktive Last dar (Schütze werden oft durch Steuerrelais betrieben) Kenngrößen Nennspannung der Spule Wicklungswiderstand oder Stromaufnahme MTTF (z.b. 10^5 Schaltspiele) Max. Spannung am Schaltkontakt Minimaler Kontaktstrom Maximaler Kontaktstrom Gebrauchskategorie Quelle: Wikipedia Folie 6

7 Gebrauchskategorien für Relais und Schütze Folie 7 Quelle: Wikipedia

8 Z-Diode Benannt nach Clarence M. Zener (amerikanischer Physiker) PN-Übergang, stark dotiert Normale Diode in Flussrichtung (UF) Zener-Effekt in Sperrrichtung Elektronen tunneln durch die Sperrschicht Bei höheren Spannungen (>50V) zusätzlich Avalanche Effect (Lawinendurchbruch) Beschleunigte Ladungsträger stoßen weitere Elektronen ins Leitungsband, Diode wird schlagartig leitfähig Beide Effekte überlagern sich Umgangssprachlich Z-Dioden UBR wird angegeben ( Breakdown-Voltage ) Folie 8 Quelle: Wikipedia

9 Z-Dioden Kennlinie Durchbruch der Diode ist reversibel Maximale Leistung darf nicht überschritten werden Typ. Dauerleistung ca. 0,5W P = UBR x I Z-Dioden i.d.r. mit Widerstand kombinieren Beispiel: ZF 4,7 (500mW) Umax = 16V R =? Folie 9 Quelle: Wikipedia

10 Suppressordiode Transient Absorpton Zener Diode (TAZ-Diode) Transient Voltage Suppressor Diode (TVS-Diode) Maximum reverse standoff voltage: Die Spannung, bis zu der die Suppressordiode nicht nennenswert leitet. Breakdown voltage: Die Spannung, ab der die Suppressordiode in den leitfähigen Zustand übergeht. Clamping voltage: Die Spannung, ab der die Suppressordiode den maximalen Strom führt. Peak Pulse Power Dissipation: Die maximale Energie, die ein kurzer elektrischer Puls in der Suppressordiode in Wärme umwandeln darf, ohne sie zu beschädigen. Steady State Power Dissipation Die maximale elektrische Leistung, die die Suppressordiode in Wärme umwandeln kann, ohne durch zu hohe Temperatur beschädigt zu werden. Leakage current: Der Leckstrom, der bei gegebener Spannung in Sperrrichtung durch die Suppressordiode fließt. Parasitic capacitance: Die nicht leitende Diode verhält sich wie ein Kondensator, was Einfluss auf schnelle Schaltungen haben kann. Folie 10 Quelle: Wikipedia

11 Suppressordioden in Transistoren Leistungstransistoren enthalten i.d.r. unidirektionale Suppressordioden Transistor soll vor zerstörendem Durchbruch geschützt werden Integrierte Suppressordiode wird oft mit maximal übertragbarer Energie angegeben Beispiel: FET IRF 3205 Folie 11

12 Induktivität realer Aktuatoren Induktivität ist abhängig von Material Windungszahl Strom Luftspalt Temperatur, Induktivität eines vergleichbaren Proportionalmagneten Messung Abstand [mm] Strom [A] 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6 3,1 3,6 4,1 4,6 5,1 0,0 0,062 0,056 0,050 0,045 0,039 0,035 0,031 0,028 0,026 0,024 0,5 0,054 0,050 0,046 0,042 0,038 0,034 0,030 0,028 0,026 0,024 1,0 0,046 0,044 0,042 0,039 0,036 0,033 0,030 0,027 0,025 0,024 1,5 0,038 0,037 0,036 0,034 0,032 0,031 0,028 0,026 0,025 0,023 2,0 0,032 0,032 0,031 0,030 0,029 0,027 0,026 0,025 0,024 0,023 2,5 0,028 0,028 0,027 0,026 0,026 0,025 0,024 0,023 0,022 0,022 3,0 0,025 0,025 0,024 0,024 0,023 0,023 0,022 0,021 0,021 0,020 3,5 0,023 0,022 0,022 0,022 0,021 0,021 0,020 0,020 0,019 0,019 4,0 0,021 0,021 0,020 0,020 0,020 0,019 0,019 0,018 0,018 0,018 Folie 4,5 12 0,019 0,019 0,019 0,019 0,018 0,018 0,018 0,017 0,017 0,017 5,0 0,018 0,018 0,018 0,017 0,017 0,017 0,017 0,016 0,016 0,016 Quelle: Elektromagnetische Aktoren ISBN:

13 Proportionalmagnete durch konische Bauweise Quelle: Elektromagnetische Aktoren ISBN: Folie 13

14 Pulsfrequenzmodulation Offensichtlicher Einsatz bei Dosierpumpen Bestromungsimpuls bestimmter minimaler Dauer löst Ereignis aus (z.b. Pumpbewegung, Förderung eines gewissen Volumens) Längere Bestromungsdauer ist ohne Einfluss Während Bestromungspause -> Rückstellung (Federbelastet) => Volumenstrom ist proportional zur Frequenz Pulsdauer darf gewissen Minimalwert (Bewegungszeit) nicht unterschreiten. Pulspause darf gewissen Maximalwert (Rückstellzeit) nicht unterschreiten. => Maximalfrequenz Folie 14

15 Pulsweitenmodulation (PWM) Pulsweitenmodulation (kurz PWM, auch Pulsdauermodulation (PDM) [1], Pulslängenmodulation [2] (PLM), Unterschwingungsverfahren oder Pulsbreitenmodulation (PBM); englisch pulse-width modulation (PWM)) Einsatzgebiete: Leistungselektronik Digital-Elektronik zur Erzeugung analoger Ausgangswerte Folie 15

16 Generator Folie 16