Nichtlineare, passive Bauelemente

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1 Nichtlineare, passive Bauelemente Nichtlineare Widerstände PTC- und NTC-Widerstand mit Eigenerwärmung Metalle: Kaltleiter, PTC des Widerstandes Mischoxide: -3% bis -6% pro K Widerstandsänderung Anomalien Konstantan: Cu/Ni-Legierung, TK 0 im T-Bereich C Ferroelektrische Halbleiter: Beim Überschreiten des Curie-Punktes Feldstärke-Zusammenbruch an den widerstandsbestimmenden Korngrenzen. Über einen T-Bereich von nur 30 C Widerstandsanstieg über mehrere Zehnerpotenzen (Z.B.: Bariumtitanat). Thermistoren: NTC- und PTC Widerstände auf pulvermetallurgischer Basis ƒ1

2 Nichtlineare, passive Bauelemente ƒ2

3 Nichtlinearität durch Eigenerwärmung Anwendung z.b. für Amplitudenregelung (Konstanthaltung) bei einer RC- Oszillatorschaltung. AGC Automatic Gain Control! A"T = UI = I 2 R = U2 R ƒ3

4 Varistor Varistor: Variable Resistor Spannungsabhängiger Widerstand ƒ4

5 Relaiskontaktschutz Varistor: Variable Resistor Anwendung als Kontaktschutz - Reduktion des "Abreißfunkens" Auch VDR Voltage Dependent Resistor ƒ5

6 Dioden: Physikalische Grundlagen Nichtlineare, passive Bauelemente Halbleiter-Dioden Physikalische Grundlagen: Eigenleitung - Dotierung - Störstellenleitung ƒ6

7 Dioden: Physikalische Grundlagen Dotierung Störstellenleitung ƒ7

8 Dioden: Physikalische Grundlagen: PN Übergang PN-Übergang P mit 3 wertigen Elektronen-Akzeptor- Atomen; N mit 5 wertigen Elektronen- Donator-Atomen dotiert. Ladungsträgerdichteverlauf als Folge der Ladungsträgerdiffusion. Raumladung durch Abweichung der Ladungsträgerdichte vom neutralen Zustand. ƒ8

9 Dioden: Physikalische Grundlagen: PN Übergang PN-Übergang Potentialverlauf - Diffusionsspannung Wirkt der Diffusion entgegen. Feldstärkeverlauf Anlegen einer äußeren Spannung ƒ9

10 Diodenkennlinien Übersicht ƒ10

11 Diodenkennlinie Siliziumdiode im Durchlass- und Sperrbereich ƒ11

12 Gleichrichterschaltungen: Einweg Einphasen-Einweg-Gleichrichtung Ohne und mit Ladekondensator ƒ12

13 Gleichrichterschaltungen: Einweg ohne C: Messanordnung Einphasen-Einweg-Gleichrichtung Ohne Ladekondensator D1 D1N4007 VOFF = 0 VAMPL = 12 FREQ = 50 V1 Ri 0.1 V V RL {Load} 0 ƒ13

14 Gleichrichterschaltungen: Einweg ohne C Einweggleichrichtung - ohne Ladekondensator ƒ14

15 Gleichrichterschaltungen: Einweg mit C Einweggleichrichtung - mit Ladekondensator ƒ15

16 Gleichrichterschaltungen: Einweg mit C: Dimensionierung Einweggleichrichtung - mit Ladekondensator Spitzenwertgleichrichtung:! E << T!!!!"!!!!i 2 # U 2max R L = I 2max Ladung und Entladung während einer Periode: Q ET! I 2max T!;!!!!!!!!!!Q AT! C L U BrSS Für den eingeschwungenen Zustand gilt: Q ET!= Q AT!!!!!!!!!!!!! U BrSS = Î2max / f C L U Smax = 2Û10 = 2 i D = I 2= 2U 10eff U 2= = U 2max! U BrSS 2 I DEmax!!!!ÎD ƒ16

17 Gleichrichterschaltungen: Zweiweg: Mittelpunkt Zweiweggleichrichtung - Mittelpunktschaltung ƒ17

18 Gleichrichterschaltungen: Zweiweg: Graetz Zweiweggleichrichtung - Graetz Schaltung ƒ18

19 Zweiweg: Graetz ohne C: Messanordnung Ri.1 V D1 D1N4007 D2 D1N4007 Einphasen- Zweiweg- Gleichrichtung VOFF = 0 VAMPL = 9 FREQ = 50 V1 V+ RL {Load} V- Grätz Schaltung Ohne Ladekondensator D3 D1N4007 D4 D1N ƒ19

20 Zweiweg: Graetz ohne C: U, I Verlauf Zweiweggleichrichtung - ohne Ladekondensator ƒ20

21 Zweiweg: Graetz mit C: U, I Verlauf Zweiweggleichrichtung - mit Ladekondensator ƒ21

22 Gleichrichterschaltungen: Drehstrom Drehstrom-Gleichrichtung: Einweg ƒ22

23 Gleichrichterschaltungen: Drehstrom Drehstrom-Gleichrichtung: Zweiweg ƒ23

24 Drehstrom-Gleichrichtung D7 Gleichrichterschaltungen: Drehstrom: Messanordnung D1 D1N4007 V D1N4007 D2 S V1 D1N4007 D8 Implementation = 0grad 0 D3 D1N4007 S V2 V D1N4007 D4 D9 Implementation = 120grad 0 D1N4007 D5 D1N4007 V D1N4007 D6 Rl zweiweg Rl einweg S V3 Implementation = 240 D1N V- V+ V 100 Einweg 0 Zweiweg ƒ24

25 Drehstrom Einweg und Zweiweg Gleichrichter ohne C: U,I-Verlauf Drehstrom-Gleichrichtung ƒ25

26 Spannungsverdoppler-Schaltung Spannungsverdoppler-Schaltung nach DELON Leerlauf Näherung Spitzenwertgleichrichtung Vernachlässigung der Diodendurchlass-(Knie)Spannung R L >> R I! Û 20 = 2U 1eff! U Smax = 2 2U 1eff f Br = f = 100 Hz! i D = I 2!/2 ƒ26

27 Spannungsverdoppler-Schaltung Einstufige Kaskade nach VILLARD C K = C L Leerlauf Näherung Spitzenwertgleichrichtung Vernachlässigung der Diodendurchlass-(Knie)Spannung R L >> R I!!!!!!U K0 = 2U 1eff! U 20 = 2 2U 1eff f Br = f = 50Hz!!!!!!i D = I 2! ƒ27

28 Spannungsvervielfacher-Schaltung Mehrstufige Kaskade nach GREINACHER C K = C L R L >> R I!!!!!!U K0 = 2U 1eff U 20 = n2 2U 1eff! U Smax = 2 2U 1eff!= U 20 / n f Br = f = 50Hz!!!!!!i D = I 2 ƒ28

29 Gleichrichterschaltungen: Siebglieder: Schaltung, Gättungsfaktor-Definition Siebglieder Glättungsfaktor S =! U 1Br!U 2Br = 1 g(!) S = R + 1 j!c 1 j!c! RC >> 1 = 1 + j! RC = 1 +! 2 R 2 C 2 "! RC S! " 2 LC ƒ29

30 Gleichrichterschaltungen: Siebglieder: Dimensionierung Siebglieddimensionierung Beispiel Graetz-Gleichrichter, RC-Siebglied: f Br = 100Hz!!!R = 1k!!!!S = 100!!!C =? S! " RC = 100!!!#!!!C = 159 $ 10 %6 F!!!#!!!180µF ƒ30

31 Spannungsstabilisierung mit Zener-Diode: Schaltung Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode P Zmax = U Z I Zmax r Z =!U Z!I Z = cot " Stabilisierungsfaktor Für bestimmten Lastwiderstand bzw. Laststrom S =!U 1!U 2 S = R + r Z // R L r Z // R L! R r Z ƒ31

32 Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode: Kennlinie mit Arbeitswiderstand Zenerdiode Kennlinie mit Arbeits- Widerstand ƒ32

33 Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode: Kennlinie mit Arbeitswiderstand Schaltungsdimensionierung R!!!"!!S!!!"!!P R!! U 1! 1,5 3U Z Worst Case Dimensionierung Beispiel: Geg.: U 1 = 20V ± 10% U 2 = U Z = 8V r Z = 0,1! I Zmin = 5mA I L max = 30mA ƒ33

34 Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode: Dimensionierung Worst Case Dimensionierung Geg.: U 1 = 20V ± 10% U 2 = U Z = 8V r Z = 0,1! I Zmin = 5mA I L max = 30mA R = U Rmin I Rmax = U 1min! U Z I L max + I Zmin = 18V! 8V 30mA + 5mA = 286"!#!270" P Rmax = U Rmax 2R I Zmax = U Rmax R (22V! 8V)2 = = 0,72W!#!1W 270" = 14V 270! = 52mA P Zmax = U Z I Zmax = 0,41W!!!0,5W ƒ34

35 Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode: Dimensionierung Erreichter Stabilisierungsfaktor S! R r Z = 270 " 0,1" = Max. Ausgangsspannungsschwankung bei Änderung des Lastwiderstandes zwischen Lehrlauf und max. Last:!U Z = r Z I L max = 0,1"# 30 ma = 3 mv!!!!!!r L! Max. Ausgangsspannungsschwankung bei max. Eingangsspannungsschwankung:!U Z =!U 1 S = 4V 2700 = 1,5 mv!!!!!!u 1! ƒ35

36 Spezialdioden Spezialdioden Kapazitäts-Diode Diese Diode wird im Sperrbereich betrieben und die Sperrschichtkapazität wird als Kondensator verwendet. Da die Dicke der Sperrschicht von der Sperrspannung abhängt, läßt sich der Kapazitätswert über die Höhe der Sperrspannung einstellen. Spannungsgesteuerte Kapazität. PSN und PIN-Diode Diese Dioden sind moderne technologische Realisierung von Gleichtrichterdioden insbesondere im Bereich hoher Leistungen. Sie weisen eine Verbesserung des Verhältnisses von Sperr- zu Durchlasswiderstand bei gleichzeitig hohen zulässigen Sperrspannungen auf. Dies wird durch eine sehr schwach dotierte S-Schicht oder durch in nicht-dotierte, sog. intrinsisch leitende, I-Schicht zwischen den PN Zonen erreicht. Hochleistungs- Gleichrichterdioden. ƒ36

37 Spezialdioden SCHOTTKY-Diode Metall-Halbleiter-Übergänge (Randschichttheorie nach W. Schottky, 1938) haben große Bedeutung für Halbleiterbauelemente. Beispiel Metall / N-Halbleiter - Kontakt: a) W AM > W AH W AM... Austrittsarbeit der Metallelektronen W AH... Austrittsarbeit der Elektronen des N-Halbleiters Ausbildung einer Majoritätsladungträger-Verarmungsrandschicht durch Diffusion wie beim PN-Übergang. Je nach Polarität einer außen angelegten Spannung kann dies ausgedehnt (Sperrichtung), oder zum Verschwinden (Durchlassrichtung) gebracht werden. Schottky-Dioden haben kurze Schalt- und Speicherzeiten. Schnelle Schaltdioden- und HF- Gleichricheranwendungen. Die Metall-Halbleiterdiode ist das äteste Diodenprinzip überhaupt. (Kristalldetektor von K.F. Braun 1847) ƒ37

38 Spezialdioden b) W AM > W AH Es entsteht keine Verarmungs- sondern eine Anreicherungsrandschicht. Dies entspricht einem nichtsperrenden (ohmschen) Kontakt. Tunnel-Diode Sehr hohe Dotierung des P- und N-Gebietes sehr schmale Verarmungsgrenzschicht hohe quantenmechanische Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen diesen Potentialwall durchtunneln (ESAKI 1957). Derartige Dioden zeigen praktisch keinen Sperreffekt (ZENER-Effekt bereits bei extrem niedrigen Sperrspannungen). Die Durchlasskennlinie derartiger Dioden, durchläuft einen Bereich mit negativem differentiellen Widerstand. Da das Durchtunneln der Potentialbarriere mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, gilt der durch den Tunnel-Effekt bestimmte Verlauf der Kennlinie bis zu sehr hohen Frequenzen (10 GHz). Die Tunnel-Diode zählt damit eigentlich bereits zu den aktiven Bauelementen. Entdämpfung von Schwingkreisen. ƒ38