Grundlagen der Elektrotechnik II

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1 Grundlagen der Elektrotechnik II SS tet.ee.tu berlin.de/lehre/grundlagen ET 2/ N N S + S & Manfred Filtz filtz@tetibm1.ee.tu berlin.de Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 1

2 Halbleitermaterialien Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente: Hauptgruppen II III IV V VI Periode ,0 10,8 12,0 14,0 16,0 Be B C N O ,3 27,0 28,1 31,0 32,1 Mg Al Si P S ,1 69,7 72,6 74,9 79,0 Ca ,6 114,8 118,7 121,8 127, , ,4 Ba Tl Pb Bi Po 56 Ga Ge ,2 As ,0 209 Se Sr In Sn Sb Te Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 2

3 Halbleitermaterialien Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente: Hauptgruppen II III IV V VI Periode ,0 10,8 12,0 14,0 16,0 Be B C N O ,3 27,0 28,1 31,0 32,1 Mg Al Si P S ,1 69,7 72,6 74,9 79,0 Ca ,6 114,8 118,7 121,8 127, , ,4 Ba Tl Pb Bi Po 56 Ga Ge ,2 As ,0 209 Se Sr In Sn Sb Te Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 2

4 Halbleitermaterialien Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente: Periode II Hauptgruppen 9,0 10,8 12,0 14,0 16,0 Be B C N O Ca ,6 114,8 118,7 121,8 127, , ,4 Ba Tl Pb Bi Po 56 III IV ,2 V VI ,3 27,0 28,1 31,0 32,1 Mg Al Si P S ,1 69,7 72,6 74,9 79,0 Ga Ge As ,0 209 Se Sr In Sn Sb Te Spez. Widerstand von Silizium bei 20 o C: Si 625 Ωm Stark temperaturabh.! (T ) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 2

5 Halbleitermaterialien Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente: Periode II Hauptgruppen 9,0 10,8 12,0 14,0 16,0 Be B C N O Ca ,6 114,8 118,7 121,8 127, , ,4 Ba Tl Pb Bi Po 56 III IV ,2 V VI ,3 27,0 28,1 31,0 32,1 Mg Al Si P S ,1 69,7 72,6 74,9 79,0 Ga Ge As ,0 209 Se Sr In Sn Sb Te Spez. Widerstand von Silizium bei 20 o C: Si 625 Ωm Stark temperaturabh.! (T ) Zum Vergleich Kupfer: Cu Ωm Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 2

6 Silizium-Kristall Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 3

7 Silizium-Kristall (zweidim. Darstellung) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 4

8 Dotierung mit Phosphor Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 5

9 Dotierung mit Phosphor Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 5

10 Dotierung mit Phosphor Si Si Si Si Si Eingebautes Phosphoratom als Donator n-leitfähigkeit Si P Si Si Si Si Si Si überschüssiges Valenzelektron Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 5

11 Dotierung mit Phosphor Si Si Si Eingebautes Phosphoratom als Donator n-leitfähigkeit Si Si Schwache Dotierung: (1 P-Atom auf 10 7 Si-Atome): Si P Si 5 Ωm Si Si Si Si Si überschüssiges Valenzelektron Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 5

12 Dotierung mit Phosphor Si Si Si Eingebautes Phosphoratom als Donator n-leitfähigkeit Si Si Schwache Dotierung: (1 P-Atom auf 10 7 Si-Atome): Si P Si 5 Ωm Si Si Starke Dotierung: (1 P-Atom auf 10 4 Si-Atome): Si Si Si 0.03 Ωm überschüssiges Valenzelektron Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 5

13 Dotierung mit Aluminium Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 6

14 Dotierung mit Aluminium Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 6

15 Dotierung mit Aluminium Si Si Si Si Si Eingebautes Aluminiumatom als Akzeptor p-leitfähigkeit Si Al Si Si Si Si Si Si fehlendes Valenzelektron = Loch Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 6

16 Dotierung mit Aluminium Si Si Si Eingebautes Aluminiumatom als Akzeptor p-leitfähigkeit Si Si Schwache Dotierung: (1 Al-Atom auf 10 6 Si-Atome) Si Al Si 2 Ωm Si Si Si Si Si fehlendes Valenzelektron = Loch Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 6

17 Dotierung mit Aluminium Si Si Si Eingebautes Aluminiumatom als Akzeptor p-leitfähigkeit Si Si Schwache Dotierung: (1 Al-Atom auf 10 6 Si-Atome) Si Al Si 2 Ωm Si Si Starke Dotierung: (1 Al-Atom auf 10 4 Si-Atome) Si Si Si 0.05 Ωm fehlendes Valenzelektron = Loch Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 6

18 pn-übergang p Kristall n Kristall Loch Elektron Als pn-übergang bezeichnet man ein Gebiet, in dem ein p-leitendes Material und ein n-leitendes Material aneinandergrenzen. Dabei verändert sich das physikalische Verhalten bei Berührung der beiden Materialien ganz erheblich. Es entsteht eine Halbleiterdiode. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 7

19 pn-übergang ohne äußere Spannung p Kristall n Kristall Loch Elektron Bei Berührung beider Materialien diffundieren Elektronen aus dem n- Gebiet in das p-gebiet und rekombinieren dort mit Löchern. Umgekehrt diffundieren aus dem p-gebiet Löcher in das n-gebiet und rekombinieren dort mit freien Elektronen. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 8

20 pn-übergang ohne äußere Spannung p Kristall E n Kristall Sperrschicht Loch Elektron Durch die Diffusion freier Ladungsträger verbleiben im n-gebiet positive Donator-Ionen und im p-gebiet negative Akzeptor-Ionen. Das elektrische Feld dieser Ionen wirkt dem Diffusionsprozeß entgegen. Im Gleichgewicht bildet sich eine Sperrschicht aus, über der die Diffusionsspannung U D abfällt (U D V bei Silizium). Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 9

21 pn-übergang mit äußerer Spannung p Kristall E n Kristall Sperrschicht Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 10

22 pn-übergang mit äußerer Spannung p Kristall E n Kristall Sperrschicht Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Sperr-Richtung (Pluspol an n, Minuspol an p) wird das Feld in der Sperrschicht verstärkt die Sperrschicht vergrößert sich der pn-übergang sperrt! Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 10

23 pn-übergang mit äußerer Spannung p Kristall E n Kristall Sperrschicht Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 11

24 pn-übergang mit äußerer Spannung p Kristall n Kristall U > U D Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Durchlaß-Richtung (Pluspol an p, Minuspol an n) wird die Sperrschicht von Ladungsträgern überschwemmt die Sperrschicht verschwindet für U > U D Stromfluß! Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 11

25 Halbleiterdiode P n Markierungsring für die Kathode Schaltsymbol: Anode Kathode Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 12

26 Halbleiterdiode I F Durchlaß bereich P n 1 A I F U S 1V U F U F Markierungsring für die Kathode Schaltsymbol: Anode Kathode Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 12

27 Halbleiterdiode I F Durchlaß bereich P n 1 A I F U R 100V Sperr bereich I R 1 µ A U S 1V U F U F Markierungsring für die Kathode Schaltsymbol: U R I R Anode Kathode Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 12

28 Halbleiterdiode I F unzulässig I FM Durchlaß bereich P n 1 A I F U R unzulässig U RM 100V Sperr bereich I R 1 µ A U S 1V U F U F Markierungsring für die Kathode Schaltsymbol: U R I R Anode Kathode Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 12

29 Diodenmodelle Sperr bereich I Durchlaß bereich U Sperrstrom = 0 Durchlaßspannung = 0 keine Verlustleistung Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 13

30 Diodenmodelle Sperr bereich I Durchlaß bereich Sperr bereich I Durchlaß bereich i U U U S u Sperrstrom = 0 Durchlaßspannung = 0 keine Verlustleistung Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 13

31 Diodenmodelle Sperr bereich I Durchlaß bereich Sperr bereich I Durchlaß bereich i U U U S u Sperrstrom = 0 Durchlaßspannung = 0 keine Verlustleistung Schwellspannung U S 0.8 V Differentieller Widerstand: r D = u i Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 13

32 Einwegschaltung Gleichrichtung einer Wechselspannung mit Hilfe einer Diode (als ideal angenommen): U g u R (t) U R u R t u (t) U : Effektivwert der Wechselspannung Mittelwert von u R (t): U g = 0.45 U Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 14

33 Zweiwegbrückenschaltung Gleichrichtung einer Wechselspannung mit Hilfe einer Diodenbrückenschaltung (Dioden als ideal angenommen): + U u R Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 15

36 Zweiwegbrückenschaltung Gleichrichtung einer Wechselspannung mit Hilfe einer Diodenbrückenschaltung (Dioden als ideal angenommen): + u R (t) U u R u (t) t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 15

37 Zweiwegbrückenschaltung Gleichrichtung einer Wechselspannung mit Hilfe einer Diodenbrückenschaltung (Dioden als ideal angenommen): U + U g u R u R (t) u (t) t U : Effektivwert der Wechselspannung Mittelwert von u R (t): U g = 0.9 U Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 15

38 Zweiwegschaltung mit Glättungskondensator Mit einem Tiefpaß läßt sich die Spannung am Ausgang der Zweiwegbrückenschaltung glätten: u a u g R C u a U g R a 1 2 u g 1 Kondensator wird aufgeladen t 2 Entladevorgang Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 16

39 Drehstrombrückenschaltung Gleichrichtung einer dreiphasigen Wechselspannung mit Hilfe einer Diodenbrückenschaltung (Dioden als ideal angenommen): 3 U u R U g T/6 u R (t) u (t) t U : Effektivwert der Wechselspannung Mittelwert von u R (t): U g = 1.35 U Anwendung: Drehstromlichtmaschine in Kraftfahrzeugen Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 17

40 Dioden für spezielle Anwendungen Für Halbleiterdioden existieren neben dem Einsatz als Gleichrichterbauteil zahlreiche weitere Spezialanwendungen: Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 18

41 Dioden für spezielle Anwendungen Für Halbleiterdioden existieren neben dem Einsatz als Gleichrichterbauteil zahlreiche weitere Spezialanwendungen: Zenerdiode Wird in Sperr-Richtung betrieben. Ist so konstruiert, daß sie beim Überschreiten der Durchbruchspannung nicht zerstört wird. Die sog. Zenerspannung, bei der der Durchbruch stattfindet, liegt bei V. Anwendung: Spannungsstabilisierung. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 18

42 Dioden für spezielle Anwendungen Für Halbleiterdioden existieren neben dem Einsatz als Gleichrichterbauteil zahlreiche weitere Spezialanwendungen: Zenerdiode Wird in Sperr-Richtung betrieben. Ist so konstruiert, daß sie beim Überschreiten der Durchbruchspannung nicht zerstört wird. Die sog. Zenerspannung, bei der der Durchbruch stattfindet, liegt bei V. Anwendung: Spannungsstabilisierung. Kapazitätsdiode Wird in Sperr-Richtung aber unterhalb des Durchbruchs betrieben. Durch Änderung der Spannung ändert sich die Breite der Sperrschicht und damit die Kapazität des pn- Übergangs. Anwendung: Abstimmung von Schwingkreisen. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 18

43 Lumineszenzdiode (LED) Durch Rekombination von freien Elektronen und Löchern am pn-übergang einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diode wird die frei werdende Energie in Form von Lichtquanten abgegeben. p n + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 19

44 Lumineszenzdiode (LED) Durch Rekombination von freien Elektronen und Löchern am pn-übergang einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diode wird die frei werdende Energie in Form von Lichtquanten abgegeben. p n Die Kristallart und Dotierung bestimmen die Farbe des Lichtes. + GaAs infrarot GaAsP rot bis gelb GaP mit Zink u. Sauerstoffdotierung rot GaP mit Stickstoffdotierung grün und gelb Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 19

45 Fotodiode Einfallendes Licht löst Elektronen aus der Gitterbindung zusätzliche freie Elektronen und Löcher, die zur Sperrschicht wandern und den Sperrstrom (=Fotostrom) eines in Sperr-Richtung betriebenen pn-übergangs proportional zur Lichtintensität erhöhen: Sperrschicht Licht I Foto p + n Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 20

46 Fotodiode Einfallendes Licht löst Elektronen aus der Gitterbindung zusätzliche freie Elektronen und Löcher, die zur Sperrschicht wandern und den Sperrstrom (=Fotostrom) eines in Sperr-Richtung betriebenen pn-übergangs proportional zur Lichtintensität erhöhen: Sperrschicht Licht I Foto Anwendungen: Lichtmessung (z.b. Fotografie), Lichtschranken, Fernsteuerung mit Infrarotstrahlung u.s.w. p + n Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 20

47 Fotoelement Arbeitet im Gegensatz zur Fotodiode ohne äußere Spannung. Durch Lichteinfall erzeugte Elektronen und Löcher werden durch das innere Feld der Sperrschicht getrennt Fotostrom Sperrschicht Licht + I Foto p n Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 21

48 Fotoelement Arbeitet im Gegensatz zur Fotodiode ohne äußere Spannung. Durch Lichteinfall erzeugte Elektronen und Löcher werden durch das innere Feld der Sperrschicht getrennt Fotostrom Sperrschicht Licht + I Foto p n Solarzelle=Silizium-Fotoelement. (4 cm 2 liefern etwa 60 mw) Erzeugung elektrischer Energie mit einem Wirkungsgrad von nahe 20%. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 21

49 Optokoppler Wie beim Relais (nur ohne mechanische Abnutzung) läßt sich mit Hilfe eines Optokopplers eine galvanische Trennung zweier Stromkreise erreichen: LED Foto Empfänger Infrarote Strahlung GaAs Si Kunststoff Eingangsstrom Ausgangsstrom Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 22

50 Bardeen, Shockley & Brattain Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 23

51 Bardeen, Shockley & Brattain William B. Shockley Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 23

52 Bardeen, Shockley & Brattain John Bardeen William B. Shockley Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 23

53 Bardeen, Shockley & Brattain Walter H. Brattain John Bardeen William B. Shockley Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 23

54 Transistor Nr. 1 (Dezember 1947) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 24

55 Aus dem Laborbuch der Bell Labs 1947 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 25

57 Aus dem Laborbuch der Bell Labs 1947 I g I p Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 26

58 Aus dem Laborbuch der Bell Labs 1947 I g I p Punktkontakttransistor Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 26

60 Aus dem Laborbuch der Bell Labs 1947 R.M.S = Root Mean Square =Effektivwert!, P = U eff I eff Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 27

61 Aus dem Laborbuch der Bell Labs 1947 R.M.S = Root Mean Square =Effektivwert!, P = U eff I eff P p P g = E p I p E g I g = 40, E p E g = 100 I p I g = = Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 27

62 Transistor (Schaltsymbole) E B n p n C B C NPN Transistor E B E C Basis Emitter Kollektor Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 28

63 Transistor (Schaltsymbole) E B n p n C B C E B p n p C B C NPN Transistor E PNP Transistor E B E C Basis Emitter Kollektor Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 28

64 Transistor (Schaltsymbole) E B n p n C B C E B p n p C B C NPN Transistor E PNP Transistor E U CB I C B E C Basis Emitter Kollektor I B U BE B C E I E U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 28

65 Transistor (Schaltsymbole) E B n p n C B C E B p n p C B C NPN Transistor E PNP Transistor E U CB I C B E C Basis Emitter Kollektor I B U BE B C E I E U CE Die folgenden Betrachtungen beschränken sich auf NPN-Transistoren. Bei PNP-Transistoren sind lediglich die Vorzeichen sämtlicher Ströme und Spannungen umzukehren. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 28

66 Funktionsprinzip eines Transistors C I C 0 B R a E 24 V + Transistor mit I B = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 29

67 Funktionsprinzip eines Transistors C C I C 0 I C B R a I B B UCE R a E + R B + U BE 24 V 0-5 V E 24 V + Transistor mit I B = 0 Transistor mit I B > 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 29

68 Funktionsprinzip eines Transistors C C I C 0 I C B R a I B B UCE R a E + R B + U BE 24 V 0-5 V E 24 V + Transistor mit I B = 0 Transistor mit I B > 0 I B > 0 Basis-Emitter-Diode durchlässig ca. 99% der Elektronen "rutschen" dabei vom Emitter zum Kollektor durch, der kleine Rest bleibt in der dünnen Basis hängen und fließt über R B ab ein kleiner Strom I B bewirkt einen hohen Ausgangsstrom I C. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 29

69 Kennlinien eines Transistors R B I B R C I C U CE U 2 U 1 U BE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 30

70 Kennlinien eines Transistors R B R C I C I B U CE U 2 U 1 U BE I B U S U BE Eingangskennlinie (Diodenkennlinie) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 30

71 Kennlinien eines Transistors Ausgangskennlinien: R B I B R C I C U CE U 2 U CB = 0 I B = const. U 1 U BE I C I B I B I B = 0 U CE U S U BE Eingangskennlinie (Diodenkennlinie) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 30

72 Grundschaltungen eines Transistors Emitterschaltung + + E Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 31

73 Grundschaltungen eines Transistors Emitterschaltung + Kollektorschaltung + E + + C Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 31

74 Grundschaltungen eines Transistors Emitterschaltung + Kollektorschaltung + E + + C Basisschaltung + + B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 31

75 Transistor als Verstärker I C I B R C + U CE + U B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 32

76 Transistor als Verstärker I C I C /ma I B R C I B + U CE + U B µa 50 µa 25 µa I B = 0 U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 32

77 Transistor als Verstärker I C I C /ma I B R C U B /R C Arbeitsgerade I B + U CE + U B Arbeitspunkt 75 µa 50 µa 25 µa I B = 0 U CE U B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 32

78 Transistor als Verstärker I C I C /ma I B + I B R C U B /R C Arbeitsgerade I B + 25 µa I B U CE + U B t Arbeitspunkt 75 µa 50 µa 25 µa I B = 0 U CE U B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 32

79 Transistor als Verstärker I C + I C I C /ma I B + I B R C U B /R C Arbeitsgerade I B + 25 µa I B U CE + U B t I C Arbeitspunkt 75 µa 50 µa 25 µa I B = 0 5 ma I C U CE U B t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 32

80 Transistor als Verstärker I C + I C I C /ma I B + I B R C U B /R C Arbeitsgerade I B + 25 µa I B U CE + U CE + U B t I C Arbeitspunkt 75 µa 50 µa 25 µa I B = 0 5 ma I C U CE U B U CE t invertiert zum Eingang U CE t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 32

81 Einstellen des Arbeitspunktes des Transistors Basisspannungsteiler: I C + R 1 R C I 1 I B U e R 2 U a I 1 > 10 I B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 33

82 Einstellen des Arbeitspunktes des Transistors Basisspannungsteiler: Gegenkopplung: + I C + R C1 I C R 1 R C R 1 R C2 I 1 I B I B U e R 2 U a U e R 2 U a I 1 > 10 I B T I B I C U RC1 I B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 33

83 Transistor als Schalter idealer Schalter: S U I U S R L S geschlossen U S = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 34

84 Transistor als Schalter idealer Schalter: S U I U S R L S geschlossen U S = 0 S offen I = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 34

85 Transistor als Schalter I B = const. I C idealer Schalter: S I B U I U S R L I B = 0 U CE S geschlossen U S = 0 S offen I = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 34

86 Transistor als Schalter I B = const. I C A ein idealer Schalter: S I B U I U S R L I B = 0 U CE U CE 0 für A ein S geschlossen U S = 0 S offen I = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 34

87 Transistor als Schalter I B = const. I C A ein idealer Schalter: S I B U I U S R L I B = 0 A aus U CE U CE 0 für A ein I C 0 für A aus S geschlossen U S = 0 S offen I = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 34

88 Elektrisch gesteuertes Relais S 1 U 0 R p I st U st S2 I L R L + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

89 Elektrisch gesteuertes Relais U st U 0 t S 1 U 0 R p I st U st S2 I L R L + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

90 Elektrisch gesteuertes Relais U st U 0 I st S 2 ein t S 1 I st I L τ ET t S2 U 0 R p U st R L + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

91 Elektrisch gesteuertes Relais U st U 0 I st S 2 ein t S 1 U 0 R p I st U st S2 I L R L I L τ ET 0.9 I max t + τ E t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

92 Elektrisch gesteuertes Relais U st U 0 I st S 2 ein t S 1 U 0 R p I st U st S2 I L R L I L τ ET 0.9 I max t + τ E t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

93 Elektrisch gesteuertes Relais U st U 0 I st S 2 ein t S 2 aus S 1 I st I L τ ET τ AT t S2 I L 0.9 I max U 0 R p U st R L + τ E t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

94 Elektrisch gesteuertes Relais U st U 0 I st S 2 ein t S 2 aus S 1 I st I L τ ET τ AT t S2 I L U 0 R p U st R L + τ E 0.9 I max 0.1 I max τ A t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

95 Elektrisch gesteuertes Relais Verzögerungszeiten: U st τ ET, τ AT : τ E : τ A : Totzeiten Einschaltzeit bis zum Erreichen von 0.9 I max Ausschaltzeit bis zum Absinken auf 0.1 I max I st S 2 ein U 0 t S 2 aus S 1 I st S2 I L I L τ ET τ AT t 0.9 I max 0.1 I max U 0 R p U st R L + τ E τ A t Die Totzeiten τ ET und τ AT kommen vom verzögerten Aufbau bzw. Abbau des Magnetfeldes im Relais. Da S 2 immer auch eine Kapazität aufweist, ändert sich der Laststrom ebenfalls nicht sprungartig, d.h. es gilt für die gesamten Verzögerungszeiten τ E > τ ET und τ A > τ AT. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 35

96 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter R C I C I B + + S U BE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

97 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter I B R C I C + U BE S aus t + S U BE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

98 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter U BE S aus I B R C I C + I B t + S U BE t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

99 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter U BE S aus I B R C I C + I B t + S U BE I C 0.9 I Cmax t τ E t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

100 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter U BE I B R C I C + I B S aus S ein t + S U BE I C 0.9 I Cmax t τ E t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

101 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter U BE I B R C I C + I B S aus S ein t Ausräumstrom + S U BE I C 0.9 I Cmax t τ E t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

102 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter U BE S aus S ein I B R C I C + I B t Ausräumstrom + S U BE I C 0.9 I Cmax 0.1 I Cmax t τ E τ A t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

103 Schaltzeiten beim Transistor-Schalter U BE S aus S ein I B R C I C + I B t Ausräumstrom + S U BE I C t 0.9 I Cmax 0.1 I Cmax t τ E τ A Verzögerungszeiten: τ E : Einschaltzeit bis zum Erreichen von 0.9 I Cmax τ A : Ausschaltzeit bis zum Absinken auf 0.1 I Cmax Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 36

104 Belastbarkeit des Schalttransistors I B = const. I C IB I B = 0 U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 37

105 Belastbarkeit des Schalttransistors begrenzt durch zulässigen Kollektorstrom bei A ein, I C,zul I B = const. I C IB I B = 0 U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 37

106 Belastbarkeit des Schalttransistors begrenzt durch zulässigen Kollektorstrom bei A ein, zulässige Kollektoremitterspannung bei A aus I C,zul I B = const. I C IB U CE,zul I B = 0 U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 37

107 Belastbarkeit des Schalttransistors begrenzt durch zulässigen Kollektorstrom bei A ein, zulässige Kollektoremitterspannung bei A aus und zulässige Verlustleistung. I C,zul I B = const. Verlustleistungshyperbel: P = U CE I C I C P zul P > P zul IB I C = P U CE P < P zul U CE,zul I B = 0 U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 37

108 Belastbarkeit des Schalttransistors begrenzt durch zulässigen Kollektorstrom bei A ein, zulässige Kollektoremitterspannung bei A aus und zulässige Verlustleistung. I C,zul I B = const. Verlustleistungshyperbel: P = U CE I C I C P zul P > P zul IB I C = P U CE P < P zul U CE,zul I B = 0 U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 37

109 Schaltverhalten bei R-, RC- und RL-Belastung A ein R I C A aus U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 38

110 Schaltverhalten bei R-, RC- und RL-Belastung A ein R R I C A aus I C C U CE U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 38

111 Schaltverhalten bei R-, RC- und RL-Belastung A ein R R I C A aus I C C U CE U CE R L I C U CE Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 38

112 Schaltverhalten bei R-, RC- und RL-Belastung A ein R R I C A aus I C C U CE U CE R L I C U CE Bei induktiver oder kapazitiver Last treten andere Schaltkurven als bei rein ohmscher Last auf ( höhere Verlustleistung beachten!) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 38

113 Schutzdiode bei induktiver Last Beim Abschalten einer induktiven Last treten wegen U L = L di/dt hohe Spannungen an der Induktivität auf. I C I B U B U L + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 39

114 Schutzdiode bei induktiver Last Beim Abschalten einer induktiven Last treten wegen U L = L di/dt hohe Spannungen an der Induktivität auf. Abhilfe Schutzdiode I C I B U B U L + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 39

115 Schutzdiode bei induktiver Last Beim Abschalten einer induktiven Last treten wegen U L = L di/dt hohe Spannungen an der Induktivität auf. Abhilfe Schutzdiode I C I B Stromfluß nach dem Abschalten U B U L + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 39

116 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) D n p p G G S: Source D: Drain G: Gate S n-kanal JFET (Prinzip) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 40

117 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) D n I D p p G G U DS + S: Source D: Drain G: Gate S n-kanal JFET (Prinzip) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 40

118 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) Sperrschicht D n I D p p G G U DS U GS + S: Source D: Drain G: Gate S + n-kanal JFET (Prinzip) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 40

119 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) Ausgangskennlinien U GS = 0 V Sperrschicht D n I D 1 V p p I D 2 V U GS G G 3 V U DS 4 V U GS + S: Source D: Drain G: Gate U DS S + n-kanal JFET (Prinzip) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 40

120 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) Ausgangskennlinien U GS = 0 V Sperrschicht D n I D 1 V p p I D 2 V U GS G G 3 V U DS 4 V U GS + S: Source D: Drain G: Gate U DS S + n-kanal JFET (Prinzip) Warum wird die Sperrschicht in Richtung Drain breiter? Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 40

121 MOS-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) S G D SiO 2 n Substrat B Bulk Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 41

122 MOS-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) I D 0 S G D SiO 2 n Substrat B Bulk + U DS Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 41

123 MOS-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) + I D S U GS G D SiO 2 n Substrat E B Bulk + U DS Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 41

124 MOS-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) + I D S U GS G D SiO 2 n Substrat E Minoritätsladungsträger B Bulk + U DS Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 41

125 MOS-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) + I D S U GS G D SiO 2 n Substrat E Minoritätsladungsträger B Bulk + U DS Minoritätsladungsträger bilden für U GS < 0 unter dem Gate einen dünnen, p-leitenden Kanal I D 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 41

126 Feldeffekttransistoren (Schaltzeichen) Bisher wurde der n-kanal JFET sowie der selbstsperrende p-kanal MOS- FET behandelt. Daneben gibt es noch weitere übliche Bauformen: JFET Verarmungstyp (selbstleitend) MOSFET Anreicherungstyp (selbstsperrend) p Kanal n Kanal p Kanal n Kanal p Kanal n Kanal D D D D D D G G G B G B G B G B S S S S S S Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 42

127 Feldeffekttransistoren (Schaltzeichen) Bisher wurde der n-kanal JFET sowie der selbstsperrende p-kanal MOS- FET behandelt. Daneben gibt es noch weitere übliche Bauformen: JFET Verarmungstyp (selbstleitend) MOSFET Anreicherungstyp (selbstsperrend) p Kanal n Kanal p Kanal n Kanal p Kanal n Kanal D D D D D D G G G B G B G B G B S S S S S S Bitte für später (CMOS-NAND-Gatter) einprägen: selbstsperrender p-kanal MOSFET benötigt negative Spannung zwischen Gate und Source für geöffneten Drain-Source-Kanal. selbstsperrender n-kanal MOSFET benötigt positive Spannung zwischen Gate und Source für geöffneten Drain-Source-Kanal. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 42

128 Thyristor Der Thyristor ist ein Schalter mit einem hoch- und einem niederohmigen Zustand. Für das Umschalten von einem Zustand in den anderen ist ein Steueranschluß (Gate G) vorhanden. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 43

129 Thyristor Der Thyristor ist ein Schalter mit einem hoch- und einem niederohmigen Zustand. Für das Umschalten von einem Zustand in den anderen ist ein Steueranschluß (Gate G) vorhanden. Die Bezeichnung Thyristor stellt eine Kombination aus den Worten Thyratron (steuerbarer Röhrengleichrichter) und Transistor dar. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 43

130 Thyristor Der Thyristor ist ein Schalter mit einem hoch- und einem niederohmigen Zustand. Für das Umschalten von einem Zustand in den anderen ist ein Steueranschluß (Gate G) vorhanden. Die Bezeichnung Thyristor stellt eine Kombination aus den Worten Thyratron (steuerbarer Röhrengleichrichter) und Transistor dar. Schematischer Aufbau: G K n p n p A Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 43

131 Thyristor Der Thyristor ist ein Schalter mit einem hoch- und einem niederohmigen Zustand. Für das Umschalten von einem Zustand in den anderen ist ein Steueranschluß (Gate G) vorhanden. Die Bezeichnung Thyristor stellt eine Kombination aus den Worten Thyratron (steuerbarer Röhrengleichrichter) und Transistor dar. Schematischer Aufbau: G Schaltzeichen: Gate G K n p n p A K A Kathode Anode Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 43

132 Kennlinie eines Thyristors I A U AK U R U B U B0 I A I H I R I G Anoden-Kathodenspannung in Durchlaßrichtung Sperrspannung Blockierspannung Nullkippspannung Anodenstrom in Durchlaßrichtung Haltestrom Sperrstrom Steuerstrom (Gatestrom) I A U AK Blockierbereich I G = 0 U B0 U AK Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 44

133 Kennlinie eines Thyristors U AK U R Anoden-Kathodenspannung in Durchlaßrichtung Sperrspannung I A Durchlaßbereich (niederohmig) I A U B U B0 I A I H I R Blockierspannung Nullkippspannung Anodenstrom in Durchlaßrichtung Haltestrom Sperrstrom I H U AK Blockierbereich I G = 0 U B0 U AK I G Steuerstrom (Gatestrom) Der Thyristor zündet, wenn bei I G = 0 die Nullkippspannung U B0 erreicht ist. (Typische Werte: U B0 > 1000 V, U AK 1 V im Durchlaßbereich.) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 44

134 Kennlinie eines Thyristors U AK U R Anoden-Kathodenspannung in Durchlaßrichtung Sperrspannung I A Durchlaßbereich (niederohmig) I A U B U B0 I A I H I R Blockierspannung Nullkippspannung Anodenstrom in Durchlaßrichtung Haltestrom Sperrstrom I H I G2 U B2 U AK I G1 U B1 Blockierbereich I G = 0 U B0 U AK I G Steuerstrom (Gatestrom) Der Thyristor zündet, wenn bei I G = 0 die Nullkippspannung U B0 erreicht ist. (Typische Werte: U B0 > 1000 V, U AK 1 V im Durchlaßbereich.) Die Zündung erfolgt mit Hilfe von Zündstromimpulsen I G am Gate bereits bei kleineren Spannungen U AK < U B0. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 44

135 Kennlinie eines Thyristors U AK U R Anoden-Kathodenspannung in Durchlaßrichtung Sperrspannung I A Durchlaßbereich (niederohmig) I A U B U B0 I A I H I R Blockierspannung Nullkippspannung Anodenstrom in Durchlaßrichtung Haltestrom Sperrstrom U R Sperrbereich I R I H U AK I G2 I G1 U B2 U B1 Blockierbereich I G = 0 U B0 U AK I G Steuerstrom (Gatestrom) U R I R Der Thyristor zündet, wenn bei I G = 0 die Nullkippspannung U B0 erreicht ist. (Typische Werte: U B0 > 1000 V, U AK 1 V im Durchlaßbereich.) Die Zündung erfolgt mit Hilfe von Zündstromimpulsen I G am Gate bereits bei kleineren Spannungen U AK < U B0. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 44

136 Thyristoreffekt Man kann sich den Thyristor aus 2 gegeneinander geschalteten Transistoren zusammengesetzt vorstellen: A p n p n K Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 45

139 Thyristoreffekt Man kann sich den Thyristor aus 2 gegeneinander geschalteten Transistoren zusammengesetzt vorstellen: A p n p n p n K Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 45

140 Thyristoreffekt Man kann sich den Thyristor aus 2 gegeneinander geschalteten Transistoren zusammengesetzt vorstellen: A p n p n p n K Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 45

141 Thyristoreffekt Man kann sich den Thyristor aus 2 gegeneinander geschalteten Transistoren zusammengesetzt vorstellen: A + p T 1 I B1 0 n p n p n pnp I B2 0 T 2 npn K Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 45

142 Thyristoreffekt Man kann sich den Thyristor aus 2 gegeneinander geschalteten Transistoren zusammengesetzt vorstellen: A + p T 1 I B1 = I C2 n p n p pnp I G I B2 0 n T 2 npn K Gatestromimpuls Die Transistoren steuern sich gegenseitig auf (der Thyristor "zündet") Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 45

143 Phasenanschnittsteuerung u Ra Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 46

144 Phasenanschnittsteuerung u ωt u Ra Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 46

145 Phasenanschnittsteuerung Steuerimpulse u ωt i G i G u R a Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 46

146 Phasenanschnittsteuerung Steuerimpulse i A u i G ωt i G i A u R a α 0 < α < 180 o Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 46

147 Phasenanschnittsteuerung Steuerimpulse i A u i G ωt u AK i G i A u R a α u AK 0 < α < 180 o ωt Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 46

148 Thyristorbrückenschaltung Beispiel: Ansteuerung eines Gleichstrommotors Thyristor Diode Drossel (zur Glättung) M Motor Thyristor Diode Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 47

152 Thyristorbrückenschaltung Beispiel: Ansteuerung eines Gleichstrommotors Thyristor Diode Drossel (zur Glättung) M Motor Thyristor Diode Da jeweils nur ein Ventil einen Steuerimpuls benötigt, konnten anstelle von Thyristoren 2 Dioden eingesetzt werden halbgesteuerte Einphasenbrückenschaltung. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 47

153 Wechselstromsteller (Triac) Zur Leistungssteuerung von Wechselstrom können zwei Thyristoren antiparallel geschaltet werden: i R L Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 48

154 Wechselstromsteller (Triac) Zur Leistungssteuerung von Wechselstrom können zwei Thyristoren antiparallel geschaltet werden: i i R L t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 48

155 Wechselstromsteller (Triac) Zur Leistungssteuerung von Wechselstrom können zwei Thyristoren antiparallel geschaltet werden: i i R L t Zusammenfassung beider Thyristoren auf einem Kristall Triac A 2 G A 1 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 48

156 Wechselstromsteller (Triac) Zur Leistungssteuerung von Wechselstrom können zwei Thyristoren antiparallel geschaltet werden: i i R L t Zusammenfassung beider Thyristoren auf einem Kristall Triac A 2 G A 1 Anwendung im Haushalt: Dimmer, Drehzahlsteuerung kleiner Wechselstrommotore Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 48

157 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

158 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Herstellung in einem gemeinsamen Fertigungsprozeß Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

159 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Herstellung in einem gemeinsamen Fertigungsprozeß Realisierung v. Dioden, Transistoren, Kondensatoren (keine Spulen) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

160 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Herstellung in einem gemeinsamen Fertigungsprozeß Realisierung v. Dioden, Transistoren, Kondensatoren (keine Spulen) jedes Bauelement befindet sich in einer n-dotierten Wanne, die in das p-dotierte Substrat eingelassen ist. Am Substrat liegt das negativste Potential der Schaltung an pn-übergänge Wanne/Substrat sperren Bauelemente voneinander isoliert Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

161 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Herstellung in einem gemeinsamen Fertigungsprozeß Realisierung v. Dioden, Transistoren, Kondensatoren (keine Spulen) jedes Bauelement befindet sich in einer n-dotierten Wanne, die in das p-dotierte Substrat eingelassen ist. Am Substrat liegt das negativste Potential der Schaltung an pn-übergänge Wanne/Substrat sperren Bauelemente voneinander isoliert Anfang 60 er Jahre: einige Dutzend Transistoren pro Chip SSI = Small Scale Integration Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

162 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Herstellung in einem gemeinsamen Fertigungsprozeß Realisierung v. Dioden, Transistoren, Kondensatoren (keine Spulen) jedes Bauelement befindet sich in einer n-dotierten Wanne, die in das p-dotierte Substrat eingelassen ist. Am Substrat liegt das negativste Potential der Schaltung an pn-übergänge Wanne/Substrat sperren Bauelemente voneinander isoliert Anfang 60 er Jahre: einige Dutzend Transistoren pro Chip SSI = Small Scale Integration Anfang 70 er Jahre: einige 1000 Transistoren pro Chip LSI = Large Scale Integration Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

163 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Herstellung in einem gemeinsamen Fertigungsprozeß Realisierung v. Dioden, Transistoren, Kondensatoren (keine Spulen) jedes Bauelement befindet sich in einer n-dotierten Wanne, die in das p-dotierte Substrat eingelassen ist. Am Substrat liegt das negativste Potential der Schaltung an pn-übergänge Wanne/Substrat sperren Bauelemente voneinander isoliert Anfang 60 er Jahre: einige Dutzend Transistoren pro Chip SSI = Small Scale Integration Anfang 70 er Jahre: einige 1000 Transistoren pro Chip LSI = Large Scale Integration Anfang 80 er Jahre: einige Transistoren pro Chip VLSI = Very Large Scale Integration Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

164 Integrierte Schaltkreise (IC) alle Schaltungselemente u. Verbindungen befinden sich bei einem monolithischen IC auf einem einkristallinen Si-Plättchen (Chip) Herstellung in einem gemeinsamen Fertigungsprozeß Realisierung v. Dioden, Transistoren, Kondensatoren (keine Spulen) jedes Bauelement befindet sich in einer n-dotierten Wanne, die in das p-dotierte Substrat eingelassen ist. Am Substrat liegt das negativste Potential der Schaltung an pn-übergänge Wanne/Substrat sperren Bauelemente voneinander isoliert Anfang 60 er Jahre: einige Dutzend Transistoren pro Chip SSI = Small Scale Integration Anfang 70 er Jahre: einige 1000 Transistoren pro Chip LSI = Large Scale Integration Anfang 80 er Jahre: einige Transistoren pro Chip VLSI = Very Large Scale Integration 2005: 1 Milliarde Transistoren in Speicherchips auf einer Fläche von weniger als 1 cm 2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 49

165 Herstellungsprozeß integrierter Schaltkreise Grob umrissen kann man sich die Herstellung integrierter Schaltkreise wie folgt vorstellen: Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 50

166 Herstellungsprozeß integrierter Schaltkreise Grob umrissen kann man sich die Herstellung integrierter Schaltkreise wie folgt vorstellen: aus hochreiner Siliziumschmelze wird einkristalliner Zylinder gezogen Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 50

167 Herstellungsprozeß integrierter Schaltkreise Grob umrissen kann man sich die Herstellung integrierter Schaltkreise wie folgt vorstellen: aus hochreiner Siliziumschmelze wird einkristalliner Zylinder gezogen Zylinder wird in Wafer zersägt ( mm dicke Scheiben), Durchmesser: 150, 200 oder 300 mm Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 50

168 Herstellungsprozeß integrierter Schaltkreise Grob umrissen kann man sich die Herstellung integrierter Schaltkreise wie folgt vorstellen: aus hochreiner Siliziumschmelze wird einkristalliner Zylinder gezogen Zylinder wird in Wafer zersägt ( mm dicke Scheiben), Durchmesser: 150, 200 oder 300 mm Oberflächenunebenheiten wenige nm Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 50

169 Herstellungsprozeß integrierter Schaltkreise Grob umrissen kann man sich die Herstellung integrierter Schaltkreise wie folgt vorstellen: aus hochreiner Siliziumschmelze wird einkristalliner Zylinder gezogen Zylinder wird in Wafer zersägt ( mm dicke Scheiben), Durchmesser: 150, 200 oder 300 mm Oberflächenunebenheiten wenige nm Erzeugen der Struktur mittels verschiedener Ätz-, Dotier-, und Abscheideprozesse (Dotierung der Halbleiter erfolgt durch Diffusion oder Ionenimplantation, d.h. Beschuß mit geladenen Teilchen) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 50

170 Herstellungsprozeß integrierter Schaltkreise Grob umrissen kann man sich die Herstellung integrierter Schaltkreise wie folgt vorstellen: aus hochreiner Siliziumschmelze wird einkristalliner Zylinder gezogen Zylinder wird in Wafer zersägt ( mm dicke Scheiben), Durchmesser: 150, 200 oder 300 mm Oberflächenunebenheiten wenige nm Erzeugen der Struktur mittels verschiedener Ätz-, Dotier-, und Abscheideprozesse (Dotierung der Halbleiter erfolgt durch Diffusion oder Ionenimplantation, d.h. Beschuß mit geladenen Teilchen) Fertigung in sogenannten Reinräumen mit extrem geringer Dichte von Staubteilchen (selbst Partikel mit Abmessungen von 0.1 µm können zum Ausfall eines Schaltkreises führen!) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 50

171 Einfacher, bipolarer, integrierter Schaltkreis Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 51

172 Einfacher, bipolarer, integrierter Schaltkreis 3 Realisierung des gegebenen Schaltkreises auf einem Silizium-Chip: Al SiO 2 n+ n p n+ n+ p n n Kondensator Transistor Widerstand p Substrat Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 51

173 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

174 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Entwicklung des Operationsverstärkers während des 2. Weltkrieges auf Röhrenbasis (hauptsächlich für Geschützsteuerungen) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

175 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Entwicklung des Operationsverstärkers während des 2. Weltkrieges auf Röhrenbasis (hauptsächlich für Geschützsteuerungen) 1962 Fertigung des ersten OPV auf einem einzigen Chip Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

176 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Entwicklung des Operationsverstärkers während des 2. Weltkrieges auf Röhrenbasis (hauptsächlich für Geschützsteuerungen) 1962 Fertigung des ersten OPV auf einem einzigen Chip linearer Gleich- und Wechselspannungsverstärker mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

177 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Entwicklung des Operationsverstärkers während des 2. Weltkrieges auf Röhrenbasis (hauptsächlich für Geschützsteuerungen) 1962 Fertigung des ersten OPV auf einem einzigen Chip linearer Gleich- und Wechselspannungsverstärker mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite Eingangsstufe ist ein Differenzverstärker mit invertierendem Eingang E 1 und nicht invertierendem Eingang E 2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

178 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Entwicklung des Operationsverstärkers während des 2. Weltkrieges auf Röhrenbasis (hauptsächlich für Geschützsteuerungen) 1962 Fertigung des ersten OPV auf einem einzigen Chip linearer Gleich- und Wechselspannungsverstärker mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite Eingangsstufe ist ein Differenzverstärker mit invertierendem Eingang E 1 und nicht invertierendem Eingang E 2 es folgt eine weitere Stufe mit Frequenzgangskompensation (damit der OPV stabil ist und nicht schwingt), eine Kurzschlußsicherung und schließlich ein Gegentaktendverstärker Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

179 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Entwicklung des Operationsverstärkers während des 2. Weltkrieges auf Röhrenbasis (hauptsächlich für Geschützsteuerungen) 1962 Fertigung des ersten OPV auf einem einzigen Chip linearer Gleich- und Wechselspannungsverstärker mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite Eingangsstufe ist ein Differenzverstärker mit invertierendem Eingang E 1 und nicht invertierendem Eingang E 2 es folgt eine weitere Stufe mit Frequenzgangskompensation (damit der OPV stabil ist und nicht schwingt), eine Kurzschlußsicherung und schließlich ein Gegentaktendverstärker Spannungsversorgung meist mit zwei Quellen ±U B (es gibt aber inzwischen auch Typen, die nur mit einer Quelle auskommen) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

180 Operationsverstärker (OPV) Namensgebung aus der Zeit der Analogrechner, bei denen mit OPV s Berechnungen ( Operationen ) durchgeführt wurden Entwicklung des Operationsverstärkers während des 2. Weltkrieges auf Röhrenbasis (hauptsächlich für Geschützsteuerungen) 1962 Fertigung des ersten OPV auf einem einzigen Chip linearer Gleich- und Wechselspannungsverstärker mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite Eingangsstufe ist ein Differenzverstärker mit invertierendem Eingang E 1 und nicht invertierendem Eingang E 2 es folgt eine weitere Stufe mit Frequenzgangskompensation (damit der OPV stabil ist und nicht schwingt), eine Kurzschlußsicherung und schließlich ein Gegentaktendverstärker Spannungsversorgung meist mit zwei Quellen ±U B (es gibt aber inzwischen auch Typen, die nur mit einer Quelle auskommen) vielseitige Verwendbarkeit in der Meß-, Regel- und Verstärkertechnik Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 52

181 Operationsverstärker, Schaltsymbol E 1 U E1 E 2 U U E2 + U A A R A Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 53

182 Operationsverstärker, Schaltsymbol E 1 U E1 E 2 U U E2 + U A A R A Leerlaufverstärkung: V 0 = U A U E2 U E1 = U A U Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 53

183 Operationsverstärker, Schaltsymbol Kennlinie E 1 U E1 E 2 U U E2 + U A A R A U A U Amax U lin. Verstärkung Leerlaufverstärkung: V 0 = U A U E2 U E1 = U A U Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 53

184 Operationsverstärker, Schaltsymbol Kennlinie E 1 U E1 E 2 U U E2 + U A A R A U A U Amax U lin. Verstärkung Leerlaufverstärkung: V 0 Frequenzgang V 0 = U A U E2 U E1 = U A U ϕ 90 o 180 o f/hz Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 53

185 Innenleben des OPV LM741 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 54

186 OPV LM741 (Anschlüsse) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 55

187 OPV LM741 (Anschlüsse) Offset-Spannung: Ausgangsspannung, die bei miteinander verbundenen und auf Masse gelegten Eingängen ensteht (sollte eigentlich verschwinden, liegt aber typischerweise bei 2 mv) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 55

188 OPV LM741 (Anschlüsse) Offset-Spannung: Ausgangsspannung, die bei miteinander verbundenen und auf Masse gelegten Eingängen ensteht (sollte eigentlich verschwinden, liegt aber typischerweise bei 2 mv) Offset-Spannungskompensation über Trimmpotentiometer von 10 kω an den Anschlüssen 1 und 5. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 55

189 OPV als invertierender Verstärker U E U 1 = I 1 R 1 U 2 = I 2 R 2 I 1 R 1 I U + R 2 I 2 U A idealer OPV: V 0 U 0, I 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 56

190 OPV als invertierender Verstärker U E U 1 = I 1 R 1 U 2 = I 2 R 2 I 1 R 1 1 I U + R 2 I 2 U A idealer OPV: V 0 U 0, I 0 Kirchhoff: (1) U 1 U E = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 56

191 OPV als invertierender Verstärker U E U 1 = I 1 R 1 U 2 = I 2 R 2 I 1 R 1 1 I U + R 2 I 2 2 U A idealer OPV: V 0 U 0, I 0 Kirchhoff: (1) U 1 U E = 0 (2) U 2 U A = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 56

192 OPV als invertierender Verstärker U E U 1 = I 1 R 1 U 2 = I 2 R 2 I 1 R I U + R 2 I 2 2 U A idealer OPV: V 0 U 0, I 0 Kirchhoff: (1) U 1 U E = 0 (2) U 2 U A = 0 (3) I 1 + I 2 = 0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 56

193 OPV als invertierender Verstärker U E U 1 = I 1 R 1 U 2 = I 2 R 2 I 1 R I U + R 2 I 2 2 U A idealer OPV: V 0 U 0, I 0 Kirchhoff: (1) U 1 U E = 0 (2) U 2 U A = 0 (3) I 1 + I 2 = 0 U E = I 1 R 1 U A = I 2 R 2 I 1 = I 2 U A U E = R 2 R 1 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 56

194 OPV als Integrator U 2 U 1 = I 1 R 1 3 I C 2 I 2 U E I 1 R 1 1 U + 2 U A Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 57

195 OPV als Integrator U 2 U 1 = I 1 R 1 3 I C 2 I 2 U E I 1 R 1 1 U + 2 U A U A (t) = U A (t 1 ) 1 R 1 C 2 t t 1 U E (t) dt Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 57

196 Analogrechner RAT-740 (Telefunken 1960) Speicheroszilloskop X Y Schreiber Kabelgewirr = Rechenprogramm Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 58

197 Digitale Schaltungen, Grundbegriffe Ein analoges Signal verändert sich kontinuierlich. Um analoge Signale mit einem Computer zu verarbeiten, werden sie mit Hilfe eines ADU (Analog-Digital-Umsetzer) digitalisiert, d.h. zeitlich und amplitudenmäßig quantisiert. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 59

198 Digitale Schaltungen, Grundbegriffe Ein analoges Signal verändert sich kontinuierlich. Um analoge Signale mit einem Computer zu verarbeiten, werden sie mit Hilfe eines ADU (Analog-Digital-Umsetzer) digitalisiert, d.h. zeitlich und amplitudenmäßig quantisiert. In digitalen Schaltungen treten nur 2 binäre Zustände auf: H = High = hoher Spannungspegel L = Low = niedriger Spannungspegel Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 59

199 Digitale Schaltungen, Grundbegriffe Ein analoges Signal verändert sich kontinuierlich. Um analoge Signale mit einem Computer zu verarbeiten, werden sie mit Hilfe eines ADU (Analog-Digital-Umsetzer) digitalisiert, d.h. zeitlich und amplitudenmäßig quantisiert. In digitalen Schaltungen treten nur 2 binäre Zustände auf: H = High = hoher Spannungspegel L = Low = niedriger Spannungspegel Den binären Zuständen werden logische Zustände zugeordnet. Bei positiver Logik gilt 0=L und 1=H. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 59

200 Digitale Schaltungen, Grundbegriffe Ein analoges Signal verändert sich kontinuierlich. Um analoge Signale mit einem Computer zu verarbeiten, werden sie mit Hilfe eines ADU (Analog-Digital-Umsetzer) digitalisiert, d.h. zeitlich und amplitudenmäßig quantisiert. In digitalen Schaltungen treten nur 2 binäre Zustände auf: H = High = hoher Spannungspegel L = Low = niedriger Spannungspegel Den binären Zuständen werden logische Zustände zugeordnet. Bei positiver Logik gilt 0=L und 1=H. Ein binärer Zustand ist die kleinste Informationsmenge in einer digitalen Schaltung. Als kleinste Informationseinheit bezeichnet man das Bit (Binary Digit), dessen Wert (0 oder 1) den Zustand angibt. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 59

201 Digitale Schaltungen, Grundbegriffe Ein analoges Signal verändert sich kontinuierlich. Um analoge Signale mit einem Computer zu verarbeiten, werden sie mit Hilfe eines ADU (Analog-Digital-Umsetzer) digitalisiert, d.h. zeitlich und amplitudenmäßig quantisiert. In digitalen Schaltungen treten nur 2 binäre Zustände auf: H = High = hoher Spannungspegel L = Low = niedriger Spannungspegel Den binären Zuständen werden logische Zustände zugeordnet. Bei positiver Logik gilt 0=L und 1=H. Ein binärer Zustand ist die kleinste Informationsmenge in einer digitalen Schaltung. Als kleinste Informationseinheit bezeichnet man das Bit (Binary Digit), dessen Wert (0 oder 1) den Zustand angibt. Um mehr als 2 verschiedene Amplitudenwerte eines abgetasteten Signals darstellen zu können, müssen mehrere Bits zu einem Wort zusammengefaßt werden. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 59

202 Bits und Bytes 2 Bit-Wort 2 2 = 4 Zustände (00, 01, 10, 11) 3 Bit-Wort 2 3 = 8 Zustände 4 Bit-Wort 2 4 = 16 Zustände.. 8 Bit-Wort 2 8 = 256 Zustände. 16 Bit-Wort 2 16 = Zustände Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 60

203 Bits und Bytes 2 Bit-Wort 2 2 = 4 Zustände (00, 01, 10, 11) 3 Bit-Wort 2 3 = 8 Zustände 4 Bit-Wort 2 4 = 16 Zustände.. 8 Bit-Wort 2 8 = 256 Zustände. 16 Bit-Wort 2 16 = Zustände 1 Byte = 8 Bit 1 KibiByte (KiB) = 2 10 Byte = Byte 1 MebiByte (MiB) = 2 20 Byte = Byte 1 GibiByte (GiB) = 2 30 Byte = Byte 1 TebiByte (TiB) = 2 40 Byte = Byte Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 60

204 Dualsystem Mit einem Bitmuster (Wort) aus n Bits lassen sich 2 n Zustände beschreiben. Der binäre Code eines Bitmusters entspricht dabei der Darstellung einer Dualzahl. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 61

205 Dualsystem Mit einem Bitmuster (Wort) aus n Bits lassen sich 2 n Zustände beschreiben. Der binäre Code eines Bitmusters entspricht dabei der Darstellung einer Dualzahl. Eine Dezimalzahl hat als Basis 10 Ziffern (0, 1,... 9) und die einzelnen Stellen sind Zehnerpotenzen, z.b. 687 = Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 61

206 Dualsystem Mit einem Bitmuster (Wort) aus n Bits lassen sich 2 n Zustände beschreiben. Der binäre Code eines Bitmusters entspricht dabei der Darstellung einer Dualzahl. Eine Dezimalzahl hat als Basis 10 Ziffern (0, 1,... 9) und die einzelnen Stellen sind Zehnerpotenzen, z.b. 687 = Analog hat eine Dualzahl als Basis die beiden Ziffern 0 und 1 und die einzelnen Stellen einer Dualzahl sind Zweierpotenzen, z.b = = = = = 687 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 61

207 Hexadezimalsystem Dezimal Binär/Dual Hexadezimal A B C D E F Jeweils 4 Dualstellen bilden eine Hexadezimalstelle. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 62

208 Hexadezimalsystem Dezimal Binär/Dual Hexadezimal A B C D E F Jeweils 4 Dualstellen bilden eine Hexadezimalstelle. Beispiel: 5E Hex = = = = 94 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 62

209 Schaltnetze Ein Schaltnetz ist ein Netz aus elementaren logischen Schaltgliedern, sogenannten Gattern. Es bestimmt den logischen Ausgangszustand Y in Abhängigkeit von einem oder mehreren binären Eingangssignalen. X 1 X 2 Schaltnetz Y X n Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 63

210 Schaltnetze Ein Schaltnetz ist ein Netz aus elementaren logischen Schaltgliedern, sogenannten Gattern. Es bestimmt den logischen Ausgangszustand Y in Abhängigkeit von einem oder mehreren binären Eingangssignalen. X 1 X 2 Schaltnetz Y X n Die Funktion des Schaltnetzes geht aus der Wahrheitstabelle hervor, die theoretisch mit Hilfe der Boolschen Algebra analysiert wird. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 63

211 Schaltnetze Ein Schaltnetz ist ein Netz aus elementaren logischen Schaltgliedern, sogenannten Gattern. Es bestimmt den logischen Ausgangszustand Y in Abhängigkeit von einem oder mehreren binären Eingangssignalen. X 1 X 2 Schaltnetz Y X n Die Funktion des Schaltnetzes geht aus der Wahrheitstabelle hervor, die theoretisch mit Hilfe der Boolschen Algebra analysiert wird. Ziel der Analyse ist die Realisierung des Schaltnetzes aus elementaren Logikgattern. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 63

212 Logische Grundverknüpfungen Konjunktion AND Y = A B A B DIN US Norm veraltet & A A Y Y B B Y A B Y Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 64

213 Logische Grundverknüpfungen Konjunktion AND Disjunktion OR Y = A B Y = A B A B A B DIN US Norm veraltet & Y > Y A A Y B B A A Y B B Y Y A A B B Y Y Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 64

214 Logische Grundverknüpfungen Konjunktion AND Disjunktion OR Negation NOT Y = A B A B Y = A B A B DIN US Norm veraltet & Y > Y A A Y B B Y A A Y B B Y Y = A A 1 Y A Y A Y A A A 0 1 B B Y 1 0 Y Y Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 64

215 Logische Grundverknüpfungen Konjunktion AND Disjunktion OR Y = A B Y = A B A B A B DIN US Norm veraltet & Y > Y A A Y B B A A Y B B Y Y A A B B Y Y Negation NOT Y = A A 1 Y A Y A Y A 0 1 Y 1 0 NAND Y = A B A & A A Y Y B B B Y A B Y Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 64

216 Logische Grundverknüpfungen Konjunktion AND Disjunktion OR Y = A B Y = A B A B A B DIN US Norm veraltet & Y > Y A A Y B B A A Y B B Y Y A A B B Y Y Negation NOT Y = A A 1 Y A Y A Y A 0 1 Y 1 0 NAND NOR A Y = A B B Y = A B A B & > Y Y A B A B Y Y A B A B Y Y A A B B Y Y Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 64

217 Logische Grundverknüpfungen Konjunktion AND Disjunktion OR Y = A B Y = A B A B A B DIN US Norm veraltet & Y > Y A A Y B B A A Y B B Y Y A A B B Y Y Negation NOT Y = A A 1 Y A Y A Y A 0 1 Y 1 0 NAND NOR A Y = A B B Y = A B A B & > Y Y A B A B Y Y A B A B Y Y A A B B Y Y Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 64

218 Boolsche Algebra Kommutativ gesetz Assoziativ gesetz X 1 X 2 = X 2 X 1 X 1 X 2 = X 2 X 1 X 1 X 2 X 3 = X 1 X 2 X 3 = = X 1 (X 2 X 3 ) = X 1 (X 2 X 3 ) = (X 1 X 2 ) X 3 = (X 1 X 2 ) X 3 = (X 1 X 3 ) X 2 = (X 1 X 3 ) X 2 Distributiv gesetz Gesetze von De Morgan X 1 (X 2 X 3 ) = (X 1 X 2 ) (X 1 X 3 ) X 1 (X 2 X 3 ) = (X 1 X 2 ) (X 1 X 3 ) X 1 X 2 = X 1 X 2 X 1 X 2 = X 1 X 2 Spezielle Verknüpfungen X X = X X X = 0 X 1 = X X 0 = 0 X X = X X X = 1 X 1 = 1 X 0 = X X 1 (X 1 X 2 ) = X 1 X 1 (X 1 X 2 ) = X 1 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 65

219 Boolsche Algebra Kommutativ gesetz Assoziativ gesetz X 1 X 2 = X 2 X 1 X 1 X 2 = X 2 X 1 X 1 X 2 X 3 = X 1 X 2 X 3 = = X 1 (X 2 X 3 ) = X 1 (X 2 X 3 ) = (X 1 X 2 ) X 3 = (X 1 X 2 ) X 3 = (X 1 X 3 ) X 2 = (X 1 X 3 ) X 2 Distributiv gesetz Gesetze von De Morgan X 1 (X 2 X 3 ) = (X 1 X 2 ) (X 1 X 3 ) X 1 (X 2 X 3 ) = (X 1 X 2 ) (X 1 X 3 ) X 1 X 2 = X 1 X 2 X 1 X 2 = X 1 X 2 Spezielle Verknüpfungen X X = X X X = 0 X 1 = X X 0 = 0 X X = X X X = 1 X 1 = 1 X 0 = X X 1 (X 1 X 2 ) = X 1 X 1 (X 1 X 2 ) = X 1 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 65

220 Wechselschaltung Eine Wechselschaltung dient dazu, einen Verbraucher (z.b. Lampe) von zwei Orten aus ein- bzw. auszuschalten: N L PE L Wechselschalter Lampe X 1 X 1 Y X 2 X 2 Wechselschalter L Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 66

221 Wechselschaltung Eine Wechselschaltung dient dazu, einen Verbraucher (z.b. Lampe) von zwei Orten aus ein- bzw. auszuschalten: N L PE Wahrheitstabelle: X 1 X 2 Y X 1 L Lampe X 1 Y X 2 L X Wechselschalter Wechselschalter Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 66

226 Wechselschaltung Eine Wechselschaltung dient dazu, einen Verbraucher (z.b. Lampe) von zwei Orten aus ein- bzw. auszuschalten: N L PE Wahrheitstabelle: X 1 X 2 Y X 1 L Lampe X 1 Y X 2 L X Wechselschalter Wechselschalter Disjunktive Normalform Y = (X 1 X 2 ) (X 1 X 2 ) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 66

227 Wechselschaltung Realisierung mit NAND-Gattern: Y = (X 1 X 2 ) } {{ } A (X 1 X 2 ) } {{ } B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 67

228 Wechselschaltung Realisierung mit NAND-Gattern: Y = (X 1 X 2 ) } {{ } A (X 1 X 2 ) = A B } {{ } De Morgan! B Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 67

229 Wechselschaltung Realisierung mit NAND-Gattern: Y = (X 1 X 2 ) } {{ } A (X 1 X 2 ) = A B } {{ } De Morgan! B X 1 X 2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 67

230 Wechselschaltung Realisierung mit NAND-Gattern: Y = (X 1 X 2 ) } {{ } A (X 1 X 2 ) = A B } {{ } De Morgan! B X 1 X 2 & X 2 & X 1 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 67

231 Wechselschaltung Realisierung mit NAND-Gattern: Y = (X 1 X 2 ) } {{ } A (X 1 X 2 ) = A B } {{ } De Morgan! B X 1 X 2 & & X 2 X 1 & A A = X 1 X 2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 67

232 Wechselschaltung Realisierung mit NAND-Gattern: Y = (X 1 X 2 ) } {{ } A (X 1 X 2 ) = A B } {{ } De Morgan! B X 1 X 2 & & X 2 X 1 & A A = X 1 X 2 & B B = X 1 X 2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 67

233 Wechselschaltung Realisierung mit NAND-Gattern: Y = (X 1 X 2 ) } {{ } A (X 1 X 2 ) = A B } {{ } De Morgan! B X 1 X 2 & X 2 & A A = X 1 X 2 & X 1 & Y & B B = X 1 X 2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 67

234 Transistor-Transistor-Logik(TTL) Bipolare integrierte Schaltung mit Multiemittertransistoren. Versorgungsspannung 5 V. U Batt E 1 E 2 T E R E R T A Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 68

235 Transistor-Transistor-Logik(TTL) Bipolare integrierte Schaltung mit Multiemittertransistoren. Versorgungsspannung 5 V. U Batt R E R A E 1 oder E 2 auf "0" T E öffnet T sperrt Ausgang A auf "1". E 1 T T E E 2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 68

236 Transistor-Transistor-Logik(TTL) Bipolare integrierte Schaltung mit Multiemittertransistoren. Versorgungsspannung 5 V. U Batt R E R A E 1 oder E 2 auf "0" T E öffnet T sperrt Ausgang A auf "1". E 1 E 2 T E T E 1 und E 2 auf "1" T öffnet (T erhält Basisstrom über BC-Diode von T E ) Ausgang A auf "0". Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 68

237 Transistor-Transistor-Logik(TTL) Bipolare integrierte Schaltung mit Multiemittertransistoren. Versorgungsspannung 5 V. U Batt R E R A E 1 oder E 2 auf "0" T E öffnet T sperrt Ausgang A auf "1". E 1 E 2 T E T E 1 und E 2 auf "1" T öffnet (T erhält Basisstrom über BC-Diode von T E ) Ausgang A auf "0". U E < 0.4 V Low, logisch "0" U E > 2.4 V High, logisch "1", Störabstand 0.4 V Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 68

238 Transistor-Transistor-Logik(TTL) Bipolare integrierte Schaltung mit Multiemittertransistoren. Versorgungsspannung 5 V. U Batt R E R A E 1 oder E 2 auf "0" T E öffnet T sperrt Ausgang A auf "1". E 1 E 2 T E T E 1 und E 2 auf "1" T öffnet (T erhält Basisstrom über BC-Diode von T E ) Ausgang A auf "0". U E < 0.4 V Low, logisch "0" U E > 2.4 V High, logisch "1", Störabstand 0.4 V Unbeschaltete Eingänge wirken so, als lägen sie auf logisch "1"! Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 68

239 CMOS CMOS=Complementary MOS: Verwendung von n-kanal und p-kanal MOSFET s (Anreicherungstypen) U Batt T 1 T 2 A E 1 T 3 E 2 T 4 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 69

240 CMOS CMOS=Complementary MOS: Verwendung von n-kanal und p-kanal MOSFET s (Anreicherungstypen) U Batt T 1 T 2 T 1, T 2 p-kanal MOSFET (brauchen neg. Spg. zwischen G und S für geöffneten S-D-Kanal) A E 1 T 3 E 2 T 4 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 69

241 CMOS CMOS=Complementary MOS: Verwendung von n-kanal und p-kanal MOSFET s (Anreicherungstypen) U Batt T 1 T 2 T 1, T 2 p-kanal MOSFET (brauchen neg. Spg. zwischen G und S für geöffneten S-D-Kanal) A T 3, T 4 n-kanal MOSFET (brauchen pos. Spg. zwischen G und S für geöffneten S-D-Kanal) E 1 T 3 E 2 T 4 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 69

242 CMOS CMOS=Complementary MOS: Verwendung von n-kanal und p-kanal MOSFET s (Anreicherungstypen) U Batt T 1 T 2 T 1, T 2 p-kanal MOSFET (brauchen neg. Spg. zwischen G und S für geöffneten S-D-Kanal) A T 3, T 4 n-kanal MOSFET (brauchen pos. Spg. zwischen G und S für geöffneten S-D-Kanal) E 1 E 2 T 3 T 4 Ausgang liegt auf "0", wenn T 3 und T 4 leiten und er liegt auf "1" wenn entweder T 1 oder T 2 leitet. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 69

243 CMOS CMOS=Complementary MOS: Verwendung von n-kanal und p-kanal MOSFET s (Anreicherungstypen) U Batt T 1 T 2 T 1, T 2 p-kanal MOSFET (brauchen neg. Spg. zwischen G und S für geöffneten S-D-Kanal) A T 3, T 4 n-kanal MOSFET (brauchen pos. Spg. zwischen G und S für geöffneten S-D-Kanal) E 1 E 2 T 3 T 4 Ausgang liegt auf "0", wenn T 3 und T 4 leiten und er liegt auf "1" wenn entweder T 1 oder T 2 leitet. Es werden keine Widerstände benötigt! Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 69

244 CMOS-NAND-Gatter Veranschaulichung der Schaltfunktion: U Batt T 1 T 2 Wahrheitstabelle: U Batt ON ON A ="1" E 1 E 2 A E 1 ="0" T 3 OFF E 2 ="0" T 4 OFF Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 70

245 CMOS-NAND-Gatter Veranschaulichung der Schaltfunktion: U Batt T 1 T 2 Wahrheitstabelle: U Batt ON OFF A ="1" E 1 E 2 A E 1 ="0" T 3 OFF E 2 ="1" T 4 ON Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 70

246 CMOS-NAND-Gatter Veranschaulichung der Schaltfunktion: U Batt T 1 T 2 Wahrheitstabelle: U Batt OFF ON A ="1" E 1 E 2 A E 1 ="1" T 3 ON E 2 ="0" T 4 OFF Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 70

247 CMOS-NAND-Gatter Veranschaulichung der Schaltfunktion: U Batt T 1 T 2 Wahrheitstabelle: U Batt OFF OFF A ="0" E 1 E 2 A E 1 ="1" T 3 ON E 2 ="1" T 4 ON Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 70

248 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

249 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien TTL Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

250 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien TTL Signallaufzeit 10 ns (3 ns bei Schottky-TTL) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

251 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien TTL Signallaufzeit 10 ns (3 ns bei Schottky-TTL) Verlustleistung 10 mw (1 mw bei Low-Power-TTL) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

252 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien TTL Signallaufzeit 10 ns (3 ns bei Schottky-TTL) Verlustleistung 10 mw (1 mw bei Low-Power-TTL) CMOS Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

253 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien TTL Signallaufzeit 10 ns (3 ns bei Schottky-TTL) Verlustleistung 10 mw (1 mw bei Low-Power-TTL) CMOS höhere Integrationsdichte Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

254 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien TTL Signallaufzeit 10 ns (3 ns bei Schottky-TTL) Verlustleistung 10 mw (1 mw bei Low-Power-TTL) CMOS höhere Integrationsdichte höhere Schaltzeiten 35 ns (Grund: Aufladen der Gatekapazität!) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

255 Vergleich TTL / CMOS Logikfamilien TTL Signallaufzeit 10 ns (3 ns bei Schottky-TTL) Verlustleistung 10 mw (1 mw bei Low-Power-TTL) CMOS höhere Integrationsdichte höhere Schaltzeiten 35 ns (Grund: Aufladen der Gatekapazität!) geringe Verlustleistung und Stromaufnahme, 10 nw im Ruhezustand, beim Schalten abhängig von der Taktfrequenz Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 71

256 RS-Flipflop S & & Q S: set R: reset R & & Q Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 72

257 RS-Flipflop S 1 0 & & 1 0 Q S: set R: reset R 0 & 1 1 & 0 Q R Wahrheitstabelle: S Q Zustand 0 0 X X speichern setzen rücksetzen verboten Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 72

261 RS-Flipflop S & & Q S: set R: reset R & & Q Wahrheitstabelle: R S Q Zustand 0 0 X X speichern setzen rücksetzen verboten voriger Zustand bleibt erhalten! Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 72

262 RS-Flipflop S & & Q S: set R: reset R & & Q Wahrheitstabelle: R S Q Zustand S Impulsdiagramm: 0 0 X speichern setzen R t X rücksetzen verboten Q t t voriger Zustand bleibt erhalten! Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 72

263 RS-Flipflop S & & Q S: set R: reset R & & Q Wahrheitstabelle: R S Q Zustand S Impulsdiagramm: 0 0 X speichern setzen R t X rücksetzen verboten Q t t voriger Zustand bleibt erhalten! Kurzzeitige Impulse am Eingang lassen das Flipflop zwischen den beiden stabilen Ausgangszuständen Q = 0 und Q = 1 hin- und herschalten (flip... flop... flip... flop... ) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 72

264 Taktgesteuertes RS-Flipflop Logische Schaltungen werden häufig von einem periodischen Taktsignal gesteuert (clock C): S & & Q C R & & Q Impulsdiagramm: C S R Q Q Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 73

265 Taktgesteuertes RS-Flipflop Logische Schaltungen werden häufig von einem periodischen Taktsignal gesteuert (clock C): S C R C & & Impulsdiagramm: & & Q Q Zustandsgesteuertes Flipflop: Die am Eingang anliegenden Signale R und S werden erst ausgewertet, wenn das Taktsignal C=1 anliegt. S R Q Q Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 73

266 Taktgesteuertes RS-Flipflop Logische Schaltungen werden häufig von einem periodischen Taktsignal gesteuert (clock C): S C R C & & Impulsdiagramm: & & Q Q Zustandsgesteuertes Flipflop: Die am Eingang anliegenden Signale R und S werden erst ausgewertet, wenn das Taktsignal C=1 anliegt. S Flankengesteuertes Flipflop: R Q Die Auswertung erfolgt z.b. bei der ansteigenden Taktflanke, dh. beim Übergang C=0 C=1. Q Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 73

267 RS-Flipflop mit 2 Transistoren Q R 1 R 2 R 3 R 5 T 1 T 2 U B Q U A1 U A2 R S U E1 R 4 R 6 U E2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 74

268 RS-Flipflop mit 2 Transistoren Q R 1 R 2 R 3 R 5 T 1 T 2 U B Q U A1 U A2 R S U E1 R 4 R 6 U E2 Setzen: S=1, R=0 T 2 leitet, T 1 sperrt Q=1 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 74

269 RS-Flipflop mit 2 Transistoren Q R 1 R 2 R 3 R 5 T 1 T 2 U B Q U A1 U A2 R S U E1 R 4 R 6 U E2 Setzen: S=1, R=0 T 2 leitet, T 1 sperrt Q=1 Speichern: S=0, R=0 wegen Rückkopplung über R 3 bleibt T 2 leitend und damit T 1 sperrend, d.h. Q=1 bleibt erhalten. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 74

270 RS-Flipflop mit 2 Transistoren Q R 1 R 2 R 3 R 5 T 1 T 2 U B Q U A1 U A2 R S U E1 R 4 R 6 U E2 Setzen: S=1, R=0 T 2 leitet, T 1 sperrt Q=1 Speichern: S=0, R=0 wegen Rückkopplung über R 3 bleibt T 2 leitend und damit T 1 sperrend, d.h. Q=1 bleibt erhalten. Rücksetzen: S=0, R=1 T 1 leitet, T 2 sperrt Q=0 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 74

271 Elektrische Maschinen Generatoren: Umwandlung mechanischer Energie in elektrische W mech U I t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 75

272 Elektrische Maschinen Generatoren: Umwandlung mechanischer Energie in elektrische W mech U I t Motoren: Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Leistung P = U I M Ω, Ω = 2πn, M : Drehmoment n : Drehzahl Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 75

273 Elektrische Maschinen Generatoren: Umwandlung mechanischer Energie in elektrische W mech U I t Motoren: Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Leistung P = U I M Ω, Ω = 2πn, M : Drehmoment n : Drehzahl Wirkungsgrad elektrischer Maschinen: η = abgegebene Wirkleistung aufgenommene Wirkleistung beim Motor: η = M Ω U I Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 75

274 Elektrische Maschinen Generatoren: Umwandlung mechanischer Energie in elektrische W mech U I t Motoren: Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Leistung P = U I M Ω, Ω = 2πn, M : Drehmoment n : Drehzahl Wirkungsgrad elektrischer Maschinen: η = abgegebene Wirkleistung aufgenommene Wirkleistung beim Motor: η = M Ω U I Nennbetrieb elektrischer Maschinen: bezeichnet die Betriebsart der elektrischen Maschine, für die sie (im Dauerbetrieb) ausgelegt ist. Auf dem "Leistungsschild" werden die Nenndaten, wie z.b. Nennspannung U n, Nennstrom I n, Nenndrehzahl n n oder Nennleistung P n angegeben. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 75

275 Allgemeines zur Gleichstrommaschine Historisch war die Gleichstrommaschine der erste elektromechanische Energiewandler (erster Generator von H. Pixii, 1833). Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 76

276 Allgemeines zur Gleichstrommaschine Historisch war die Gleichstrommaschine der erste elektromechanische Energiewandler (erster Generator von H. Pixii, 1833). Gleichstrommaschinen können ohne bauliche Veränderungen sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 76

277 Allgemeines zur Gleichstrommaschine Historisch war die Gleichstrommaschine der erste elektromechanische Energiewandler (erster Generator von H. Pixii, 1833). Gleichstrommaschinen können ohne bauliche Veränderungen sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Der Einsatzbereich der Gleichstrommaschinen reicht von Kleinstmotoren (<1 W) bis hin zu Großmaschinen (> kw, 1500 V) z.b. in Förderanlagen und Walzstraßen. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 76

278 Allgemeines zur Gleichstrommaschine Historisch war die Gleichstrommaschine der erste elektromechanische Energiewandler (erster Generator von H. Pixii, 1833). Gleichstrommaschinen können ohne bauliche Veränderungen sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Der Einsatzbereich der Gleichstrommaschinen reicht von Kleinstmotoren (<1 W) bis hin zu Großmaschinen (> kw, 1500 V) z.b. in Förderanlagen und Walzstraßen. Dauermagneterregte Gleichstrommaschinen werden zahlreich im Kfz-Bereich eingesetzt (bis etwa 100 W für Scheibenwischer, Gebläse, u.s.w.). Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 76

279 Allgemeines zur Gleichstrommaschine Historisch war die Gleichstrommaschine der erste elektromechanische Energiewandler (erster Generator von H. Pixii, 1833). Gleichstrommaschinen können ohne bauliche Veränderungen sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Der Einsatzbereich der Gleichstrommaschinen reicht von Kleinstmotoren (<1 W) bis hin zu Großmaschinen (> kw, 1500 V) z.b. in Förderanlagen und Walzstraßen. Dauermagneterregte Gleichstrommaschinen werden zahlreich im Kfz-Bereich eingesetzt (bis etwa 100 W für Scheibenwischer, Gebläse, u.s.w.). Gleichstromgeneratoren werden zunehmend von Drehstromgeneratoren mit Halbleitergleichrichtern verdrängt (z.b. Lichtmaschine im Kfz). Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 76

280 Allgemeines zur Gleichstrommaschine Historisch war die Gleichstrommaschine der erste elektromechanische Energiewandler (erster Generator von H. Pixii, 1833). Gleichstrommaschinen können ohne bauliche Veränderungen sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Der Einsatzbereich der Gleichstrommaschinen reicht von Kleinstmotoren (<1 W) bis hin zu Großmaschinen (> kw, 1500 V) z.b. in Förderanlagen und Walzstraßen. Dauermagneterregte Gleichstrommaschinen werden zahlreich im Kfz-Bereich eingesetzt (bis etwa 100 W für Scheibenwischer, Gebläse, u.s.w.). Gleichstromgeneratoren werden zunehmend von Drehstromgeneratoren mit Halbleitergleichrichtern verdrängt (z.b. Lichtmaschine im Kfz). Charakteristische Bauteile einer Gleichstrommaschine sind der Kommutator und die Bürsten, mit deren Hilfe die erforderliche Stromwendung erfolgt. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 76

281 Innenleben einer Gleichstrommaschine Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 77

282 Trommelanker Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 78

283 Trommelanker Blechpaket Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 78

284 Trommelanker Blechpaket Wicklungsnut Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 78

285 Trommelanker Blechpaket Ankerwicklung Wicklungsnut Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 78

286 Trommelanker Stromwender Blechpaket Ankerwicklung Wicklungsnut Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 78

287 Wechselstromgenerator Permanentmagnet u i (t) B N S ω Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 79

288 Wechselstromgenerator Permanentmagnet d A u i (t) B N B S α(t) ω B d A = B da cos α(t), α(t) = 2π t/t = 2πft = ωt Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 79

289 Wechselstromgenerator Permanentmagnet d A u i (t) B N B S u i (t) α(t) ω t B d A = B da cos α(t), α(t) = 2π t/t = 2πft = ωt T u i (t) = dφ dt = BA d cos ωt dt = ωba sin ωt Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 79

290 Gleichstromgenerator Kommutator Permanentmagnet u i (t) B N S u i (t) ω Bürste T t Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 80

291 Entstehung eines Drehmomentes Werden die Bürsten mit einer Gleichstromquelle verbunden, fließt ein Strom I durch die Leiterschleife und man erhält einen einfachen Elektromotor: N I B Drehachse I S Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 81

292 Entstehung eines Drehmomentes Werden die Bürsten mit einer Gleichstromquelle verbunden, fließt ein Strom I durch die Leiterschleife und man erhält einen einfachen Elektromotor: N Die Kraft F I B F = I( l B) zeigt immer in die angegebene Richtung und ist unabhängig vom Drehwinkel. Drehachse I F S Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 81

293 Entstehung eines Drehmomentes Werden die Bürsten mit einer Gleichstromquelle verbunden, fließt ein Strom I durch die Leiterschleife und man erhält einen einfachen Elektromotor: N Die Kraft F I B F = I( l B) Hebelarm r Drehachse zeigt immer in die angegebene Richtung und ist unabhängig vom Drehwinkel. Das Drehmoment dagegen ist wegen S I F M = r F abhängig vom Drehwinkel und verschwindet, wenn r F. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 81

294 Zweipoliger Gleichstrommotor Anker Stator Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 82

295 Zweipoliger Gleichstrommotor N Erregerwicklung Anker S Stator Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 82

296 Zweipoliger Gleichstrommotor N Erregerwicklung S Stator Hauptfluß Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 82

297 Zweipoliger Gleichstrommotor Erregerwicklung N Ankerwicklung S Stator Hauptfluß Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 82

298 Zweipoliger Gleichstrommotor Erregerwicklung N Ankerwicklung S Stator Hauptfluß Bürste Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 82

299 Zweipoliger Gleichstrommotor Erregerwicklung N Ankerwicklung N Anker S Wendepol Hauptfluß S Stator Bürste Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 82

300 Vierpoliger Gleichstrommotor Hauptfluß N Joch, Rückschluß Wendepolwicklung S Anker N S Bürste Erregerwicklung Hauptpol Welle Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 83

301 Ankerrückwirkung Erregerpol Bürsten N S "Abgewickelte" Maschine Ankerwicklung Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 84

302 Ankerrückwirkung Erregerpol Bürsten N S "Abgewickelte" Maschine Ankerwicklung Ankerfeld Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 84

303 Ankerrückwirkung Erregerpol Bürsten N S "Abgewickelte" Maschine Ankerwicklung Ankerfeld Erregerfeld Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 84

304 Ankerrückwirkung Erregerpol Bürsten N S "Abgewickelte" Maschine Ankerwicklung Ankerfeld Erregerfeld resultierendes Feld Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 84

305 Ankerrückwirkung Erregerpol Bürsten N S "Abgewickelte" Maschine Ankerwicklung Ankerfeld Flußminderung durch Eisensättigung Erregerfeld resultierendes Feld Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 84

306 Kompensation der Ankerrückwirkung Erregerwicklung N S Bürste Ankerwicklung Wendepolwicklung Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 85

307 Kompensation der Ankerrückwirkung Erregerwicklung N S Bürste Kompensationswicklung Ankerwicklung Wendepolwicklung Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 85

308 Kompensation der Ankerrückwirkung Erregerwicklung N S Bürste Kompensationswicklung Ankerwicklung Wendepolwicklung Sowohl die Kompensationswicklung als auch die Wendepolwicklung wird vom Ankerstrom durchflossen. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 85

309 Kompensation der Ankerrückwirkung Erregerwicklung N S Bürste Kompensationswicklung Ankerwicklung Wendepolwicklung Sowohl die Kompensationswicklung als auch die Wendepolwicklung wird vom Ankerstrom durchflossen. Die Kompensationswicklung wird erst ab ca. 100 kw Leistung verwendet. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 85

310 Schaltzeichen der Gleichstrommaschine I A M U U E I E fremderregte GM Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 86

311 Schaltzeichen der Gleichstrommaschine I A A1 M A2 U U E I E fremderregte GM Ankerwicklung: A1 A2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 86

312 Schaltzeichen der Gleichstrommaschine I A B1 U U E A1 M I E A2 B2 fremderregte GM Ankerwicklung: Wendepolwicklung: A1 A2 B1 B2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 86

313 Schaltzeichen der Gleichstrommaschine I A B1 U U E A1 F2 M I E A2 B2 F1 fremderregte GM Ankerwicklung: Wendepolwicklung: Erregerwicklung: A1 A2 B1 B2 F1 F2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 86

314 Schaltzeichen der Gleichstrommaschine I A B1 I A B1 U U E A1 F2 M I E A2 B2 U A1 D2 M I E A2 B2 F1 D1 fremderregte GM Reihenschlußmaschine Ankerwicklung: Wendepolwicklung: Erregerwicklung: A1 A2 B1 B2 F1 F2, D1 D2 Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 86

315 Schaltzeichen der Gleichstrommaschine I A B1 I A B1 U U E A1 F2 M I E A2 B2 U A1 D2 M I E A2 B2 F1 D1 fremderregte GM Reihenschlußmaschine I A B1 Ankerwicklung: A1 A2 U A1 M A2 E2 I E B2 Wendepolwicklung: Erregerwicklung: B1 B2 F1 F2, D1 D2, E1 E2 E1 Nebenschlußmaschine Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 86

316 Schaltzeichen der Gleichstrommaschine I A B1 I A B1 U U E A1 F2 M I E A2 B2 U A1 D2 M I E A2 B2 F1 D1 fremderregte GM Reihenschlußmaschine I A B1 Ankerwicklung: A1 A2 U A1 E1 M A2 E2 I E B2 Wendepolwicklung: Erregerwicklung: Kompensationswicklung: (nicht eingezeichnet) B1 B2 F1 F2, D1 D2, E1 E2 C1 C2 Nebenschlußmaschine Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 86

317 Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Die wichtigsten Einflußgrößen im Betrieb einer Gleichstrommaschine sind: Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 87

318 Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Die wichtigsten Einflußgrößen im Betrieb einer Gleichstrommaschine sind: der Ankerstrom I A Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 87

319 Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Die wichtigsten Einflußgrößen im Betrieb einer Gleichstrommaschine sind: der Ankerstrom I A der magnetische Polfluß Φ Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 87

320 Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Die wichtigsten Einflußgrößen im Betrieb einer Gleichstrommaschine sind: der Ankerstrom I A der magnetische Polfluß Φ die Drehzahl n Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 87

321 Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Die wichtigsten Einflußgrößen im Betrieb einer Gleichstrommaschine sind: der Ankerstrom I A der magnetische Polfluß Φ die Drehzahl n Induzierte Spannung: Aus dem Induktionsgesetz folgt, daß die induzierte Spannung der Drehzahl und dem Polfluß proportional ist: U i = c 1 nφ, c 1 : Maschinenkonstante Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 87

322 Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Die wichtigsten Einflußgrößen im Betrieb einer Gleichstrommaschine sind: der Ankerstrom I A der magnetische Polfluß Φ die Drehzahl n Induzierte Spannung: Aus dem Induktionsgesetz folgt, daß die induzierte Spannung der Drehzahl und dem Polfluß proportional ist: U i = c 1 nφ, c 1 : Maschinenkonstante Drehmoment: Aus der Beziehung für die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter F = I A ( l B) und Φ = BA ergibt sich ein dem Polfluß Φ und dem Ankerstrom I A proportionales Drehmoment: M = c 2 ΦI A, c 2 : Maschinenkonstante Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 87

323 Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Die wichtigsten Einflußgrößen im Betrieb einer Gleichstrommaschine sind: der Ankerstrom I A der magnetische Polfluß Φ die Drehzahl n Induzierte Spannung: Aus dem Induktionsgesetz folgt, daß die induzierte Spannung der Drehzahl und dem Polfluß proportional ist: U i = c 1 nφ, c 1 : Maschinenkonstante Drehmoment: Aus der Beziehung für die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter F = I A ( l B) und Φ = BA ergibt sich ein dem Polfluß Φ und dem Ankerstrom I A proportionales Drehmoment: M = c 2 ΦI A, c 2 : Maschinenkonstante (Beide Beziehungen gelten für Motor- und Generatorbetrieb.) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 87

324 Klemmenspannung der Gleichstrommaschine R A sei der Widerstand aller vom Ankerstrom I A durchflossenen Wicklungen. Dann ergeben sich folgende Ersatzschaltbilder für die Gleichstrommaschine: Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 88

325 Klemmenspannung der Gleichstrommaschine R A sei der Widerstand aller vom Ankerstrom I A durchflossenen Wicklungen. Dann ergeben sich folgende Ersatzschaltbilder für die Gleichstrommaschine: Generator Betrieb + M U i R A I A U Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 88

326 Klemmenspannung der Gleichstrommaschine R A sei der Widerstand aller vom Ankerstrom I A durchflossenen Wicklungen. Dann ergeben sich folgende Ersatzschaltbilder für die Gleichstrommaschine: Generator Betrieb + M U i R A I A U U = U i R A I A U B U B 2 V Bürstenspannungsabfall Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 88

327 Klemmenspannung der Gleichstrommaschine R A sei der Widerstand aller vom Ankerstrom I A durchflossenen Wicklungen. Dann ergeben sich folgende Ersatzschaltbilder für die Gleichstrommaschine: Generator Betrieb Motor Betrieb + R A I A R A I A + M U i U U M U i U = U i R A I A U B U B 2 V Bürstenspannungsabfall Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 88

328 Klemmenspannung der Gleichstrommaschine R A sei der Widerstand aller vom Ankerstrom I A durchflossenen Wicklungen. Dann ergeben sich folgende Ersatzschaltbilder für die Gleichstrommaschine: Generator Betrieb Motor Betrieb + R A I A R A I A + M U i U U M U i U = U i R A I A U B U = U i + R A I A + U B U B 2 V Bürstenspannungsabfall Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 88

329 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der GM Bei Vernachlässigung des Bürstenspannungsabfalls gilt: I A R V R A + U = U i + I A (R A + R V ) U M U i Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 89

330 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der GM Bei Vernachlässigung des Bürstenspannungsabfalls gilt: I A R V R A + U = U i + I A (R A + R V ) U M U i U i = c 1 nφ Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 89

331 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der GM Bei Vernachlässigung des Bürstenspannungsabfalls gilt: I A R V R A + U = U i + I A (R A + R V ) U M U i U i = c 1 nφ, I A = M c 2 Φ Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 89

332 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der GM Bei Vernachlässigung des Bürstenspannungsabfalls gilt: I A R V R A + U = U i + I A (R A + R V ) U M U i U i = c 1 nφ, I A = M c 2 Φ n(m) = U c 1 Φ R V + R A c 1 c 2 Φ 2 M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 89

333 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der GM Bei Vernachlässigung des Bürstenspannungsabfalls gilt: I A R V R A + U = U i + I A (R A + R V ) U M U i U i = c 1 nφ, I A = M c 2 Φ n(m) = U c 1 Φ R V + R A c 1 c 2 Φ 2 M Die Drehzahl läßt sich also über die Parameter U, Φ und R V steuern! Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 89

334 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der GM Bei Vernachlässigung des Bürstenspannungsabfalls gilt: I A R V R A + U = U i + I A (R A + R V ) U M U i U i = c 1 nφ, I A = M c 2 Φ n(m) = U c 1 Φ R V + R A c 1 c 2 Φ 2 M Die Drehzahl läßt sich also über die Parameter U, Φ und R V steuern! Leerlaufdrehzahl n 0 = n(m = 0) = U c 1 Φ Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 89

335 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variable Ankerspannung Φ U M + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 90

336 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variable Ankerspannung Φ n R V = 0 Φ =konst. U M U + M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 90

337 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variable Ankerspannung Φ n R V = 0 Φ =konst. U M U + M + bei Schwankungen der mechanischen Belastung M ändert sich die Drehzahl n nur wenig Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 90

338 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variable Ankerspannung Φ n R V = 0 Φ =konst. U M U + M + bei Schwankungen der mechanischen Belastung M ändert sich die Drehzahl n nur wenig + auch im Leerlauf (M = 0) niedrige Drehzahl möglich Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 90

339 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variable Ankerspannung Φ n R V = 0 Φ =konst. U M U + M + bei Schwankungen der mechanischen Belastung M ändert sich die Drehzahl n nur wenig + auch im Leerlauf (M = 0) niedrige Drehzahl möglich nur Fremderregung (sonst Φ konst.) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 90

340 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variable Ankerspannung Φ n R V = 0 Φ =konst. U M U + M + bei Schwankungen der mechanischen Belastung M ändert sich die Drehzahl n nur wenig + auch im Leerlauf (M = 0) niedrige Drehzahl möglich nur Fremderregung (sonst Φ konst.) variable Gleichspannungsquelle nötig (teuer!) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 90

341 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Vorwiderstand R V Φ U M + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 91

342 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Vorwiderstand R V Φ n R V = 0 U =konst. Φ =konst. U M R V + M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 91

343 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Vorwiderstand R V Φ n R V = 0 U =konst. Φ =konst. U M R V + M + keine variable Gleichspannungsquelle nötig Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 91

344 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Vorwiderstand R V Φ n R V = 0 U =konst. Φ =konst. U M R V + M + keine variable Gleichspannungsquelle nötig + Nebenschlußbetrieb möglich Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 91

345 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Vorwiderstand R V Φ n R V = 0 U =konst. Φ =konst. U M R V + M + keine variable Gleichspannungsquelle nötig + Nebenschlußbetrieb möglich im Leerlauf (M = 0) Drehzahlsteuerung nicht möglich Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 91

346 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Vorwiderstand R V Φ n R V = 0 U =konst. Φ =konst. U M R V + M + keine variable Gleichspannungsquelle nötig + Nebenschlußbetrieb möglich im Leerlauf (M = 0) Drehzahlsteuerung nicht möglich Verluste im Vorwiderstand schlechter Wirkungsgrad Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 91

347 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Polfluß Φ < Φ n U M + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 92

348 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Polfluß n Φ Φ < Φ n U M Φ = Φ n U=konst. R V = 0 + M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 92

349 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Polfluß n Φ n 1/M (I A =konst.= I An ) Φ < Φ n U M Φ = Φ n U=konst. R V = 0 + M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 92

350 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Polfluß n Φ n 1/M (I A =konst.= I An ) Φ < Φ n U M Φ = Φ n U=konst. R V = 0 + M + Drehzahlerhöhung durch Schwächung des Polflusses Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 92

351 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Polfluß n Φ n 1/M (I A =konst.= I An ) Φ < Φ n U M Φ = Φ n U=konst. R V = 0 + M + Drehzahlerhöhung durch Schwächung des Polflusses + Betrieb im Nebenschluß möglich Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 92

352 Drehzahlsteuerung des Gleichstrommotors Variabler Polfluß n Φ n 1/M (I A =konst.= I An ) Φ < Φ n U M Φ = Φ n U=konst. R V = 0 + M + Drehzahlerhöhung durch Schwächung des Polflusses + Betrieb im Nebenschluß möglich bei Schwächung des Polflusses und gleicher Belastung steigt der Ankerstrom I A (M = c 2 I A Φ I A 1/Φ) zulässige mechanische Belastung sinkt Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 92

353 Drehzahlsteuerung des Reihenschlußmotors Sowohl die Ankerwicklung als auch die Erregerwicklung ist vom Ankerstrom I A durchflossen. U R V Φ M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 93

354 Drehzahlsteuerung des Reihenschlußmotors Sowohl die Ankerwicklung als auch die Erregerwicklung ist vom Ankerstrom I A durchflossen. Φ = c 3 I A n(m) = U c2 1 R A + R V c 1 c 3 M c 1 c 3 U n U =konst. R V Φ R V = 0 M R V M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 93

355 Drehzahlsteuerung des Reihenschlußmotors Sowohl die Ankerwicklung als auch die Erregerwicklung ist vom Ankerstrom I A durchflossen. Φ = c 3 I A n(m) = U c2 1 R A + R V c 1 c 3 M c 1 c 3 I A U n U =konst. R V Φ R V = 0 I A M M I A R V M Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 93

356 Drehzahlsteuerung des Reihenschlußmotors Sowohl die Ankerwicklung als auch die Erregerwicklung ist vom Ankerstrom I A durchflossen. Φ = c 3 I A n(m) = U c2 1 R A + R V c 1 c 3 M c 1 c 3 I A U n U =konst. R V Φ R V = 0 I A M M I A R V M Motor darf nicht entlastet werden (M 0 n!) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 93

357 Drehzahlsteuerung des Reihenschlußmotors Sowohl die Ankerwicklung als auch die Erregerwicklung ist vom Ankerstrom I A durchflossen. Φ = c 3 I A n(m) = U c2 1 R A + R V c 1 c 3 M c 1 c 3 I A U n U =konst. R V Φ R V = 0 I A M M I A R V M Motor darf nicht entlastet werden (M 0 n!) Wegen M I 2 A Verwendung in elektrischen Bahnen Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 93

358 Steuerung der Ankerspannung Bei kleinen Leistungen: Spannungsteiler Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 94

359 Steuerung der Ankerspannung Bei kleinen Leistungen: Spannungsteiler Bei größeren Leistungen aus wirtschaftl. Gründen (Wirkungsgrad!): Leonardantrieb Drehstromnetz + M 3 ω G M Drehstrom motor Gleichstrom generator Gleichstrom motor Leonardantrieb Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 94

360 Steuerung der Ankerspannung Bei kleinen Leistungen: Spannungsteiler Bei größeren Leistungen aus wirtschaftl. Gründen (Wirkungsgrad!): Leonardantrieb oder Stromrichterspeisung Drehstromnetz + Drehstromnetz gesteuerter Stromrichter ungesteuerter Stromrichter M 3 ω G M M Drehstrom motor Gleichstrom generator Gleichstrom motor Leonardantrieb Stromrichterspeisung Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 94

361 Anlassen eines Gleichstrommotors Beim Anlassen eines Gleichstrommotors ist zunächst n = 0 und damit U i = 0 und es fließt ein hoher Ankerstrom I A = U/R A (R A < 1 Ω). R V Φ U M + Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 95

362 Anlassen eines Gleichstrommotors Beim Anlassen eines Gleichstrommotors ist zunächst n = 0 und damit U i = 0 und es fließt ein hoher Ankerstrom I A = U/R A (R A < 1 Ω). R V Φ U M + Um den Ankerstrom zu reduzieren, wird ein Vorwiderstand R V verwendet, der beim Hochfahren des Motors stufenweise reduziert wird. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 95

363 Anlassen eines Gleichstrommotors Beim Anlassen eines Gleichstrommotors ist zunächst n = 0 und damit U i = 0 und es fließt ein hoher Ankerstrom I A = U/R A (R A < 1 Ω). n R V = 0 Φ = Φ n U = U n R V Φ U M Stillstand I Amax I A + Um den Ankerstrom zu reduzieren, wird ein Vorwiderstand R V verwendet, der beim Hochfahren des Motors stufenweise reduziert wird. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 95

364 Anlassen eines Gleichstrommotors Beim Anlassen eines Gleichstrommotors ist zunächst n = 0 und damit U i = 0 und es fließt ein hoher Ankerstrom I A = U/R A (R A < 1 Ω). n R V = 0 Φ = Φ n U = U n R V Φ U M Hochfahren I Amax I A + Um den Ankerstrom zu reduzieren, wird ein Vorwiderstand R V verwendet, der beim Hochfahren des Motors stufenweise reduziert wird. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 95

365 Anlassen eines Gleichstrommotors Beim Anlassen eines Gleichstrommotors ist zunächst n = 0 und damit U i = 0 und es fließt ein hoher Ankerstrom I A = U/R A (R A < 1 Ω). n R V = 0 Φ = Φ n U = U n R V Φ U M Schalten I Amax I A + Um den Ankerstrom zu reduzieren, wird ein Vorwiderstand R V verwendet, der beim Hochfahren des Motors stufenweise reduziert wird. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 95

373 Anlassen eines Gleichstrommotors Beim Anlassen eines Gleichstrommotors ist zunächst n = 0 und damit U i = 0 und es fließt ein hoher Ankerstrom I A = U/R A (R A < 1 Ω). n R V = 0 Φ = Φ n U = U n R V Φ U M + I Amax Um den Ankerstrom zu reduzieren, wird ein Vorwiderstand R V verwendet, der beim Hochfahren des Motors stufenweise reduziert wird. I A Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 95

374 Allgemeines zur Asynchronmaschine (ASM) Der erste dreiphasige Asynchronmotor wurde 1889 gebaut (Michael von Dolivo-Dobrowolski) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 96

375 Allgemeines zur Asynchronmaschine (ASM) Der erste dreiphasige Asynchronmotor wurde 1889 gebaut (Michael von Dolivo-Dobrowolski) Asynchronmaschinen werden für Leistungen im Bereich von 5 W bis 50 MW gebaut und sind aufgrund ihrer Robustheit heutzutage die am häufigsten eingesetzten elektrischen Maschinen (80% aller elektrischen Maschinen mit P>1 kw sind ASM) Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 96

376 Allgemeines zur Asynchronmaschine (ASM) Der erste dreiphasige Asynchronmotor wurde 1889 gebaut (Michael von Dolivo-Dobrowolski) Asynchronmaschinen werden für Leistungen im Bereich von 5 W bis 50 MW gebaut und sind aufgrund ihrer Robustheit heutzutage die am häufigsten eingesetzten elektrischen Maschinen (80% aller elektrischen Maschinen mit P>1 kw sind ASM) Die Asynchronmaschine ist eine Drehfeldmaschine. In den Nuten des geblecht ausgeführten Stators ist zur Erzeugung des Drehfeldes eine dreisträngige Drehstromwicklung einglegt. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 96

377 Allgemeines zur Asynchronmaschine (ASM) Der erste dreiphasige Asynchronmotor wurde 1889 gebaut (Michael von Dolivo-Dobrowolski) Asynchronmaschinen werden für Leistungen im Bereich von 5 W bis 50 MW gebaut und sind aufgrund ihrer Robustheit heutzutage die am häufigsten eingesetzten elektrischen Maschinen (80% aller elektrischen Maschinen mit P>1 kw sind ASM) Die Asynchronmaschine ist eine Drehfeldmaschine. In den Nuten des geblecht ausgeführten Stators ist zur Erzeugung des Drehfeldes eine dreisträngige Drehstromwicklung einglegt. Beim Läufer der ASM unterscheidet man die beiden Typen: Käfigläufer und Schleifringläufer. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 96

378 Allgemeines zur Asynchronmaschine (ASM) Der erste dreiphasige Asynchronmotor wurde 1889 gebaut (Michael von Dolivo-Dobrowolski) Asynchronmaschinen werden für Leistungen im Bereich von 5 W bis 50 MW gebaut und sind aufgrund ihrer Robustheit heutzutage die am häufigsten eingesetzten elektrischen Maschinen (80% aller elektrischen Maschinen mit P>1 kw sind ASM) Die Asynchronmaschine ist eine Drehfeldmaschine. In den Nuten des geblecht ausgeführten Stators ist zur Erzeugung des Drehfeldes eine dreisträngige Drehstromwicklung einglegt. Beim Läufer der ASM unterscheidet man die beiden Typen: Käfigläufer und Schleifringläufer. Beim Schleifringläufer werden die Enden der Läuferwicklung über Schleifringe herausgeführt, wo sie über Kohlebürsten mit Widerständen zur Drehzahlsteuerung verbunden werden können. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 96

379 Allgemeines zur Asynchronmaschine (ASM) Der erste dreiphasige Asynchronmotor wurde 1889 gebaut (Michael von Dolivo-Dobrowolski) Asynchronmaschinen werden für Leistungen im Bereich von 5 W bis 50 MW gebaut und sind aufgrund ihrer Robustheit heutzutage die am häufigsten eingesetzten elektrischen Maschinen (80% aller elektrischen Maschinen mit P>1 kw sind ASM) Die Asynchronmaschine ist eine Drehfeldmaschine. In den Nuten des geblecht ausgeführten Stators ist zur Erzeugung des Drehfeldes eine dreisträngige Drehstromwicklung einglegt. Beim Läufer der ASM unterscheidet man die beiden Typen: Käfigläufer und Schleifringläufer. Beim Schleifringläufer werden die Enden der Läuferwicklung über Schleifringe herausgeführt, wo sie über Kohlebürsten mit Widerständen zur Drehzahlsteuerung verbunden werden können. Der Käfigläufer besteht aus massiven Stäben, die stirnseitig über Kurzschlußringe verbunden werden. Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 96

380 ASM mit Schleifringläufer Lager Läufer wicklung Läufer Stator wicklung Schleifring Welle Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 97

381 ASM mit Käfigläufer Klemmbrett Klemmkasten Lüfter Statorblechpaket Statorwicklung Lager Welle Läuferblechpaket mit Läuferstäben Kurzschlußring Grundlagen der Elektrotechnik II SS 2006 M. Filtz p. 98