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

Transkript

1 5 bekannte Beispiele aus der Mittelstufe 5. Lichtpfeifer Lastenheft: Ein Summer soll ansprechen, wenn der Sensor Helligkeit registriert Aktor Ein 9V-Summer wird ausgewählt, um mit einem 9V Block arbeiten zu können (Platzeinsparung) Fotowiderstand (LDR) Position () im : wenn es hell wird, nimmt der Widerstand ab, das Potenzial am Gate steigt an. Widerstand Aus dem Datenblatt entnimmt man für den LDR z.b. R= 0kΩ Das Potenzial am Gate am Schaltpunkt beträgt ca.,5v, die Potenzialdifferenz an R muss also,5v betragen. Der Widerstand bei () muss also nach Überschlag zwischen halb oder ein drittel so groß sein. Ein Potenziometer mit R= 5kΩ oder 0kΩ ist also geeignet. 5. Fahrradbeleuchtung Lastenheft: Die Beleuchtung soll eingeschaltet werden, wenn es dunkel wird. Aktoren LED weiß (vorne) LED rot (hinten) Spannungsquelle über 3V aus Platzgründen entscheiden wir uns für einen 9V Block Schutzwiderstände der LEDs LED weiß (aus dem Datenblatt z.b.,8v 0mA) Potenzialdifferenz am Schutzwiderstand 7,V ergibt R = 360Ω in der E Reihe wird der nächst höhere Wert von 390Ω gewählt. LED rot (aus dem Datenblatt z.b.,3v 5mA) Potenzialdifferenz am Schutzwiderstand 7,7V ergibt R = 54Ω in der E Reihe wird der nächst höhere Wert von 80Ω gewählt. Fotowiderstand (LDR) Position () im : wenn es dunkel wird, nimmt der Widerstand zu, das Potenzial am Gate steigt an. Widerstand Aus dem Datenblatt entnimmt man z.b. R= 0kΩ Das Potenzial am Gate am Schaltpunkt beträgt ca.,5v, die Potenzialdifferenz an R muss also 6,5V betragen. Der Widerstand bei () muss also nach Überschlag zwischen zwei und dreimal so groß sein. Ein Potenziometer mit R= 50kΩ oder 00kΩ ist geeignet. Seite / 8

2 5.3 Layoutplan für die Fahrradbeleuchtung Im Schaltplan werden alle Leitungen, die auf dem gleichen Potenzial liegen mit derselben Farbe markiert. Im Layoutplan werden alle Verbindungen, die auf demselben Potenzial liegen mit derselben Farbe markiert. Diese sollte der Farbe auf dem Schaltplan entsprechen. Aufbau auf der Steckplatine Seite / 8

3 6 Anhang 6. Bauteile (Kohleschicht-) Widerstände Der Zahlenwert wird nach dem Farbcode ermittelt: Beachte: Meist können diese Bauteile nur ¼ Watt Leistung aufnehmen. Besonders bei kleinen Widerstandswerten wird dieser Wert rasch überschritten und es müssen dann spezielle Widerstände (½ Watt oder höher) verwendet werden. In der E Reihe sind die Werte von 0Ω, Ω, 5Ω, 8Ω, Ω, 7Ω, 33Ω, 39Ω, 47Ω, 56Ω, 68Ω, 8Ω sowie deren zehnhundert, -. fache Werte verfügbar. Die Werte steigen jeweils um 0% gegenüber dem Vorgänger an und überdecken eine ganze Zehnerpotenz. Potentiometer / (Poti) er Mögliche Bauform: Potentiometer sind einstellbare Widerstände. Der Wert dieser Widerstände kann durch Drehen eines Abgreifschleifers von nahezu OΩ bis zum aufgedruckten Wert verändert werden. Zwischen den Anschlüssen und liegt der gesamte Widerstandswert. Von diesem Widerstand können über den Schleifer 3, je nach seiner Stellung, Teilwerte abgenommen werden (Spannungsteiler). Leuchtdioden (LED) Symbol: Häufige Bauform Leuchtdioden strahlen Licht ab, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Sie müssen immer mit einem Vorwiderstand geschützt werden. Die Spannung ist so anzulegen, dass die Anode zum Pluspol und die Kathode zum Minuspol zeigen. Vertauschte Anschlüsse können die Diode zerstören. Um festzustellen, wo die Anode (A) und die Kathode (K) sind, hält man die LED gegen eine Lichtquelle und vergleicht mit der "Bauform". Seite 3 / 8

4 Daten: Typische LEDs können mit bis zu 0mA betrieben werden. Besondere Typen auch mit 50mA oder mehr. Die Spannung U LED an LEDs darf die Schwellspannung nicht überschreiten, diese hängt von der Farbe ab: Standardtypen Farbe Wellenlänge I in ma U LED in nm in V IR ,3 Rot 670 0,6 Orange 605 0,8 Gelb 590 0, Grün 565 0, Blau ,9 Weiss - 0 3,5 UV ,7 Kennlinienschar verschiedener Dioden (Messungen FSG) Quelle Für die häufig benutzten Farben sind auch Low-Current-Typen für ma verfügbar. Die zugehörigen Spannungen betragen: Rot,9 V / Gelb,4 V / Grün,9 V Dioden Häufige Bauform Der Ring kennzeichnet die Kathode. Die Kennzeichnung von N-Dioden erfolgt vom Kathodenring (breiter Ring) an, der gleichzeitig die erste Ziffer ist. Dabei gilt der gleiche Farbcode wie bei den Widerständen. Ist nur der Kathodenring aufgedruckt, dann ist der Diodenkörper zusätzlich mit der Typenbezeichnung bedruckt. Dioden lassen den Strom nur in einer Richtung -von der Anode (A) zur Kathode (K) -fließen, wenn an der Anode + und an der Kathode -angelegt wird. Wird die Diode umgekehrt angeschlossen, fließt praktisch kein Strom. Auf richtige Polung achten! Aktive Bauelemente: Feldeffekttransistor (MOSFET) Bauformen Funktion: Ähnlich wie beim bipolaren Transistor kann ein Isolator leitend gemacht werden. Hier gelingt dies durch elektrostatische Aufladung des Anschlusses Gate G, worauf zwischen Source S und Drain D ein elektrischer Strom fließen kann. Vorteil: Es treten keine Verluste durch Basis-Ströme auf. Damit ist eine verlustlose Steuerung und Schaltung möglich. (Dies wird z.b. in Computern ausgenutzt) Nachteil: Die Bauteile haben eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Aufladung. Bei unvorsichtigem Umgang mit den Bauteilen können diese sehr leicht durch bloßes Berühren zerstört werden. Beim Löten ist ein Erdungsband nötig. Seite 4 / 8

5 Aktive Bauelemente: Transistoren (Bipolarer Typ) Typische Bauform: (Siehe auch Kataloge des Versandhandels) Aufbau: Zwei Dioden sind entgegengepolt verbunden. Wenn die in der Mitte liegende Halbleiterschicht sehr dünn ist (einige Mikrometer), kann der Transistoreffekt auftreten: Die mittlere dünne Halbleiterschicht (Basis) ist wegen des Diodeneffektes ladungsträgerarm und deshalb ein guter Isolator. Wird diese Schicht von außen mit Ladungsträgern versorgt, so kann zwischen Collector C und Emitter E ein Strom fließen. Dieser ist stark von der Basisstromstärke abhängig. Beim npn Transistor ist die dünne Trennschicht p dotiert und der Transistoreffekt tritt dann auf, wenn die Basis gegenüber dem Emitter auf einem positiven Potential liegt. Arbeiten mit Europlatinen / Lochrastermaterial. Zeichne einen Verdrahtungsplan. Nummeriere dazu die Leiterschienen durch und zeichne die Bauteile dazwischen auf. Beachte dabei die Größe der Bauteile. Der Abstand zwischen zwei Bohrungen beträgt,54mm. Achte auf Lücken in denen ein Messgerät eingebaut werden könnte.. Die Leiterschienen können zwar aufgetrennt werden, dies ist jedoch nur in Ausnahmefällen empfehlenswert. 3. Bestimme die Größe der Platine und säge ein passendes Stück aus der Platine vorsichtig aus. 4. Montiere das Platinenstück mit einer dritten Hand horizontal. 5. Bestücke die Platine. 6. Kontrolliere die Schaltung nochmals anhand des es. Überprüfe ob jede (nicht aufgetrennte) Schiene auch nur die Kontakte herstellt, die vorgesehen sind. 7. Führe die Lötarbeiten durch. Verlöte dabei die Halbleiter schnell. Seite 5 / 8

6 6.3 Crashkurs Spannungsteiler Ziel: Das Potenzial am Gate eines Transistors muss angesteuert werden. Dazu wird ein so genannter Spannungsteiler verwendet. Dieser besteht aus der Reihenschaltung zweier Widerstände. Das Potenzial zwischen ihnen hängt von den Zahlenwerten dieser Widerstände ab. Wird dieser Punkt mit dem Gate verbunden und einer der beiden Widerstände verändert, ändert sich das Potenzial am Gate und der Schaltvorgang kann ausgelöst werden. Aus der Energieerhaltung folgt: U + U = U ges Mit U = R I wird R *I + R *I = R ers *I R ers ist der Widerstand der beide Einzelbauteile ersetzt; I ist überall gleich somit wird: R + R = R ers. Verteilung der Spannungen U und U U U = R R I I = R R. U R = U R Kopfrechentest: Gegeben Gesucht / Lösung U = 9V, U = U = 4,5V R = R Größe unwichtig aber je kleiner R desto größer der Energieübertrag auf Entropie U =9V U = 6V R = 00kΩ R = 50kΩ (handschriftlich nachrechen) U=9V U =7V R = 00kΩ R muss kleiner als 50 kω werden (handschriftlich nachrechen) U = V R /R = /7 R = /7* R = 8,6 kω Seite 6 / 8

7 6.4 Schutzwiderstand für Leuchtdioden Leuchtdioden haben als typische Kenndaten: (dem Datenblatt oder 6. zu entnehmen) o Potenzialdifferenz (Spannung) je nach Farbe o Max. Stromstärke einige ma typisch 0mA bis 0 ma Berechnung des Vorwiderstands, der die Stromstärke begrenzt Die Potenzialdifferenz am Vorwiderstand berechnet sich aus der Differenz der angelegten Spannung und der Potenzialdifferenz an der LED. Über R=U/I wird aus der Stromstärke der Wert des Vorwiderstands berechnet. Übung Batterie 9V Blaue LED mit U=,9V bei I=0mA Die Potenzialdifferenz am Vorwiderstand wird 6,V. Mit der Stromstärke errechnet sich daraus R= 60Ω. In der E Reihe wird entweder 680Ω (sichere Variante) oder 560 Ω (helle Variante) gewählt. Seite 7 / 8

8 6.5 Vom zur Lochstreifenplatine Erstellen des es Vereinfache das so, dass Punkte gleichen Potenzials auf waagrechten Linien liegen. Layout Zeichne das Platinenlayout auf Karopapier auf Beachte: alle waagrechten Linien sind auf der Leiterseite bereits miteinander verbunden Lasse dein Layout von Mitschülern (oder dem Lehrer) prüfen Bestücken Bohre die Löcher für Lötnägel Bestücke die Platine Achtung der MOSFET kann durch elektrostatische Aufladung zerstört werden. Biege die Bauelementfüße leicht zur Seite, sie können beim Drehen der Platine, nicht mehr heraus fallen. Löten Lasse deine Schaltung von Mitschülern (oder dem Lehrer) prüfen o Übereinstimmung mit dem Layout o Sichtkontrolle der Lötstellen o Liegen Verbindungen zwischen benachbarten Leiterbahnen vor? Kürze die Bauteildrähte mit dem kleinen Seitenschneider auf ca. 0mm und beachte, dass sich keine Bauteildrähte berühren. Test Verbinde die Schaltung mit der Batterie Kontrolliere die Funktion der Schaltung Seite 8 / 8