INDUSTRIE- ELEKTRONIK

    INDUSTRIE-­‐ELEKTRONIK             Inhaltsverzeichnis   1.  WIDERSTÄNDE   3   1.1  FESTWIDERSTÄNDE:   1.2  VERÄNDERBARE  WIDERSTÄNDE: ...
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  INDUSTRIE-­‐ELEKTRONIK      

 

 

 

Inhaltsverzeichnis   1.  WIDERSTÄNDE  

3  

1.1  FESTWIDERSTÄNDE:   1.2  VERÄNDERBARE  WIDERSTÄNDE:   1.2.1  TEMPERATURABHÄNGIGE  WIDERSTÄNDE   1.2.2  VDR  -­‐  VARISTOR  

3   4   4   9  

2.  KONDENSATOREN  

12  

3.  INDUKTIVITÄT:  

16  

3.1  AUFBAU:   3.2  AUSFÜHRUNG   3.3  BERECHNUNG  

16   16   17  

4.  HALBLEITER  

18  

4.1  PHYSIK:   4.2  DIODE:   4.2.1  DIODE  IN  SPERRRICHTUNG:   4.2.2  DIODE  IN  DURCHLASSRICHTUNG:   4.2.3  VERGLEICH  WIDERSTAND  VS.  DIODE  

18   19   19   20   21  

 

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1.  Widerstände   1.1  Festwiderstände:  

  Bauformen:   • bedrahtet   • SMD:  surface  mounted  device   • Keramik:   o gewickelter  Draht   o hoch  belastbar   o ungewünschte  Induktivität  

  Werkstoffe:   • Kohleschicht   • Metallfilm   • Metalloxid     Kenngrößen:   • Wert:   o |622|  =  62*10^2  =  6,2k   o |68R0|  =  68,0   o |3904|  =  390  *  10^4  =  3,9M   o |22k3|  =  22,3k   • Leistung:   o aus  Datenblatt   o unter  Umständen:  Kühlen,  Kühlkörper  montieren   • Toleranzen:   o aus  Datenblatt:   o z.B.:  +/-­‐  5%;  2%;  0,1%   • Temperaturkoeffizient   o aus  Datenblatt   o 𝑅 = 𝑅! ∗ 1+∝∗ ∆𝑇    

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  1.2  Veränderbare  Widerstände:  

 

entspricht  Spannungsteiler     Bauformen:   • Trimpotentiometer   o einmaliger  Abgleich   • Potentiometer   o Dreh-­‐   o Schiebe-­‐     Werkstoffe:   • Leitplastik   • Kohleschicht       1.2.1  Temperaturabhängige  Widerstände  



  Arten:     o NTC  ...  Heißleiter  ...  Neg.  Temperaturkoeffizient   o PTC  ...  Kaltleister  ...  Pos.  Temperaturkoeffizien  

NTC:   • Temperatur:  Steigt  =>  Widerstand:  fällt   • Nennwiderstand  bei  25°C   • Kennlinie:   o stark  nicht  linear  

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  1,E+05  

R_NTC  [Ohm]  

1,E+04  

T/°C   1,E+03  

0   50   100   150  

1,E+02  

R/Ohm   40000   5000   900   300  

1,E+01   1,E+00   0  

20  

40  

60  

80  

100  

120  

140  

160  

ϑ/°C  

 

          •

Anwendung  NTC   o Temperaturmessung   § -­‐50  bis  150  °C   o Anlaufwiderstand  zur  Strombegrenzung  

  Beispiel  zur  Temperaturmessung:     • Ref...  Referenzspannungs  

• •                  



  R_1  so  Dimensionieren,  dass  bei  gegebenen  Heißleiter  bei  25°C  U_a  ca.  3V  ist   Strom  muss  sehr  klein  sein,  damit  sich  NTC  nicht  durch  Strom  erwärmt  (  für  Temperaturmessung  eher  ungeeignet   • extrem  unlinear    

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  Anwendungen:   • zur  Temperatur  Überwachung  (nicht  Messung)     *  U_a  steigt  bei  Übertemperatur  schlagartig  an   *  Daher  gut  zur  Überwachung       *  z.B.:  in  Motorwicklungen                         • als  Heizung  mit  Temperaturstabilisierung           z.B.:  Außenspiegel  bei  Auto     +/-­‐  150°C  Temperatur  pendelt  sich  bei  Nenntemp.  ein,  da  dort  der   Widerstand  schalgartig  größer  wird.           • rückstellbare  Sicherung:  POLYSWITCH    

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    I_H  [A]   I_T  [A]   V_max  [V]   I_max  [A]   R1_max  [Ohm]   RXEF250   2,5   5   72   40   0,13     I_H  ...  Haltestrom  =  Nennstrom   I_T  ...  Trip  ...  Strom  bei  dem  PTC  hochohmig  wird   V_max  ...  maximale  Betriebsspannung   I_max  ...  maximaler  Strom   R1_max  ...  maximaler  Widerstand  im  Betrieb  (3A)       Beispiel:   Wählen  sie  einen  geeigneten  POLYSWITCH  für  eine  Betriebsspannung  von  12V,  I=3A.   Spannungsabfall  höchstens?     RGEF300  =>  R_max  =  98mOhm  |  0,4Euro  netto     U_PTC  =  3A*98mOhm  =  0,3V     RHEF400  =>  44mOhm  =>  0,17V  |  0,574Euro  netto   RUEF300  =>  80mOhm  =>  0,23V  |  0,445Euro  netto     ______     Anlaufwiderstand  für  Hilfswicklungen,  die  automatisch  im  Betrieb  abgeschaltet  werden:     • Motor  muss  mit  Hilfswicklung  anlaufen,  diese  muss  aber  im  Betrieb   weggeschaltet  werden.  

   

  o keine  Relais   o keine  bewegten  Teile  (Lärm,  Abnutzung)  

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  1.2.2  VDR  -­‐  Varistor     • Spannungsabhängiger  Widerstand     o ZnO  ...  Zinkoxid   o SIC  ...  Siliziumcarbit  



  Schutz  gegen  Überspannungen  >350V  

 

   

Spannung  [Volt]  

400   200   0   -­‐200  

0  

100  

200  

-­‐400   -­‐600  

300  

400  

  *  Induktionsspannungen,  die  beim   Schalten  von  Induktivitäten/induktiven   Lasten  in  der  Nähe  des  Gerätes  entstehen   werden  kurzgeschlossen  (abgeschnitten)       =>  Überspannungsschutz  

Zeit  

 

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    Si  schaltet  bei  Zerstörung  des  VDR   ab               Meinhard  Kissich   9  

       

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  •

Schutz  gegen  Elektrostatische  Ladung  an  Eingängen  

  (PC,  SPS,  ...  5V  =>  24V)       =>  Analog/Digital  Eingang                      

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2.  Kondensatoren     •

Unterscheidung  nach  Aufbau   o Folienkondensator   § Multilayer/Geschichtete   § Wickelkondensator   o Keramikondensator   o Elektrolytkondensator     Dielektrikum:     *Polyesterfolie  +  Alufolie  oder  Alu-­‐bedampfte   Polyesterfolie  

 

  107 =  10 ∗ 10 !! !" =   10 !! !" = 100𝑢𝐹  

  Elektrolytkondensator:     Aufbau  in  Alubecher  (wegen  Elektrolyt)  

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  • •

Elektrolyt  ist  der  -­‐  Pol   C  zwischen  Anode  und  Elektrolyt  bzw.  Al2O3  als  Dielektrikum  

  +  große  Kapazität   +  günstig   +  kleine  Baugröße     -­‐  gepolt   -­‐  begrenzte  Lebensdauer,  vorallem  bei  hohen  Temperaturen  (wenige  Jahre  z.B.:  10  Jahre   85,  105°C)     Anwendung:    Energiespeicher     𝑑𝑢 𝑖 = 𝐶 ∗   𝑑𝑡   𝐶 ∗ 𝑈! 𝑊=   2   Verlustfaktor  =  𝑡𝑎𝑛  𝛿  =  dissipations  factor     Ersatzschaltbild:  

   

   

  • C:  10-­‐fache  Frequenz:  1/10  Xc   Industrie-­‐Elektronik   Meinhard  Kissich    

 

 

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  • •

ESR:  Z_min  =  ESR   L:  10-­‐fache  Frequenz:  10  XL  

  Für  den  Verlustfaktor  wird  L  vernachlässigt,  da  man  sich  dort  nicht  aufhält.           𝑍 = 𝑅 + 𝑋!         phi  =  z.B.:  -­‐89,3°     ! !   𝑡𝑎𝑛  𝛿 = ! =>   !_! =>  2𝜋𝑓𝑅𝐶  

  Verlustfaktor  der  Reihenschaltung  (frequenzabhängig)                                 Beispiel:     Datenblatt:     C:  1,6uF   tan 𝛿 = 5 ∗ 10!! @  10𝑘𝐻𝑧     ges:  ESR  =  R     𝑡𝑎𝑛  𝛿 𝑅= =  49,7𝑚Ω   2𝜋𝑓𝐶   Spannungsfestigkeit  bei   Kondensatoren:   f(Frequenz)  =>Frequenzabhängig   wegen  größer  werdender  Ströme      

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  Wechselspannungen  müssen  bei  höheren  Frequenzen  veringert  werden,  damit  der   zulässige  Strom  nicht  überschritten  wird.       =>  Rechnen  mit  Spitzenwerten   𝐼 = 𝑈𝜔 >> 𝐶   𝑃!"#$%&' = 𝐼 ! ∗ 𝐸𝑆𝑅   … 𝐸𝑟𝑤ä𝑟𝑚𝑢𝑛𝑔  𝑞𝑢𝑎𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ        

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3.  Induktivität:   3.1  Aufbau:       •

• •

Magnetkern   o Ferrit   § gesintertes  MnO/ZnO  -­‐Puler   § unter  Druck/Temp.  verpresst   o Eisenpuler   § mit  Bindemittel  (Harz)  wegen  Isolation   o Ziel:  keine  elektrische  Leitfähigkeit  =>  weniger  Eisenverluste   (Wirbelstromverluste)   Spulenkörper  (Kunststoff)   Wicklung  aus  N-­‐Windungen   o mit  CuL-­‐Draht     o HF-­‐Litze   § einzeln  isolierte,  verdrillte  Drähte   § wegen  skin-­‐effekt,  geringere  Cu-­‐Verluste    

3.2  Ausführung   •

Zylinderspule   o Magnetfeld  stört  Umgebung  

 

      §

weniger  Streufeld  

    o Luftspule   § ohne  Eisenkern  (Magnetkern)  gewickelt  

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  o Schalenkern  

 

 

3.3  Berechnung     𝜇! = 4𝜋 ∗ 10!!   𝐴𝑒 …  𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑣𝑒𝑟  𝑄𝑢𝑒𝑟𝑠𝑐ℎ𝑛𝑖𝑡𝑡  𝑑𝑒𝑠  𝐾𝑒𝑟𝑛𝑠   𝐿𝑢𝑓𝑡𝑠𝑝𝑎𝑙𝑡  𝑑𝑎𝑚𝑖𝑡  𝐾𝑒𝑟𝑛  𝑛𝑖𝑐ℎ𝑡  𝑔𝑒𝑠ä𝑡𝑡𝑖𝑔𝑡  𝑤𝑖𝑟𝑑   1 𝜇! ∗ 𝐴! 𝐴! 𝑊𝑒𝑟𝑡   =  Λ   =   = … 𝐴𝑢𝑠  𝐷𝑎𝑡𝑒𝑛𝑏𝑙𝑎𝑡𝑡   𝑅! 𝑔   𝐿 = 𝑁 ! ∗ 𝐴! … 𝑛𝐻     𝑁 ∗ 𝐴_𝑒 ∗ 𝐵_(𝑚𝑎𝑥) 𝐼!"# =   𝐿 B_max  ..  Spulensättigung     Bsp:   A_e=  200mm^2   A_L=  250nH   B_max  =  200mT   s  =  1mm     N  für  L=  1mH  und  I_max     𝐿   =   𝑁 ! ∗ 𝐴!  𝑁   =   𝐼!"#

𝐿 1𝑚𝐻 =>   = 63,25   =>  63     𝐴! 250𝑛𝐻

𝑁 ∗ 𝐴_𝑒 ∗ 𝐵_(𝑚𝑎𝑥) 63 ∗ 200𝑚𝑚! ∗ 200𝑚𝑇 = = = 2,52𝐴   𝐿 1𝑚𝐻

  Dimensionieren  von  Induktivitäten  nach  Wert  und  Stromstärke.        

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4.  Halbleiter    

4.1  Physik:   • •  

hochreinies  Silizium  (4-­‐wertig)   Kristallstruktur  wird  gezielt  verunreinigt   o z.B.:  mit  5-­‐wertigen  Phospor  (e-­‐  Überschuss  =>  n-­‐Halbleiter)   o z.B.:  mit  3-­‐wertigen  Aluminium  (e-­‐  Mangel  =>  +  Löcher  =>  p-­‐Halbleiter)  

    In  der  Sperrschicht  rekombinieren  Löcher  und  Elektronen  =>  Ladung  hebt  sich  auf  =>   keine  freuen  Ladungsträger.        

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4.2  Diode:    

4.2.1  Diode  in  Sperrrichtung:    

U_Reverse  [Volt]  

  Löcher  und  e-­‐  werden  vom  äußeren  Feld  angezogen,  das  heißt  die  Sperrschicht   verbreitert  sich.  Es  fließt  nur  ein  kleiner  Sperrstorm  (nA,  µA)           I_Reverse       0     -­‐12   -­‐10   -­‐8   -­‐6   -­‐4   -­‐2   -­‐1   0       -­‐2     -­‐3     -­‐4   -­‐5   I_Reverse  [µA]  

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-­‐6  

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  4.2.2  Diode  in  Durchlassrichtung:  

  Löcher  und  e-­‐  werden  durch  das  äußere  Feld  in  die  Sperrschicht  hinein  geträngt  =>   rekombinieren  =>  Stromfluss        

Durchlassstrom-­‐Diode  

1,6   Strom  I_F  [A]  

1,4   1,2   1   0,8   0,6   0,4   0,2   0   0  

0,2  

0,4  

0,6  

0,8  

1  

Spannung  U_F  [V]  

Tangente  durch  0,7V              

R=  10  Ohm   𝐼! =

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𝑈! 11𝑉 = = 1,1𝐴   𝑅 10  𝑂ℎ𝑚 20  

    4.2.3  Vergleich  Widerstand  vs.  Diode      

Vergleich  R  vs.  D   7  

5  

Strom  [A]  

3  

-­‐50  

I_D  

1  

I_R   -­‐40  

-­‐30  

-­‐20  

-­‐10  

-­‐1  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

-­‐3  

-­‐5   Spannung  [V]  

    1N4007  Kennwerte:   U_Rev-­‐Max  =  1000V     I_FAV  =  1A       I_FSM  =  30A              

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Reverse  Maximum   Forward  average  (Mittelwert)   Forward  surge  maximum    

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  4.2.4  Rückwärts-­‐Erholzeit  von  Dioden  (Reverse-­‐Recovery-­‐Time)     Gleichriterdioden  dessen  Strom  innerhalb  weniger  µs  abgeschaltet  wird,  haben  eine   Sperrverzugszeit  (30nS  -­‐>  µs)  weil  die  Sperrschicht  mit  Ladungsträgern  überschwemmt   ist  und  diese  nicht  schnell  genug  abfließen  können.  Das  heißt  die  Sperrschicht  belibt   auch  in  Rückwärtsrichtung  eine  Zeit  lang  geöffnet.                                                                         Beispiel:         BYV26C:   ttr=30ns     aus  DB               Industrie-­‐Elektronik    

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4.3  Zenerdiode     BZX55C  5V6     5,6Volt     C  ...  5%  Toleranz     U_z  ...  Zenerspannung  5,6  Volt     Z_z  =  R_z  ...  dynamischer  Widerstand  25  Ohm     I_zm  ...  maximaler  Zenerstrom  70mAa                                                       Eigenschaften:     Die  Zenerdiode  ist  eine  hochdotierte  Diode  (viele  Störatome)  die  in  Sperrichtung  bei   einer  gewissen  Spannung  U_z  leitfähig  wird.  Der  dynamische  Widerstand  beschreibt  die   Steigung  dieser  Kennlinie.   ∆𝑈! 𝑧! = 𝑟! =   𝑚ö𝑔𝑙𝑖𝑐ℎ𝑠𝑡   <   ∆𝐼!   Der  IZM  darf  nicht  überschritten  werden  =>  Thermische  Zerstörung   PvMAX  z.B.:  500mW    

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  Beispiel      

  Knotenregel:        I1=Iz  +  IL     𝐼! = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. =

𝑈! 5,6𝑉 = = 37,3𝑚𝐴   𝑅! 150𝑂ℎ𝑚

  Wähle  IZmin:     Faustregel  10%  von  IZMAX  =  7mA        

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  1.)    

           𝐼!!"# = 𝐼!"#$ + 𝐼! = 44,3𝑚𝐴       !_(!!!"#) !"!!!,!!            𝑅! = = = 100𝑂ℎ𝑚   !_(!!"#)

!!,!!"

  2.)  wird  IZMAX  überschritten?              𝐼!"#$ = 𝐼!!"# − 𝐼!     ! !"!!!,!!            𝐼!"#$ = !!!"# − 𝐼! = !""!!! − 37,3𝑚𝐴   ! !

             𝐼 _(𝑍𝑀𝐴𝑋) = 56,7𝑚𝐴    Temperaturkoeffizient,  daher  'ein  bisschen  mehr'  2*IB    

=>  IB  =  50mA  /  Übersteuerungsfaktor       ! !"!∗!,!! Leistungsverstärkung:  !! = !,!!∗!"!" = 1600    

!

Kennwerte  2N3771     • Collector-­‐Emitter  Voltage     VCE/UCE     o maximale  Collectorspannung   •           VCEX       o ...  mit  negativer  Spannung  an  Basis       Industrie-­‐Elektronik   Meinhard  Kissich    

40V   50V  

29  

  •

• • •    

Collector  Current     o Continious       IC     o Peak         ICMAX     Device  Dissipation       PD     Wärmewiderstand       RthJ-­‐C     o Wärmeunterschied  Gehäuse/Halbleiter   Sättigungsspannung       UCESAT     o Spannung  die  max  am  T.  abfällt  

30A   30A   150W   1,17°C/W  

 

 

 

       

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