INDUSTRIE-‐ELEKTRONIK
Inhaltsverzeichnis 1. WIDERSTÄNDE
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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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2
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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