567281 LI Halbleiter de - festo-didactic.com · Bestell-Nr.: 567281 Stand: 09/2010 Autor: Melanie...

Arbeitsbuch

Mit CD-ROM

Festo Didactic

567281 DE

GrundlagenHalbleiter

0 (Y ) –1 UE

0 (Y ) –2 UA

Y2

KIB

IC

RC

RE C3

C1

UA

UB = 12 V

R3

Y1

R2

R1

UE = 0.1 V

Rm

G U

f

S(Sinus)

= 1 kHz

C2

Bestell-Nr.: 567281

Stand: 09/2010

Autor: Melanie Wäschle

Redaktion: Frank Ebel

Grafik: Remo Jedelhauser, Melanie Wäschle

Layout: 02/2011, Frank Ebel

© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2011

Internet: www.festo-didactic.com

E-Mail: [email protected]

Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten,

soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte

vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen

durchzuführen.

Hinweis

Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch

Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine

geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem

besseren Verständnis der Formulierungen.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 III

Inhalt

Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ IV

Vorwort ______________________________________________________________________________ V

Einleitung _____________________________________________________________________________ VII

Arbeits- und Sicherheitshinweise __________________________________________________________ VIII

Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) ______________________________ IX

Lernziele – Grundlagen Halbleiter _____________________________________________________________X

Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter __________________________________ XI

Gerätesatz _____________________________________________________________________________ XII

Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter______________________________ XVI

Hinweise für den Lehrer/Ausbilder _________________________________________________________ XVIII

Struktur der Aufgaben ____________________________________________________________________ XIX

Bezeichnung der Komponenten ____________________________________________________________ XIX

Inhalte der CD-ROM ______________________________________________________________________ XX

Aufgaben und Lösungen

Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung _____________________________ 3

Aufgabe 2: Stabilisieren der Ausgangsspannung eines Netzgeräts mit Z-Dioden ____________________ 21

Aufgabe 3: Dimensionieren des Vorwiderstands einer Leuchtdiode ______________________________ 39

Aufgabe 4: Verstärken des Ausgangssignals eines Mikrofons ___________________________________ 51

Aufgabe 5: Ansteuern einer Leuchte mit einem Feldeffekt-Transistor _____________________________ 81

Aufgaben und Arbeitsblätter






IV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Bestimmungsgemäße Verwendung

Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen:

• für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb

• in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand

Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten

sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib

und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.

Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich

Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die

Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die

in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.

Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des

Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes

außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden

vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 V

Vorwort

Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen

Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des

Lernsystems:

• Technologieorientierte Trainingspakete

• Mechatronik und Fabrikautomation

• Prozessautomation und Regelungstechnik

• Mobile Robotik

• Hybride Lernfabriken

Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem

Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert.

Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,

Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare

Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben.

Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen

Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen

und elektrischen Antrieben möglich.

VI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:

• Hardware

• Medien

• Seminare

Hardware Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und

Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte

der begleitenden Medien angepasst.

Medien Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die

praxisorientierte Teachware umfasst:

• Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)

• Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)

• Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)

• Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)

• Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)

Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:

• Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)

• Simulationssoftware

• Visualisierungssoftware

• Software zur Messdatenerfassung

• Projektierungs- und Konstruktionssoftware

• Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen

Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht

konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.

Seminare Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und

Weiterbildung ab.

Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?

Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]

Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 VII

Einleitung

Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma

Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und

Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) behandelt die

folgenden Themen:

• Grundlagen Gleichstromtechnik

• Grundlagen Wechselstromtechnik

• Grundlagen Halbleiter

• Grundschaltungen der Elektronik

Das Arbeitsbuch Grundlagen Halbleiter befasst sich mit Halbleiterbauelementen. Zunächst werden

unterschiedliche Dioden wie Halbleiterdiode, Z-Diode und Leuchtdiode betrachtet und daran die

Grundbegriffe erarbeitet. Inhalte wie z. B. P-N Übergang, Sperrspannung oder Durchlassstrom werden dabei

theoretisch und, wo möglich, auch messtechnisch aufgezeigt. Im Weiteren wird das Thema Transistoren an

bipolaren und unipolaren Transistoren erläutert

Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet

mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop

und Sicherheits-Laborleitungen.

Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 5 Aufgabenstellungen zum Thema

Grundlagen Halbleiter aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben

enthalten die Lehrbücher

• Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und

• Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298.

Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Dioden, Transistoren, Messgeräte usw.) zur

Verfügung.

VIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Arbeits- und Sicherheitshinweise

Allgemein • Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen

arbeiten.

• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle

Hinweise zur Sicherheit!

• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt

werden und sind umgehend zu beseitigen.

Elektrik • Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter!

– Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts

unterbrochen werden.

– Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden.

• In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische

Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten.

• In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal

verantwortlich zu überwachen.

• Vorsicht! Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen

getrennt wurde.

• Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen

Nennstromstärke.

• Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum

gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät

zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.

• Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Kleinspannungen,

maximal 25 V DC.

• Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her!

• Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab!

• Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.

• Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den

Leitungen.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 IX

Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011)

Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand

dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundlagen Halbleiter. Einzelne Komponenten aus dem

Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.

Wichtige Komponenten des TP 1011 • Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer®

• Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen

• Grundlagen-Netzteil EduTrainer®

• Komplette Laboreinrichtungen

Medien Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die

Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen der Halbleitertechnik. Die

Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen

Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe

wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert.

Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur

Verfügung gestellt.

Medien

Fachbücher Fachkunde Elektroberufe

Elektrotechnik

Tabellenbuch Elektrotechnik/Elektronik

Arbeitsbücher Grundlagen Gleichstromtechnik

Grundlagen Wechselstromtechnik

Grundlagen Halbleiter

Grundschaltungen der Elektronik

Digitale Lernprogramme WBT Elektrik 1 – Grundlagen der Elektrotechnik

WBT Elektrik 2 – Gleich- und Wechselstromschaltkreise

WBT Elektronik 1 – Grundlagen der Halbleitertechnik

WBT Elektronik 2 – Integrierte Schaltkreise

WBT Elektrische Schutzmaßnahmen

Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011

Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2,

Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme

beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl

fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt.

Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren

Katalogen und im Internet.

X © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Lernziele – Grundlagen Halbleiter

• Sie kennen den Aufbau und die Wirkungsweise von Halbleiterdioden.

• Sie kennen den Kennlinienverlauf der Siliziumdiode.

• Sie kennen die wichtigsten Kennwerte von Halbleiterdioden.

• Sie können den Arbeitspunkt der Diode zeichnerisch bestimmen.

• Sie kennen die Wirkungsweise der Z-Diode.

• Sie kennen die Zusammenhänge der Spannungen und Ströme in einer Stabilisierungsschaltung

mit Z-Diode.

• Sie können eine Stabilisierungsschaltung dimensionieren.

• Sie kennen die Wirkungsweise von Leuchtdioden.

• Sie kennen den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Farben von LEDs und der

Durchlassspannung.

• Sie können den Vorwiderstand einer LED dimensionieren.

• Sie kennen Aufbau und Arbeitsweise des Transistors.

• Sie kennen die Eingangskennlinie, die Stromverstärkungskennlinie und die Ausgangskennlinie.

• Sie können den Arbeitspunkt eines Transistors einstellen.

• Sie können die Wechselspannungsverstärkung und die Wechselstromverstärkung einer Verstärkerstufe

bestimmen.

• Sie kennen die verschiedenen Arten von Feldeffekt-Transistoren und deren entscheidenden

Unterschied.

• Sie kennen wichtige Kenngrößen des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors.

• Sie kennen die Eingangs- und Ausgangskennlinie des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors.

• Sie können die Abschnürspannung des FET aus den Kennlinien ablesen.

• Sie können die Ansteuerung einer Leuchte mit einem FET aufbauen.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 XI

Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter

Aufgabe 1 2 3 4 5

Lernziel

Sie kennen den Aufbau und die Wirkungsweise von Halbleiterdioden. •

Sie kennen den Kennlinienverlauf der Siliziumdiode. •

Sie kennen die wichtigsten Kennwerte von Halbleiterdioden. •

Sie können den Arbeitspunkt der Diode zeichnerisch bestimmen. •

Sie kennen die Wirkungsweise der Z-Diode. •

Sie kennen die Zusammenhänge der Spannungen und Ströme in einer

Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode. •

Sie können eine Stabilisierungsschaltung dimensionieren. •

Sie kennen die Wirkungsweise von Leuchtdioden. •

Sie kennen den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Farben von LEDs und der

Durchlassspannung. •

Sie können den Vorwiderstand einer LED dimensionieren. •

Sie kennen Aufbau und Arbeitsweise des Transistors. •

Sie kennen die Eingangskennlinie, die Stromverstärkungskennlinie und die

Ausgangskennlinie. •

Sie können den Arbeitspunkt eines Transistors einstellen. •

Sie können die Wechselspannungsverstärkung und die Wechselstromverstärkung einer

Verstärkerstufe bestimmen. •

Sie kennen die verschiedenen Arten von Feldeffekt-Transistoren und deren entscheidenden

Unterschied. •

Sie kennen wichtige Kenngrößen des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors. •

Sie kennen die Eingangs- und Ausgangskennlinie des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors. •

Sie können die Abschnürspannung des FET aus den Kennlinien ablesen. •

Sie können die Ansteuerung einer Leuchte mit einem FET aufbauen. •

XII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Gerätesatz

Das Arbeitsbuch Grundlagen Halbleiter vermittelt Kenntnisse über den Aufbau und die Funktion der

Bauelemente sowie über das Verhalten der Bauelemente in Grundschaltungen und einfachen

Anwendungsschaltungen.

Der Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) enthält alle Komponenten, die für die

Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger

Schaltungen werden zusätzlich zwei Digital-Multimeter, ein Speicher-Oszilloskop und Sicherheits-

Laborleitungen benötigt.

Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 571780

Komponente Bestell-Nr. Menge

Grundlagen-Netzteil EduTrainer® 567321 1

Universal-Steckfeld EduTrainer® 567322 1

Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik 567306 1

Satz Brückenstecker, 19 mm, grau-schwarz 571809 1

Übersicht Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 567306

Komponente Menge

Widerstand, 10 Ω/2 W 1








Widerstand, 1 kΩ/2 W 3

Widerstand, 2,2 kΩ/2 W 2

Widerstand, 4,7 kΩ/2 W 2





Widerstand, 1 MΩ/2 W 1

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 XIII

Komponente Menge

Potentiometer, 1 kΩ/0,5 W 1

Potentiometer, 10 kΩ/0,5 W 1

Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kΩ/0,45 W 1

Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W 1

Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W 1

Kondensator, 100 pF/100 V 1

Kondensator, 10 nF/100 V 2

Kondensator, 47 nF/100 V 1

Kondensator, 0,1 μF/100 V 2




Kondensator, 10 μF/250 V, gepolt 2



Spule, 100 mH/50 mA 1

Diode, AA118 1

Diode, 1N4007 6

Z-Diode, ZPD 3,3 1

Z-Diode, ZPD 10 1

Diac, 33 V/1 mA 1

NPN-Transistor, BC140, 40 V/1 A 2

NPN-Transistor, BC547, 50 V/100 mA 1

PNP-Transistor, BC160, 40 V/1 A 1

P-Kanal-JFET-Transistor, 2N3820, 20 V/10 mA 1

N-Kanal-JFET-Transistor, 2N3819, 25 V/50 mA 1

UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647, 35 V/50 mA 1

P-Kanal-MOSFET-Transistor, BS250, 60 V/180 mA 1

Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A 1

Triac, TIC206, 400 V/4 A 1

Transformatorspule, N = 200 1

Transformatorspule, N = 600 2

Transformatoreisenkern mit Halter 1

Leuchtmelder, 12 V/62 mA 1

Leuchtdiode (LED), 20 mA, blau 1

Leuchtdiode (LED), 20 mA, rot oder grün 1

Wechsler 1

XIV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Grafische Symbole des Gerätesatzes

Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol

Widerstand Z-Diode

Potentiometer Diac

Widerstand,

temperaturabhängig (NTC) NPN-Transistor

Widerstand, lichtabhängig

(LDR) PNP-Transistor

Widerstand,

spannungsabhängig (VDR)

U

P-Kanal-JFET-Transistor

Kondensator N-Kanal-JFET-Transistor

Kondensator, gepolt UNIJUNCTION-Transistor

Spule P-Kanal-MOSFET-Transistor

Diode Thyristor

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 XV

Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol

Triac LED blau

Transformatorspule LED rot oder grün

Leuchtmelder Wechsler

XVI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter

Aufgabe 1 2 3 4 5

Komponente

Widerstand 10 Ω, 2W 1

Widerstand 100 Ω, 2W 1 1




Widerstand 680 Ω, 2W 1

Widerstand 1 kΩ, 2W 1 1

Widerstand 2,2 kΩ, 2W 2

Widerstand 4,7 kΩ, 2W 2 1

Widerstand 10 kΩ, 2W 1 1

Widerstand 47 kΩ, 2W 2

Widerstand 100 kΩ, 2W 1

Potentiometer 1 kΩ, 0,5 W 1 1

Potentiometer 10 kΩ, 0,5 W 1

Kondensator 10 μF, gepolt 2

Kondensator 100 μF, gepolt 1

Diode 1N4007 1

Z-Diode ZPD 10 1

Leuchtdiode, 20 mA, blau 1

Leuchtdiode, 20 mA, rot oder grün 1

Leuchtmelder 12 V, 62 mA 1 1 1

NPN-Transistor BC140 1

NPN-Transistor BC547 1

PNP-Transistor BC160 1

N-Kanal-JFET -Transistor 2N3819 1

P-Kanal-MOSFET-Transistor BS250 1

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 XVII

Aufgabe 1 2 3 4 5

Komponente

Voltmeter 1 1 1 1 2

Amperemeter 1 1 1 2 2

Oszilloskop 1

Grundlagen-Netzteil 1 1 1 1 1

XVIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Hinweise für den Lehrer/Ausbilder

Lernziele Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Analysieren und Auswerten von einfachen

Grundschaltungen mit Halbleiterbauelementen. Die Erkenntnisse werden durch theoretische

Fragestellungen, durch den praktischen Aufbau der Schaltungen und das Messen von elektrischen Größen

gewonnen. Durch diese direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger

Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert. Konkrete Einzellernziele sind

jeder Aufgabenstellung zugeordnet.

Richtzeit Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab.

Pro Aufgabe können ca. 1 bis 1,5 Stunden angesetzt werden.

Komponenten des Gerätesatzes Arbeitsbuch und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 5 Aufgaben benötigen Sie nur

Komponenten eines Gerätesatzes TP 1011.

Normen Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet:

EN 60617-2 bis EN 60617-8 Graphische Symbole für Schaltpläne

EN 81346-2 Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte;

Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung

DIN VDE 0100-100 Errichten von Niederspannungsanlagen – Allgemeine Grundsätze,

(IEC 60364-1) Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe

DIN VDE 0100-410 Errichten von Niederspannungsanlagen – Schutzmaßnahmen –

(IEC 60346-4-41) Schutz gegen elektrischen Schlag

Kennzeichnungen im Arbeitsbuch Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt.

Ausnahme: Angaben und Auswertungen zu Strom sind immer rot dargestellt, Angaben und Auswertungen

zur Spannung sind immer blau dargestellt.

Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.

Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 XIX

Lösungen Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer

Messungen können von diesen Daten abweichen.

Lernfelder Für den Ausbildungsberuf Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema „Grundlagen Halbleiter“ dem Lernfeld 1

der Berufsschule zugeordnet.

Struktur der Aufgaben

Alle 5 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in:

• Titel

• Lernziele

• Problemstellung

• Schaltung oder Lageplan

• Arbeitsauftrag

• Arbeitshilfen

• Arbeitsblätter

Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung.

Bezeichnung der Komponenten

Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN 81346-2.

In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines

Schaltkreises werden durchnummeriert.

Widerstände: R, R1, R2, ...

Kondensatoren: C, C1, C2, …

Signalgeräte: P, P1, P2, ...

Hinweis

Werden Widerstände und Kondensatoren als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe

zur Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich,

werden diese als Indizes behandelt und tiefgestellt.

XX © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281

Inhalte der CD-ROM

Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-Datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM

Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung.

Die CD-ROM enthält folgende Ordner:

• Bedienungsanleitungen

• Bilder

• Produktinformationen

Bedienungsanleitungen Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese

Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten.

Bilder Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit

können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den

Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden.

Produktinformationen Für ausgesuchte Komponenten erhalten Sie Produktinformationen des Herstellers. Die Darstellung und

Beschreibung der Komponenten in dieser Form soll zeigen, wie diese Komponenten in einem industriellen

Katalog dargestellt sind. Zusätzlich finden Sie hier ergänzende Informationen zu den Komponenten.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 1

Inhalt

Aufgaben und Lösungen






2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281


Aufgabe 1 Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung

Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,

• kennen Sie den Aufbau und die Wirkungsweise von Halbleiterdioden.

• kennen Sie den Kennlinienverlauf der Siliziumdiode.

• kennen Sie die wichtigsten Kennwerte von Halbleiterdioden.

• können Sie den Arbeitspunkt der Diode zeichnerisch bestimmen.

Problemstellung Ein Föhn mit zwei Heizstufen nutzt einen Einweggleichrichter zur Leistungsreduzierung bei der niedrigen

Heizstufe 1. Durch die pulsierende Gleichspannung entsteht nur die halbe Leistung. Der maximale Strom der

durch die Diode fließt beträgt 0,7 A. Es stehen die Dioden 1N4007, 1N4148 und BAX18 zur Auswahl.

Überprüfen Sie, welche dieser Dioden für die Schaltung geeignet ist.

Lageplan

Föhn mit zwei Heizstufen

Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung


Arbeitsaufträge 1. Machen Sie sich mit dem Aufbau von Halbleiterdioden vertraut.

2. Untersuchen Sie die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode.

3. Nehmen Sie die Kennlinie einer Halbleiterdiode auf.

4. Bestimmen Sie den Arbeitspunkt einer Halbleiterdiode.

5. Erklären Sie Kennwerte und Grenzwerte von Halbleiterdioden.

6. Wählen Sie eine Diode für den Föhn und begründen Sie Ihre Auswahl.

Arbeitshilfen • Datenblätter

• Fachbuch

• Tabellenbuch

• WBT Elektronik 1

Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung


1. Aufbau von Halbleiterdioden

Information

Dioden sind Halbleiter. Sie bestehen aus einer P-Schicht und einer N-Schicht. Durch das

Zusammenbringen der unterschiedlich dotierten Halbleiter entsteht der PN-Übergang.

P N

a) Vervollständigen Sie:

Der Anschluss an der P-Schicht heißt Anode.

Der Anschluss an der N-Schicht heißt Kathode.

b) Nennen Sie zwei Halbleiterwerkstoffe, die man für Dioden verwendet.

Vor allem Silizium und vereinzelt noch Germanium werden als Halbleiterwerkstoffe verwendet.

c) Zeichnen Sie das Schaltzeichen der Halbleiterdiode und benennen Sie die beiden Anschlüsse.

1 2

1 : Anode 2 : Kathode

d) Vergleichen Sie das Schaltzeichen mit der abgebildeten Diode und identifizieren Sie die Anschlüsse.

Begründen Sie Ihre Antwort.

1 2

1 : Anode 2 : Kathode

Begründung

Der Ring dient zur Kennzeichnung der Kathode.



2. Wirkungsweise von Halbleiterdioden

a) Bei Widerständen und Glühlampen ist die Polung unbedeutend. Ist das bei Dioden auch der Fall?

Bauen Sie die Schaltung auf. Stecken Sie zuerst die Diode gemäß Polarität 1 in die Schaltung. Danach

stecken Sie die Diode gemäß Polarität 2 in die Schaltung.

U = 12 V

P

R R

1 2

+

Messschaltung mit Diode

Kennzeichnung Benennung Parameter

R Diode 1N4007

P Leuchtmelder 12 V, 62 mA

— Netzteil 0 – 25 V

Geräteliste

b) Beschreiben Sie, was zu beobachten ist.

Die Lampe leuchtet nur, wenn die Diode die Polarität 1 aufweist.

c) Welchen Schluss können Sie daraus für die Diode schließen?

Bei Dioden ist die Polung von Bedeutung. Halbleiterdioden lassen den Strom nur in eine Richtung

durch. Sie sperren den Strom in entgegengesetzter Richtung.



d) Entsprechend der Polung unterscheidet man zwischen der Durchlassrichtung und der Sperrrichtung.

Zeichnen Sie die Diode mit der richtigen Polung in das Schaltbild ein.

Durchlassrichtung Sperrrichtung

U = 12 V+

P

R+

V UF

U = 12 V+

P

R+

V UR

e) Überprüfen Sie, ob die Diode ein ideales Bauteil ist. Messen Sie dazu mit einem Multimeter parallel zur

Diode den Spannungsabfall an der Diode in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung.

Durchlassrichtung UF = 0,7 V Sperrrichtung UR = 12 V

f) Welche Erkenntnis gewinnen Sie?

Durch den großen Widerstand der Diode in Sperrrichtung liegt in Sperrrichtung die gesamte Spannung

an der Diode. In Durchlassrichtung liegt eine kleine Durchlassspannung an. Folglich ist die Diode nicht

ideal leitend.



3. Kennlinienaufnahme einer Halbleiterdiode

Information

Durch die Strom-Spannungs-Kennlinie wird das elektrische Verhalten der Halbleiterdiode

beschrieben. Sie zeigt die Abhängigkeit des durch die Diode fließenden Stroms von der angelegten

Spannung.

U = 0 – 25 V+

R+

V UF

AIF

RV

Durchlassrichtung

+U = 0 – 25 V

R+

V UR

AIR

RV

Sperrrichtung

Messschaltungen zur Kennlinienaufnahme



Kennzeichnung Benennung Parameter

RV Widerstand 1 kΩ, 2 W

R Diode 1N4007

— Voltmeter

— Amperemeter

— Netzteil 0 – 25 V

Geräteliste

a) Um die Abhängigkeit des fließenden Stroms von der angelegten Spannung zu ermitteln, legen Sie

nacheinander die Durchlassspannungen UF nach Messtabelle an die Diode an und messen Sie den

dazugehörigen Durchlassstrom IF. Tragen Sie die gemessenen Werte in die Tabelle ein.

• Verwenden Sie für die Messung im Durchlassbereich die Stromfehlerschaltung (Schaltung a).

UF [V] 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

IF [mA] 0 0 0 0 0 0,17 1,47 12,6

Durchlassrichtung

• Verwenden Sie für die Messung im Sperrbereich die Spannungsfehlerschaltung (Schaltung b).

UR [V] 0,0 2,5 5 7,5 10 15 20 25

IF [nA] 0 0 0 0 0 0 0 0

Sperrrichtung



b) Konstruktion der Diodenkennlinie

Übertragen Sie die Werte aus beiden Messungen in das Diagramm.

0

20

5

10

15

20

25

30

35

40

45

40

60

80

IF [mA]

IR [nA]

UF [V]UR [V]

0102030 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Diodenkennlinie

c) Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung.

Zuerst steigt die Vorwärtsspannung mit zunehmender Stromstärke langsam an. Ab einer bestimmten

Spannung steigt der Vorwärtsstrom deutlich an. Bei angelegter Sperrspannung ist mit zunehmender

Spannung kein Stromfluss erkennbar.

d) Wie bezeichnet man die Spannung, bei der die Diode leitend wird?

Die Spannung wird als Schleusenspannung bezeichnet.

e) Bestimmen Sie die Schleusenspannung der Diode mithilfe einer Tangente an der Diodenkennlinie. Um

welches Halbleitermaterial handelt es sich?

(Schleusenspannungen: Ge-Diode: 0,3 V, Si-Diode: 0,7 V)

Die Schleusenspannung beträgt 0,7 V. Folglich handelt es sich um eine Siliziumdiode.



4. Arbeitspunktbestimmung

Information

Um den Arbeitspunkt einer Diode zu bestimmen können, wird üblicherweise eine zeichnerische

Lösung gewählt.

a) Ermitteln Sie den Arbeitspunkt für folgende Schaltung.

UF

RVR

UR

U

Reihenschaltung Diode und Widerstand; U = 1,5 V, RV = 0,5 Ω

I [A]

U [V]

0 0.5 1 1.5 20

2

4

6

8

10

IF

UF UR

Kennlinie der Diode 1N4007

• Zeichen Sie die Arbeitsgerade des Widerstandes spiegelbildlich in die Kennlinie.

1. Zeichen Sie den Schnittpunkt mit der x-Achse bei U ein.

2. Zeichen Sie den Schnittpunkt mit der y-Achse bei U/RV ein.

3. Verbinden Sie die Punkte

• Tragen Sie den Arbeitspunkt ein.

Der Arbeitspunkt ist der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der Diodenkennlinie.



b) Mit Hilfe des Arbeitspunktes lassen sich die Spannung UF, die Spannung UR und der Strom IF bestimmen. Tragen Sie die erforderlichen Werte in die Kennlinie ein und lesen Sie die Werte ab.

Durchlassspannung UF = 0,96 V Spannung UR = 0,54 V Durchlassstrom IF = 1,07 A

5. Kennwerte und Grenzwerte von Halbleiterdioden

a) Recherchieren Sie, was man unter Kennwerten und Grenzwerten versteht.

Kennwerte

Beschreiben Eigenschaften eines Halbleiterbauelementes in einem bestimmten Arbeitspunkt.

Grenzwerte

Beschreiben Werte, die nicht überschritten werden dürfen, ohne eine sofortige Zerstörung des

Bauelementes zu riskieren.

b) Bestimmen Sie die Bedeutung der wichtigen Kennwerte.

Durchlassspannung UF

Spannung in Durchlassrichtung

Durchlassstrom IF

Strom in Durchlassrichtung



c) Bestimmen Sie die Bedeutung der wichtigen Grenzwerte.

Periodische Spitzensperrspannung URRM

Maximal erlaubte periodisch auftretende Sperrspannung

Stoßvorwärtsstrom IFSM

Höchstzulässiger einmaliger Stromimpuls mit definierter Dauer

Verlustleistung Ptot

Maximal zulässige Verlustleistung

d) Ermitteln Sie mit Hilfe des Datenblattes die für die Diode 1N4007 geltenden Grenzwerte und Kennwerte.

Diode Durchlassspannung UF Durchlassstrom IF Periodische Spitzen-sperrspannung URRM

Stoßvorwärtsstrom IFSM

1N4001 < 1,1 V 1 A 1000 V 30 A

e) Recherchieren Sie, was in dem Datenblatt der Diode „maximum RMS voltage“ bedeutet.

RMS ist die Abkürzung für Effektivwert (engl. root mean square). Daher ist URMS der maximale erlaubte

periodische auftretende Effektivwert der Sperrspannung.



6. Bestimmen der Diode zur Leistungsreduzierung

Information Zur Auswahl von Gleichrichterdioden sind vor allem die periodische Spitzensperrspannung URRM

und die Verlustleistung Ptot von Bedeutung. Diese dürfen nicht über den Grenzwerten liegen.

a) Ermitteln Sie mit Hilfe der Datenblätter welche der drei Dioden für diese Schaltung eingesetzt werden

kann. Begründen Sie Ihre Antwort.

U

feff = 230 V= 50 Hz

RV

UF

R

0

2

3

1

Schaltplan; Widerstand RV: 680 Ω

Gegeben Auszug Datenblatt der Dioden BAX18, 1N4148 und 1N4007

Eingangsspannung Ueff = 230 V

Durchlassstrom IFmax = 0,5 A

Gesucht periodische Spitzensperrspannung URRM

Verlustleistung Ptot



Rechnung

• Überlegen Sie, welche maximale periodische Spitzensperrspannung URRM an der Diode anliegen kann.

Effektivwert der Wechselspannung Ueff = 230 V, daraus folgt für den Scheitelwert der

Wechselspannung U = 325 V. Folglich ist die maximale Sperrspannung, die an der Diode anliegen

kann 325 V.

• Berechnen Sie die maximale Verlustleistung P der Dioden bei 25 °C mit Hilfe der Datenblätter.

Maximale Verlustleistung in der Diode entsteht, wenn die maximale Spannung am Eingang anliegt.

Diese liegt an, wenn der Scheitelwert der Eingangsspannung (U = 325 V) erreicht ist.

Arbeitspunkt einzeichnen und Werte für UF in diesem Arbeitspunkt ablesen.

Leistung berechnen: F FP U I= ⋅

UF aus der jeweiligen Kennlinie ablesen

P1N4148 = keine Berechnung notwendig, da IF = 150mA

PBAX18 = 0,9 V · 0,5 A = 0,45 W = 450 mW (allerdings keine Berechnung notwendig, da URRM = 110 V)

P1N4007 = 0,85 V · 0,5 A = 0,425 W = 425 mW



b) Vergleichen Sie die berechneten Werte mit den Grenzwerten aus dem Datenblatt. Für welche Diode

entscheiden Sie sich. Begründen Sie Ihre Antwort.

Aus dem Datenblättern können folgende Werte entnommen werden:

Diode 1N4007 Diode BAX18 Diode 1N4148

URRM 1000 V 110 V 100 V

Ptot 3 W 80 mW 500 mW

Laut den Berechnungen ergeben sich die folgenden Werte:

Diode 1N4007 Diode BAX18 Diode 1N4148

URRM 325 V 325 V 325 V

Ptot 425 mW 450 mW –

Es kann nur die Diode 1N4007 für diese Schaltung eingesetzt werden.

Bei der Diode BAX18 ist die maximal erlaubte periodisch auftretende Sperrspannung URRM geringer als

der tatsächlich auftretenden Sperrspannung. Des Weiteren ist die Verlustleistung, die bei der Diode

BAX18 auftreten würde, größer als die erlaubte Verlustleistung Ptot.

Bei der Diode 1N4148 beträgt der maximal zulässige Vorwärtsstrom nur 150 mA und ist damit weit

unter dem tatsächlichen Durchlassstrom von 0,5 A.



Auszug Datenblatt Diode 1N4007



Auszug Datenblatt Diode 1N4148



Auszug Datenblatt Diode BAX18

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