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Elektrische BAUELEMENTE

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www.kurcz.at © Florian Kurcz

Elektrische BAUELEMENTE Inhaltsverzeichnis

Florian Kurcz

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1 Widerstände ...................................................................................................... 1

1.1 Einteilung ................................................................................................................................................ 1

1.1.1 Lineare Widerstände ............................................................................................................... 1

1.1.2 Nichtlineare Widerstände ....................................................................................................... 1

1.1.3 Auswahlgruppen von Festwiderständen ................................................................................. 2

1.2 Normreihen ............................................................................................................................................ 2

1.3 Farbcode .................................................................................................................................................. 3

1.3.1 Vierfachberingung ................................................................................................................... 3

1.3.2 Fünfachberingung .................................................................................................................... 4

1.4 Belastbarkeit von Widerständen ................................................................................................... 4

1.4.1 Nennbelastbarkeit ................................................................................................................... 5

1.4.2 Impulsbelastbarkeit ................................................................................................................. 5

1.5 Bauarten von Festwiderständen .................................................................................................... 5

1.5.1 Schichtwiderstände ................................................................................................................. 5

1.5.2 Drahtwiderstände.................................................................................................................... 7

1.5.3 Widerstände in der Mikromodultechnik ................................................................................. 8

1.6 Einstellbare Widerstände ................................................................................................................. 9

1.6.1 Allgemein ................................................................................................................................. 9

1.6.2 Einstellbare Schichtwiderstände ........................................................................................... 10

1.6.3 Einstellbare Drahtwiderstände .............................................................................................. 10

2 Kondensator ................................................................................................... 11

2.1 Grundbegriffe ...................................................................................................................................... 11

2.1.1 Definition ............................................................................................................................... 11

2.1.2 Kenndaten ............................................................................................................................. 11

2.2 Bauformen ........................................................................................................................................... 11

2.2.1 Keramikkondensator ............................................................................................................. 11

2.2.2 Wickel- Schicht- oder Kunststoffkondensatoren ................................................................... 12

2.2.3 Elektrolytkondensatoren ....................................................................................................... 12

2.3 Anwendungen ..................................................................................................................................... 12

2.3.1 Stützkondensator .................................................................................................................. 12

2.3.2 Filteranwendung ................................................................................................................... 13

3 Spulen ............................................................................................................... 15

3.1 Grundbegriffe ...................................................................................................................................... 15

3.1.1 Verhalten einer Spule ............................................................................................................ 15

3.2 Bauformen ........................................................................................................................................... 15

3.2.1 Kerne aus Eisenblech ............................................................................................................. 15

3.2.2 Hochfrequenzeisenkerne ...................................................................................................... 15

3.2.3 Ferritkerne ............................................................................................................................. 15

3.3 Anwendungen ..................................................................................................................................... 15

3.3.1 Tiefpass .................................................................................................................................. 15

3.3.2 Hochpass ............................................................................................................................... 16

3.3.3 Spule einschalten................................................................................................................... 16

Elektrische BAUELEMENTE Inhaltsverzeichnis

Florian Kurcz

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3.3.4 Spule ausschalten .................................................................................................................. 16

4 Dioden ............................................................................................................... 17

4.1 Grundlagen .......................................................................................................................................... 17

4.1.1 Grundbegriffe ........................................................................................................................ 17

4.1.2 PN Übergang .......................................................................................................................... 20

4.2 Gleichricht- und Schaltdioden ...................................................................................................... 23

4.2.1 Kennlinie ................................................................................................................................ 23

4.2.2 Grenzdaten ............................................................................................................................ 25

4.2.3 Statische Kenndaten .............................................................................................................. 25

4.2.4 Dynamische Kenndaten ......................................................................................................... 25

4.2.5 Anwendungen von Gleichrichter ........................................................................................... 27

4.2.6 Dioden Bezeichnungsschema ................................................................................................ 32

4.3 Zenerdiode ........................................................................................................................................... 32

4.3.1 Kennlinien .............................................................................................................................. 33

4.3.2 Kenngrößen ........................................................................................................................... 33

4.3.3 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden .................................................................................. 34

4.4 Spezielle Halbleiterdioden ............................................................................................................. 36

4.4.1 Kapazitätsdioden ................................................................................................................... 36

4.4.2 Schottkydioden ...................................................................................................................... 37

5 Transistor ........................................................................................................ 38

5.1 Bipolar Transistor ............................................................................................................................. 38

5.1.1 Aufbau und Wirkungsweise................................................................................................... 38

5.1.2 Kennlinien .............................................................................................................................. 39

5.1.3 Kenngrößen ........................................................................................................................... 41

5.1.4 Gleichstromverhalten, Arbeitspunkteinstellung ................................................................... 43

5.1.5 Kleinsignalverhalten .............................................................................................................. 45

5.1.6 Schaltverhalten ...................................................................................................................... 51

5.2 Feldeffekttransistoren ..................................................................................................................... 54

5.2.1 J-FET ....................................................................................................................................... 54

5.2.2 Selbstleitender MOS-FET ....................................................................................................... 55

5.2.3 Selbstsperrender MOS – FET ................................................................................................. 56

5.2.4 Kenngrößen ........................................................................................................................... 57

5.2.5 Kleinsignalverhalten .............................................................................................................. 58

5.2.6 Verstärkeranwendungen von FET ......................................................................................... 59

5.2.7 HF- und Schaltverhalten ........................................................................................................ 60

6 Leistungselektronik ..................................................................................... 61

6.1 Thyristor ............................................................................................................................................... 61

6.2 DIAC ........................................................................................................................................................ 63

6.3 TRIAC ..................................................................................................................................................... 64

6.4 Leistungs-MOSFET ............................................................................................................................ 67

Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände

Florian Kurcz Einteilung

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1 Widerstände

1.1 Einteilung

1.1.1 Lineare Widerstände

Ein ohmscher Widerstand ist ein Widerstand, der unabhängig von Strom und Spannung ist.

....... Schaltzeichen

R1 > R2, da

=> bei doppeltem Strom => doppelter Spannungsabfall.

1.1.2 Nichtlineare Widerstände

1.1.2.1 Varistor – VDR

VDR … voltage dependent resistor

U

Steigt die Temperatur, so steigt der Widerstand

Ein Varistor ist ein spannungsabhängiger Widerstand. Oberhalb einer bestimmten Schwellspannung wird der Widerstand abrupt kleiner. Die Kennlinie ist dabei symmetrisch zur Spannung.

1.1.2.2 Heißleiter – NTC

NTC … negative temperature coefficient

Steigt die Temperatur, so sinkt der Widerstand


Florian Kurcz Normreihen

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1.1.2.3 Kaltleiter – PTC

PTC … positive temperature coefficient

Steigt die Temperatur, so steigt der Widerstand

R[ ]

[°c]

106

105

104

103

102

20 40 60 80 100 120 140 A N E

RA

RN

RE

A . . . Anfangstemperatur

N . . . Nenntemperatur

E . . . Endtemperatur

RA . . . Widerstand bei A RN . . . Nennwiderstand

RE . . . Widerstand bei E

1.1.3 Auswahlgruppen von Festwiderständen

Wert, Toleranz

Temperaturabhängig, Frequenzabhängig

Wertänderung durch Alterung

Belastbarkeit

1.2 Normreihen

Aus wirtschaftlichen Gründen sind die Nennwerte von Festwiderständen nach so genannten Normreihen abgestuft. Die Abstufung erfolgt durch einen Stufensprung.

Die IEC unterscheiden:

E6 ........6 Normreihen / Dekade => Stufensprung = 1,47 20%

E12.....12 Normreihen / Dekade => Stufensprung = 1,21 10%

E24.....24 Normreihen / Dekade => Stufensprung = 1,10 5% E6: 1 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8

E12: 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2

Für Sonderfälle existieren auch noch:

E48 2%

E96 1%

E192 0,5% Die Normreihen sind so festgelegt, dass sich die Toleranzfelder der einzelnen Werte berühren oder überschneiden.


Florian Kurcz Farbcode

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

R0,8 1,2

1,2 1,8

1,76 2,64

2,64 3,96

3,76 5,64

5,44 8,16

Wie die Widerstandswerte sind auch die Nennbelastbarkeiten abgestuft.

Typische Belastbarkeiten sind:

1.3 Farbcode

Bei Widerständen mit kleiner Leistung wird der Wert und die Toleranz mittels Farbcode angegeben.

Verwendet wird die Vierfachberingung (Normreihen E6, E12, E24) und die Fünffachberingung (E48,

E96 und E192).

1.3.1 Vierfachberingung

Farbe Wert Multiplikator Toleranz

Farblos ± 20%

Silber 10-2 Ω ± 10%

Gold 10-1 Ω ± 5%

Schwarz 0 100 Ω

Braun 1 101 Ω ± 1%

Rot 2 102 Ω ± 2%

Orange 3 103 Ω

Gelb 4 104 Ω

Grün 5 105 Ω ± 0,5%

Blau 6 106 Ω

Violett 7 107 Ω

Grau 8 108 Ω

Weiß 9 109 Ω


Florian Kurcz Belastbarkeit von Widerständen

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Bsp.: Braun Schwarz Rot Silber => 1000 10% = E12

470k 5% => gelb violett gelb Gold

15k 10% => braun grün orange Silber

1.3.2 Fünfachberingung

Bsp.: 1 1% => braun schwarz schwarz Silber braun

Braun grau violett orange rot => 187k 2%

Orange blau orange Gold braun => 36,3 1%

1.4 Belastbarkeit von Widerständen

Die vom Hersteller angegebene Nennbelastbarkeit gilt nur bis zu einer bestimmten Umgebungs-

temperatur (meist 40 oder 55°C). Steigt die Umgebungstemperatur kann die im Widerstand erzeugte

Wärme nicht mehr so gut abgegeben werden. Die Nennbelastbarkeit sinkt linear ab.

P ………. Belastbarkeit

…… Wärmewiderstand

…. Maximale Bauteiltemperatur ……. Umgebungstemperatur

Der Wärmewiderstand RTh gibt an, wie gut das Bauteil die Verlustwärme an die Umgebung abgeben

kann. RTh von 10 bedeutet dass sich das Bauteil pro Watt Verlustleistung um 10 K ~ 10°C erwärmt.

U

P[W]

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

20 40 60 80 100 120 140

max =125°C

hier gilt die Formel

Bsp.: Ein Kohleschichtwiderstand hat laut Tabellenbuch eine Nennbelastbarkeit von 0,5°. Die Umgebungstemperatur beträgt 40°C. Die max. Bauteiltemperatur liegt bei 125°C.

Bsp.: Mit welcher Belastbarkeit kann dieser Widerstand bei einer Umgebungstemperatur von 96°C belastet werden?


Florian Kurcz Bauarten von Festwiderständen

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Bsp.: Wie warm darf es in einem Gehäuse höchstens sein, wenn dieser Widerstand mit 0,4W betrieben wird.

Bsp.: Mit welcher Leistung kann der Widerstand bei 20°C betrieben werden. siehe Diagramm!

1.4.1 Nennbelastbarkeit

Die Nennbelastbarkeit ist im Allgemeinen wie folgt abgestuft:

0,05, 0,1, 0,125, 0,5, 0,1, 2, 3, 6, 10, 20

1.4.2 Impulsbelastbarkeit

Die mittlere Last darf höchstens gleich der zulässigen Belastbarkeit sein. Die Spitzenspannung darf höchstens das 3,5 fache der Betriebsspannung betragen. Die Spitzenlast darf höchstens das 6 fache der max. Belastbarkeit sein.

P [W]

t [s]

P [W]

t [s] t [s]

P [W]

Bsp.: Geg.: Kohleschichtwiderstand R = 22kΩ, ±5%, 0,1W. Ges.: Die erlaubte Spitzenspannung bei Impulsbelastung.

1.5 Bauarten von Festwiderständen

1.5.1 Schichtwiderstände

1.5.1.1 Aufbau

Zylindrischer Keramik oder Hartglaskörper mit einer dünnen leitfähigen Schicht

Schichtdicke : 1nm – 20µm.

Schichtwerkstoff: Kohle, Metalle, Oxide, Edelmetalle. Den Widerstandswert erreicht man annähernd durch die Wahl der Schichtdicke (Bei der

Aufdampftechnologie 10% ohne abgleichen erreichbar). Bei höherer Genauigkeit wird der Widerstand durch Einschliff in die Schicht abgeglichen.

Schliffarten

a. Wendelschliff

WiderstandsmaterialAnschlüsse

MetallkappenWendelschliff



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Bei diesem Schliff entsteht eine Bahnförmige um den Träger laufende Widerstandsbahn, welche die Induktivität erhöht, daher nur bis 200kHz einsetzbar.

b. Mäanderschliff

Widerstandsmaterial Anschlüsse

MetallkappenMäandaschliff

abgewickelte Widerstandsbahn:

Aufbau: Besonders hochwertig sind Kappenanschlüsse meist aus Messing, welche auf beiden

Enden des Körpers aufgepresst werden.

Anschlüsse

Widerstandsmaterial

Einbrennpaste

Trägerkörper

Besonders hochwertig sind Kappenanschlüsse aus Messing mit aufgeschweißten Anschlussdrähten.

Diese Kappen werden an beiden Enden auf den Widerstandskörper aufgepresst. Beim kappenlosen

Widerstand werden die Anschlussdrähte etwa 2 mm tief in die stirnseitigen Ausnehmungen

eingepresst und mit dem Metallüberzug (Einbrennpaste) mit der Widerstandsschicht leitend

verbunden.

Der Widerstandskörper (samt Kappen) wird mit Lack oder Kunstharz überzogen um den Widerstand

gegen Feuchtigkeit und mechanische Beschädigung zu schützen.

1.5.1.2 Bestückung

Die Anschlüsse müssen vor der Bestückung gebogen und auf die richtige Länge geschnitten werden.

Den Anschlussdraht nicht direkt am Widerstandskörper biegen, sondern ein Abstand von 1-2 mm

eingehalten!

Aufgrund der Maschinenbestückung werden die Bauteile gegurtet geliefert.

z.B. 4RMPlatine



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1.5.1.3 Kohleschichtwiderstände

Material: Kohleschicht

Nennwerte: bis E24

Temperaturbeiwert: bis −1500 ppm/_C

Belastbarkeit: bis 1 W

Vorteil: - billig

Nachteile: - hoher Temperaturbeiwert - große Toleranzen

1.5.1.4 Metallschichtwiderstände

Material: - Metalloxide (z.B.: SnO2) - Metalloxidwiderstand - Nickel-Chrom Film - Metallfilmwiderstand - Edelmetalle (wie Au, Pt) - Edelmetallschicht- (EMS-) Widerstand

Temperaturbeiwert: 50 ppm/°C bis 250 ppm/°C

Vorteile: - geringe Toleranz und kleiner Temperaturbeiwert - hohe Betriebstemperatur daher wesentlich größere Belastbarkeit bei gleichen

Abmessungen als Kohleschichtwiderstände

Anwendung: - für hohe Umgebungs- und Betriebstemperaturen - als Mess- und Präzisionswiderstand

1.5.2 Drahtwiderstände

1.5.2.1 Aufbau

Auf einem Temperaturbeständigen Keramikkörper wird ein Widerstandsdraht gewickelt. Bei normaler Wicklung => hohe Induktivität. Abhilfe: bifilare Wicklung

Der Widerstandsdraht wird in der Mitte zusammengefaltet und doppeldrähtig gewickelt. Zwei

nebeneinanderliegende Windungen werden dann entgegengesetzt vom Strom durchflossen)

Magnetfelder heben sich fast auf) wesentlich geringere Induktivität! Die Widerstandsdrähte müssen

bei enger Wicklung isoliert sein. Da eine Lackisolierung sehr temperaturempfindlich

ist, wird die Isolation durch Oberflächenoxidation erreicht. Drahtwiderstände können im Prinzip bis

zum Schmelzpunkt der Lötstelle erwärmt werden, daher hohe Belastbarkeit (0, 5 − 200 W).

1.5.2.2 Widerstandsmaterial

Konstantan: Cu-Ni Legierung (54% Cu, 44% Ni, 2% Mn) Temperaturbeiwert: −40 ppm/°C

für Präzisions- und Messwiderstände geeignet

hohe Thermospannung gegen Kupfer) für Thermoelemente verwendet



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Manganin: Cu-Mn Legierung Temperaturbeiwert: +20 ppm/°C

hauptsächlich für Messwiderstände verwendet

1.5.2.3 Bauformen

auf Trägerrohr: für kleinere Leistungen

im Keramikgehäuse: für größere Leistungen mit Keramikkühlkörper

im Aluminiumgehäuse: sehr hohe Belastbarkeit, isolierter Einbau in einem Al-Kühlkörper

1.5.3 Widerstände in der Mikromodultechnik

Widerstände, Dioden, Transistoren und Kondensatoren werden zu einer Schaltung vereinigt und mit

Kunststoff um presst = Modul.

1.5.3.1 Dickschichttechnik (Dickfilmtechnik)

Herstellung der Widerstände aus Metallpasten (Mischung aus Metallen, Metalloxiden und Glas =

CERMET = Keramik-Metall).

Diese Pasten werden nach dem Siebdruckverfahren auf das Trägermaterial (z.B. Keramikplättchen)

gedruckt und anschließend eingebrannt. Beim Siebdruckverfahren wird das Sieb, an den Stellen die

frei bleiben sollen, verstopft. Danach wird das Sieb auf das Plättchen gelegt und die Paste durch das

Sieb gedrückt. Die Leiterbahnen werden mit einer speziellen Paste aufgedruckt.

Ein nachträglicher Abgleich mit Laser ist möglich.

Anwendung: Widerstandsnetzwerke

Widerstandspaste

Keramikkörper

Anschlüsse

1.5.3.2 Dünnschichttechnik (Dünnfilmtechnik)

Auf einem Keramikplättchen wird eine Paste mit Fenstern aufgebracht. Ist ein Fenster in der Maske,

entstehen beim aufdampfen Widerstandsschichten. Mit dem Laserstrahl abgleichen des

Widerstandwertes auf ±0,1%

1.5.3.3 Massewiderstände

Sie werden durch Zusammenpressen einer Widerstandsmasse mit einem Bindemittel hergestellt,

wobei die Anschlussdrähte mit eingepresst werden.

Es steht der gesamte Querschnitt für die Stromleitung zur Verfügung) Massewiderstände können

sehr klein hergestellt werden.


Florian Kurcz Einstellbare Widerstände

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1.6 Einstellbare Widerstände

1.6.1 Allgemein

Trimmpotentiometer Potentiometer

(Trimmer)

Bei einstellbaren Widerständen kann die Größe des Widerstandswertes in einem bestimmten

Bereich eingestellt werden. Die Einstellung erfolgt mit einer Drehachse bzw. mit einem Schieber

(Potentiometer) oder mit Hilfe eines Schraubenziehers (Trimmer).

Die einfachsten einstellbaren Widerstände sind ungeschützte Drahtwiderstände mit einer

Abgreifschelle. Bei den meisten einstellbaren Widerständen wird der Widerstandswert mit Hilfe

eines Schleifkontaktes abgegriffen. Dieser kann über eine bestimmte Länge der Widerstandsbahn

bewegt werden = Arbeitsbereich. Die Widerstandsbahn ist kreisförmig (Drehpotentiometer) oder

gerade (Schiebepotentiometer und Spindelpotentiometer) ausgebildet.

1.6.1.1 Eigenschaften

Jeder einstellbare Widerstand hat einen kleinsten und einen größten Wert (=Nennwert). Dazwischen

sind sehr verschiedene Widerstandsverläufe möglich.

R

EinstellbereichDrehwinkel

RNenn

100%

linear

pos. log

neg. log

Bei linearem Widerstandsverlauf nimmt der Widerstandswert pro mm Bahnverlängerung immer um

den gleichen Betrag zu. Bei positiv-logarithmischem Widerstandsverlauf nimmt der Widerstand pro

mm Bahnverlängerung zunächst sehr langsam zu, steigt gegen Ende des Arbeitsbereiches aber stark

an. Widerstände mit positiv-logarithmischem Verlauf verwendet man zur Lautstärkeeinstellung, da

die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres einen ähnlichen Verlauf hat) pro Drehwinkelgrad ergibt

sich dann eine annähernd gleichmäßige Lautstärkezunahme.

Schleifer

Schleifer Gewinde R-Schicht

Drehpotentiometer Schiebepotentiometer Spindelpotentiometer


Florian Kurcz Einstellbare Widerstände

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1.6.2 Einstellbare Schichtwiderstände

1.6.2.1 Aufbau, Eigenschaften

Werkstoff: ähnlich wie bei festen Schichtwiderständen

möglichst hohe Abriebfestigkeit und ein geringes Drehrauschen (Störspannung,

die beim Drehen des Schleifers entsteht und im Lautsprecher zu hören ist)

Belastbarkeit: 0, 25 W − 2 W

1.6.2.2 Anwendungen

Potentiometer und Trimmer im NF-Bereich

Nachteil: Nur bedingter Einsatz im HF-Bereich. Bessere HF-Eigenschaften durch Widerstandsbahnen

aus Metallfilm oder Cermet (=Keramik-Metallschicht)

1.6.2.3 Sonderformen

Leitplastikpotentiometer: Leitplastik = duroplastisches Harz, in das Kohle eingelagert ist

Hybridpotentiometer: Drahtpotentiometer mit Leitplastiküberzug ) LPH-Poti

1.6.3 Einstellbare Drahtwiderstände

1.6.3.1 Aufbau, Eigenschaften

Draht auf Keramikträger gewickelt. Wicklung wird meist mit einer Glasurschicht umhüllt

(Schleiferbahn bleibt frei).

Als Schleifer verwendet man Kontaktfedern oder Kohlekontakte.

Sehr hohe Belastbarkeit (bis 1 kW).

Nur stufig einstellbar (kleinste Abstufung ist der Widerstandswert einer Drahtwindung).

1.6.3.2 Anwendungen

Für große Leistungen

Nachteil: Große Induktivität

1.6.3.3 Sonderform Wendelpotentiometer

Einstellbereich: 10 * 360°

Der Schleifer bewegt sich in mehrfachen Umdrehungen entlang einer Wicklung, die wendelförmig am

Innenmantel des Gehäuses angeordnet ist.

Verwendung als Präzisionsgerät in Messeinrichtungen.

Vorteile: kleine Toleranzen, geringe Linearitätsabweichungen, hohes Auflösungsvermögen

Elektrische BAUELEMENTE Kondensator

Florian Kurcz Grundbegriffe

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2 Kondensator

2.1 Grundbegriffe

2.1.1 Definition

C ….. Kapazität Q ….. Ladung U …… Spannung

Jede Anordnung aus 2 Leitern, die nicht kurzgeschlossen sind hat eine bestimmte Kapazität.

Die Kapazität eines idealen Plattenkondensators:

A

d

……. Dielektrizitätskonstante

……. Dielektrizitätszahl A …….. Fläche d ……… Abstand

Man sieht aus der Formel folgendes:

C wird umso größer, je größer A ist.

C wird umso größer, je kleiner d ist.

Für techn. Anwendungen braucht man normal größere C. Dafür gibt es 3 Möglichkeiten.

großes A

kleines d

großes r

2.1.2 Kenndaten

Kapazität (Reihenwerte E6)

Toleranz der Kapazität

Spannungsfestigkeit, Nennspannung (max. erlaubte Spannung)

Verlustfaktor (tan ) z.B. tan = 0 kein Leckstrom

tan > 0 großer Leckstrom

2.2 Bauformen

2.2.1 Keramikkondensator

Den gewünschten Kapazitätswert erreicht man mit einem Keramikdielektrikum mit sehr hohen r

HDK Massen: Hohe Dielektrizitäts Konstante

r zwischen 1000 und 10000

Nachteil: hoher Verlustfaktor.

NDK Massen: Niedrige Dielektrizitäts Konstante (für Kapazitäten von 1p – 1nF.)

r ist kleiner 1000

Vorteil: kleinerer Verlustfaktor, bessere Temperaturstabilität.

Elektrische BAUELEMENTE KondensatorKondensator

Florian Kurcz Anwendungen

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Keramikkondensatoren haben eine sehr niedrige Induktivität, deswegen sind sie für HF

Anwendungen besonders gut geeignet.

2.2.2 Wickel- Schicht- oder Kunststoffkondensatoren

Dielektrikum: Kunststofffolie

Durch Wicklung oder Schichtstruktur erhält man besonders große Flächen.

Kapazitätswerte n - µF höchstens 10µF

2.2.3 Elektrolytkondensatoren

Mit Elektrolytkondensatoren kann man sehr große Kapazitätswerte realisieren.

2.2.3.1 Aluminium Elektrolytkondensator (Al-Elko)

Zwischen 2 Aluminiumfolien liegt eine mit Elektrolyt gedrängte Papierfolie (leitend). Durch einen

elektrolytischen Prozess (formieren) erzeugt man auf der Anodenfolie (+ Pol) eine seht dünne Schicht

Aluminiumoxid, diese bildet das Dielektrikum.

Eigenschaften

Sehr hohe C-Werte bis mF

Darf nur in der richtigen Polung betrieben werden

Relativ hoher Verlustfaktor (relativ hoher Leckstrom)

2.2.3.2 Tantal Elektrolytkondensator (Ta-Elko)

Die Anode ist ein poröser Tantal Sinter Körper (große Oberfläche). Hier wird eine Oxidschicht als

Dielektrikum aufgebracht.

Eigenschaften:

Etwas kleinere Verlustfaktor

Keine großen Kapazitäten

2.3 Anwendungen

2.3.1 Stützkondensator

IC1

C1

IC

R1

C1Vcc Vcc



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Annahme:

UB ist konstant. Die Stromaufnahme des ICs ist variabel. Die Versorgungsspannung UB1 am IC hängt

dann von der Stromaufnahme ab.

UB1=UB-URL (URL……variabel)

Funktion eines Stützkondensators:

Spannungsbereich wird aufgeteilt. Der Kondensator nimmt den IC einen Teil der Spannung

Bsp.:

Geg: UB=5V, RL=0,5Ω

Stromaufnahme 700A für eine Dauer von 50ns.

Ges: Spannungseinbruch ΔU, ΔU mit C=2,2µF

2.3.2 Filteranwendung

Kondensatoren haben einen frequenzabhängigen Widerstand. Man kann damit Filterschaltungen

realisieren, die verschiedene Frequenzen verschieden gut durchlassen.

2.3.2.1 Tiefpass

R1

C1uAuE

2.3.2.2 Hochpass

R1

C1

u2u1

2.3.2.3 Kondensator aufladen

t=0

UB

R

C UC

Zum Zeitpunkt t=0 wird der Schalter geschlossen

…… Zeitkonstante



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Bsp: Wie lange dauert es bis der Kondensator bis zur Hälfte seiner ursprünglichen Spannung entladen ist.

2.3.2.4 Kondensator entladen


Bei Kippschaltungen verwendet man solche Auf und Entlade Vorgänge von k Kondensatoren. Ein

schwellwert Schalter unterbricht den Umladevorgang bei einer bestimmten Spannung. Daraus ergibt

sich eine definierte Impulszeit.

Bsp.: Ein Kondensator wird über R aufgeladen. Der Aufladevorgang wird bei 2/3 UB unterbrochen. Wie

lange dauert der Vorgang von Beginn bis zum Unterbrechen.

0%

33%

67%

100%

0 1 2 3 4 5 6

0%

33%

67%

100%

0 1 2 3 4 5 6

C R

t=0

UC UR

Der Kondensator ist auf UB aufgeladen. Der Schalter S wird zum Zeitpunkt t=0 geschlossen

t,

U

t,

U

Elektrische BAUELEMENTE Spulen

Florian Kurcz Grundbegriffe

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3 Spulen

3.1 Grundbegriffe

L ……… Induktivität [H] N ……… Windungsanzahl L ……… magnetischer Fluss [Wb] B ……… Flussdichte [T]

3.1.1 Verhalten einer Spule

Jeder Stromfluss ist von einem Magnetfeld begleitet. Bei einer Strom durchflossenen Leiterschleife

ergibt sich ein rechtswendig zugeordneter Fluss. Wenn der Strom durch die Schleife zeitlich

veränderlich ist, wird aufgrund des Ruheinduktionsgesetzes eine Spannung induziert, welche die

Strom Veränderung hemmt.

Spulen haben ein stromträges Verhalten

L

UL(t)

i(t)

3.2 Bauformen

Für größere Induktivitäten braucht man Spulenkerne mit µr deutlich größer 1.

3.2.1 Kerne aus Eisenblech

Sie bestehen aus geschichteten Blechen, die gegeneinander isoliert sind, um Wirbelstromverluste

gering zu halten. Sie sind bis ca. 20kHz geeignet, trotzdem aber zu große Verluste.

Induktivitätsbereich: 0,1-10H.

3.2.2 Hochfrequenzeisenkerne

Eisenpulver wird mit flüssigem Kunststoff vermengt => die Pulverteilchen sind weitgehend von

einander isoliert => sehr geringe Wirbelströme

Induktivitäten: 0,000001-0,01H

3.2.3 Ferritkerne

Ferrite sind keramische Stoffe aus Nichtleitenden Metalloxiden (hohes µ, aber elekt. nicht leitfähig).

HF Tauglichkeit noch etwas besser als bei Eisenpulverkernen.

3.3 Anwendungen

3.3.1 Tiefpass

R

L

uAuE

Elektrische BAUELEMENTE


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3.3.2 Hochpass

R

L uAuE

3.3.3 Spule einschalten


3.3.4 Spule ausschalten

Beim Abschalten einer stromdurchflossenen Spule entsteht eine sehr große

Selbstinduktionsspannung, die einem Überschlag am Schalter bewirken kann.

i

t

I0

Die Spannung ist nicht durch die Versorgungsspannung begrenzt.


0%

33%

67%

100%

0 1 2 3 4 5 6

0%

33%

67%

100%

0 1 2 3 4 5 6

t,

I

t,

I

Elektrische BAUELEMENTE Dioden

Florian Kurcz Grundlagen

www.kurcz.at | 17

4 Dioden

4.1 Grundlagen

4.1.1 Grundbegriffe

4.1.1.1 Energiebänder

Die Stromleitung in Festkörpern erfolgt durch bewegliche Ladungsträger, im Allgemeinen Elektronen.

Obwohl alle Atome Elektronen enthalten ist die Leitfähigkeit verschiedener Stoffe sehr

unterschiedlich. Dafür ist die Energiesituation von Elektronen verantwortlich.

Elektronen umkreisen den Atomkern auf so genannten Schalen.

x0LeitungsbandValenzband

Energiebänder

In Festkörper entspricht jeder Schale ein Bereich von möglichen Energiewerten für die Elektronen auf

dieser Schale. Diese Energiebereiche werden als Energiebänder bezeichnet.

<0.

Valenzband

Die Elektronen der äußersten Schale heißen Valenzelektronen.

Ihr Energieband heißt Valenzband.

Leitungsband

Nächst höheres Energieband

Elektronen mit diesen Energiewerten sind frei im Festkörper beweglich.

Sie werden als Leitungselektronen bezeichnet und sind für die Elektronische Leitfähigkeit eines

Stoffes verantwortlich.

Verbotene Energie

Zwischen den Energiebändern liegen Energiewerte, die Elektronen nicht stabil annehmen

können.

4.1.1.2 Stromleitung in Festkörpern

Sind in einem Festkörper freibewegliche Elektronen vorhanden (Leitungselektronen), so werden sie

bei Anlegen einer elekt. Spannung durch die Feldstärke E gleichmäßig beschleunigt.

QF=Q . E

konstante Beschleunigung bei konstanter Kraft.

Sie stoßen allerdings immer wieder in Gitteratome und werden dabei abgebremst.

es stellt sich eine mittlere Geschwindigkeit der Elektronen ein, die zur Feldstärke und somit zur Spannung proportional ist.

Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden


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in Festkörpern gilt das ohmsche Gesetz

……. Geometrie

……. Materialkonstante

ρ hängt hauptsächlich von der Anzahl der freibeweglichen Elektronen ab. Diese hängt vom

Abstand der zwischen Valenz und Leitungsband.

Isolatoren:

Leitungsband

Valenzband

W> 3eV

eV ist eine Energieeinheit für den atomaren Bereich.

1eV ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron ( |Q| = 1,602 . 10-19), gegen ein elekt. Feld

um eine Potentialdifferenz von 1V zu verschieben. 1eV = 1,602 . 10-19 J

Ein Beispiel für einen Isolator ist Porzellan.

Metalle:

Leitungsband

Valenzband

Valenz und Leitungsband sind überlappt => die Valenzelektronen sind im Stoff frei beweglich =>

Metalle leiten auch bei tiefen Temperaturen sehr gut.

z.B. Kupfer ρ=0,0178

Halbleiter:

Leitungsband

Valenzband

W< 3eV

z.B. Silizium Si ∆W = 1,12eV (wichtigster Halbleiter)

Germanium Ge ∆W = 0,72eV

ρSi ≈ Ωm

Bei Zimmertemperatur sind nur wenige Elektronen im Leitungsband.

Durch Temperaturerhöhung steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen ins Leitungsbad

kommen.

Die Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig!

Der Richtwert bei Silizium, die Leitfähigkeit verdoppelt sich etwa pro 10° Temperaturerhöhung.

Exponentielles Temperaturverhältnis!



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- Generation (entspricht Ionisation)

Ein Valenzelektron wird unter Energiezufuhr (z.B. thermische Energie) ins Leitungsband

gebracht. Es entsteht daher ein freies Elektron und eine Fehlstelle (Loch). Auch das Loch ist

durch Platzwechselvorgänge mit Elektronen beweglich. Es verhält sich wie eine bewegliche

positive Elementarladung.

- Rekombination

Ein Leitungselektron kehrt unter Energieabgabe ins Valenzband zurück und füllt somit ein

Loch aus. Es verschwindet ein Ladungsträgerpaar.

4.1.1.3 Dotierung

a. N-Leitung

Silizium

Arsen

WD

L

V

W [eV]

WD ~ 22meV

Halbleiter sind meist vierwertige Stoffe. In das Kristallgitter eines solchen Halbleiters werden

fünfwertige Fremdatome eingebracht. Da nur 4 Valenzelektronen für die Bindung benötigt

werden, ist das jeweils fünfte Elektron sehr locker gebunden. Das fünfwertige Material wird als

Donator (Elektronenspender) bezeichnet.

Mögliche Donatoren sind Arsen As, Phosphor P, Antimon Sb.

Neues zusätzliches Energieniveau = WD

Sehr nahe am Leitungsband.

b. P-Leitung

Silizium Indium

WA

L

V

W [eV]

WA ~20meV

Neues Energieniveau knapp über den Valenzakzeptor.

P-Leitung erreicht man durch Dotierung mit dreiwertigen Stoffen, Akzeptoren (Empfänger).



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Mögliche Akzeptoren sind Bor B, Aluminium Al, Indium In.

Wenn das Niveau ( WD) sehr hoch ist, wird wenig Zusatzenergie benötigt, um Elektronen ins

Leitungsband zu bringen.

Temperaturabhängigkeit der Störstellen

Die Leitfähigkeit eines Nichtdotierten Halbleiters ist sehr stark Temperaturabhängig

(exponentiell). Die Leitfähigkeit eines dotierten Halbleiters hängt sehr wenig von der

Temperatur ab.

Grund: Die Energiedifferenz zwischen Donatoren und Leitungsband ist so klein, dass sich bei der

Temperaturerhöhung nicht mehr verändern kann.

4.1.2 PN Übergang

4.1.2.1 Aufbau

Diffusion

Bewegliche Teilchen sind grundsätzlich bestrebt, dichte Unterschiede auszugleichen => die

Teilchen bewegen sich in Richtung dichte Abnahme.

In N Halbleitern gibt es wesentlich mehr bewegliche Elektronen als im P Halbleiter => Elektronen

diffundieren (wandern) von N in den P Halbleiter.

+ + + +

+ + + +

- - - - -

- - - - -

P NdP dN

E

x

x

ND, n

NA, p

ND, n

NA, p

x

E

E

x ......Elektrisches Potential

E......Elektrisches Feld

........Raumladungsdichte

ND.......Donatorendichte

NA.......Akzeptorendichte

n...........Elektronendichte (freie Elektronen)

p...........Löcherdichte

dN.......Breite der Raumladungszone im N Bereich

dP.......Breite der Raumladungszone im P Bereich

d = dN + dP

Diagramm 1

ND bzw. NA sind in den dotierten Halbleiterbereichen konstant. In N- dotierten Halbleiter gilt zum

Beispiel: n ~ ND

Im Bereich des Übergangs wandern freibewegliche Elektronen auf der P Seite ab. Die Kurve n(x)

und p(x) sinken also auf Null.



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Diagramm 2

Durch das Abwandern von beweglichen Ladungsträgern bleiben die unkompensierten Ladungen

der Donatoren bzw. Akzeptoren zurück.

+ auf der N - Seite

- auf der P – Seite

Den gelben Bereich nenn man Raumladungszone (Färbige in der Skizze)

Diagramm 3

Wo es eine Ladung gibt dort gibt es auch eine elektrische Feldstärke

Maximum ist fast immer direkt beim Übergang.

Diagramm 4

Obwohl keine äußere Spannung angelegt wurde ist die Potentialdifferenz zwischen der N und der

Seite größer Null.

Typische Werte: Silizium Si: 0,6 – 0,7V, Germanium Ge: 0,3 – 0,4V

Wenn man versucht bei einer Diode Spannung zu messe wird man kein Ergebnis erhalten.

Kontaktspannungen heben sich im geschlossenen Bereich auf.

4.1.2.2 Polung in Sperrrichtung

UR +-

+ -

P N

E

x

x

x

Kontaktierungen

d0

d

E

Kennzeichen der Sperrrichtung

Plus Pol auf der N Seite

Minus Pol auf der P Seite

Die beweglichen Ladungsträger (Elektronen) werden von den Polen auseinander gezogen => die

Raumladungszone wird breiter =>Dadurch ist die Raumladungszone angezogen => die Diode sperrt.



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4.1.2.3 Polung in Durchlassrichtung

UF-+

+

P N

Kontaktierungen

d0

d0

d

Diffusionszone

+

++

Diffusionszone

- Kennzeichen der Durchlassrichtung

Plus Pol auf der P Seite

Minus Pol auf der N Seite - Majoritätsträger

Mehrheitsladungsträger zum Bsp. Elektronen am N- Halbleiter oder Löcher am P-Halbleiter

- Minoritätsträger Löcher auf der N Seite und Elektronen auf der P Seite

Die beweglichen Ladungsträger (Elektronen) werden von den Polen abgestoßen und auf die

Raumladungszone zugedrängt => die Raumladungszone wird kleiner => PN Übergang leitet.

Wenn UF ~ DU ist, wird die Raumladungszone völlig abgebaut und der PN Übergang leitet gut

- Diffusionszone Bei Polung in Durchlassrichtung durchqueren Elektronen und Löcher die verkleinere

Raumladungszone Auf der anderen Seite stauen sie sich bevor sie mit der dortigen

Majoritätsträger rekombinieren. Diese Stauzone nennt man Diffusionszone (Diffusionskapazität)

4.1.2.4 Herstellung eines PN Übergangs

P und N Material müssen ohne Trennschicht (Kleber) mit einander verbunden sein

=> PN Übergänge werden aus EINEM Halbleiterstück hergestellt. Zuerst wird das ganze

Halbleiterstück mit der niedrigeren Dotierung übersehen, danach überlagert man in einem Teil des

Halbleiters diese mit einer höheren gänglichen Dotierung.

N+

P

ND>>NA

SILIZIUM

4.1.2.5 Arten der Dotierung

- Diffusion Der Siliziumkristall der dotiert werden soll wird auf größer 1300°C aufgeheizt, nun wird ein Gas über das Silizium geleitet welches die Dotierungsatome enthält (z.B.: PCl3 für Phosphordotierung => N- Dotierung) durch die hohe Temperatur können die Dotierungsatome durch das aufgelockerte Kristallgitter eindringen.

- Ionenimplantation Dabei werden die Dotierungsatome ionisiert und anschließend beschleunigt und auf dem Halbleiter geschossen (96000km/h).


Florian Kurcz Gleichricht- und Schaltdioden

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4.2 Gleichricht- und Schaltdioden

4.2.1 Kennlinie

UF [V]

IF [mA]

UR [V]

IR [µA]

Si

Ge

Imax 10

Us(Ge), US(Si)

US(Ge) = 0,3-0,4V US(Si) = 0,6-0,7V

4.2.1.1 Durchlassrichtung

Kennlinie hat grundsätzlich exponentielles Verhalten. Is….. Sättigungssperrstrom

I …… Diodenstrom U….. Diodenspannung UT…. Temperaturspannung [V] => ~25,7mV bei 20°c

KB… . Bolzmannkonstante => 1,38*10-23 Ns/K T ….. Temperatur [K] QE…. Betrag der Elementarladung

Bahnwiderstand (RB)

Die Halbleiterzonen außerhalb des PN Übergangs haben einen ohmschen Widerstand größer 0. Er

wird als Bahnwiderstand bezeichnet. Er wirkt wie ein Serienwiderstand und verändert somit die

exponentielle Kennlinie. Größenordnung des RB im Ω- Bereich

=>RB DEXPD

I

U

RB DEXP D

Schleusenspannung Us

Wenn man die Kennlinie für größere Ströme darstellt, hat sie einen oder mehr oder weniger

deutlichen Knick (bei US)

U<US… Diode leitet schlecht

U>US… niederohmiges Verhalten Us~UD



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4.2.1.2 Sperrrichtung

Hier besteht die Kennlinie prinzipiell aus 2 Teilen.

a. Sperrbereich

Bei kleiner Spannung fließt ein kleiner Sperrstrom (meist kleiner µA) er hängt nur wenig von der

Sperrspannung ab.

Ursache: Minoritätsträger welche durch thermische Regeneration in der Raumladungszone

entstehen => der Sperrstrom ist relativ stark Temperaturabhängig.

IR….. Sperrstrom bei der Temperatur T IR0…. Sperrstrom bei der Bezugstemperatur T0 C1….. Konstante

Bsp.:

Aus der Durchlassrichtung im Datenblatt ist der Bahnwiderstand abzuschätzen:

U

I

I

U

Wenn eine bestimmte Spannung überschritten wird, steigt der Sperrstrom stark an => die Diode leitet dann auch in Rückwärtsrichtung. Dafür sind zwei Effekte verantwortlich:

1. Zenereffekt

Die Feldstärke wird so groß, dass Valenzelektronen durch die Kraft des Feldes losgerissen werden.

2. Lawineneffekt

Minoritätsträger, die als Sperrstrom durch die Raumladungszone wandern, werden durch die hohe Spannung so schnell, dass sie stoßionisieren können (sie prallen auf Gitteratome und schlagen mit der kinetischen Energie weitere Atome heraus). Die Ladungsträger vervielfachen sich Lawinen artig.

Beim Durchbruch einer Diode sind beide Effekte beteiligt. Bei hoher Dotierung überwiegt der Zenereffekt, bei niedriger Dotierung der Lawineneffekt.

Je höher die Dotierung einer Diode, desto niedriger ist die Durchgangsspannung (siehe Z-Diode)

Wenn der Strom begrenzt wird, wird die Diode beim Durchbruch nicht zerstört. Zerstörung erfolgt thermisch.

- Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie

U

I

T=T0

T>T0

U U1 U2

I

I1

I2

Bei konstantem Strom sinkt die Spannung bei steigender Temperatur Bei konstanter Spannung steigt der Strom bei steigender Temperatur



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4.2.2 Grenzdaten

Sind Betriebsgrößen, die unter keinem Fall überschritten werden soll.

- Sperrspannung UR (reverse)

max. erlaubte Gleichspannung d.h. Dauerspannung in Rückwärtsrichtung.

- Durchlassstrom IF (forward)

max. erlaubter Gleichstrom.

- Spitzenstrom

Für kurze Zeit darf der Diodenstrom auch höher als der max. erlaubte Durchlassstrom IF

werden. Die mittlere Verlustleistung ist von Bedeutung. Bsp.:

Eine Diode wird mit einem rechteckigen Impulsförmigen Strom durchlassen, f = 1kHz, Impulsdauer: 50µs Ges. IF

- Ptot

Verlustleistung tot...total (Gesamtverlustleistung)

gilt sowohl für Vorwärts, als auch in Rückwärtsrichtung. Hängt von der Baugröße, Bauform und dem Material ab.

- Sperrschichttemperatur

TJ siehe Kühlkörpertemperatur (J ... Junction (Sperrschicht))

4.2.3 Statische Kenndaten

Statische Kenndaten sind Kennwerte, die keine Zeitabhängigkeit beinhalten oder beschreiben.

Eine genaue Beschreibung des Bauelementverhaltens ist natürlich nur mit Kennlinien möglich. Die

statischen Kenndaten liefern nur einige ausgewählt Richtwerte.

4.2.4 Dynamische Kenndaten

Dynamische Kenndaten beschreiben direkt oder indirekt eine Zeitabhängigkeit des Bauelements.

Die Größe einer Sperrschichtkapazität ist immer in pF.

4.2.4.1 Sperrschichtkapazität C

Bei einer in Sperrrichtung gepolten Diode entsteht in der Raumladungszone eine Ladung, die von der

Sperrspannung abhängt => die Anordnung hat eine Kapazität.

Unterschiede zu einem normalen Kondensator: - Die Ladung ist räumlich verteilt, es gibt daher keinen eindeutigen Plattenabstand - Die Kapazität hängt von der angelegten Spannung ab.

Man muss daher C etwas anders definieren:



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Spannungsabhängigkeit

K...... Konstante UD.... Diffusionsspannung (0,7V bei Si) UR.... Sperrspannung

Bsp.:

C5 = 2,5pF Ges. C7 U = 5V => C5 = 2,5pF, U = 7V => C7 = ?

Die Sperrschichtkapazität liegt praktisch immer in pF.

4.2.4.2 Schaltzeit beim Umschalten tRR

i(t)

u(t)

Rv

tRR ……Reverse Recovery Time = Rückwärtserholzeit

tRR

10%.IRmax

IRmax

i(t)

u(t)

t

Wenn eine Diode von Durchlass in Sperrrichtung gepolt wird, sperrt sie nicht sofort.

Ursache: Die gesamte Ladung in den Diffusionszonen muss erst abgebaut werden

(Diffussionskapazität CD). Auch die Sperrschichtkapazität ist beteiligt meist sie deutlich kleiner als die

Diffusionskapazität.

4.2.4.3 Dynamischer Widerstand

rF…… differenzieller Widerstand

Näherungsformel

UT…… Temperaturspannung IF…….. Durchlassstrom



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4.2.5 Anwendungen von Gleichrichter

Einweggleichrichter mit ohmscher Last

Einweggleichrichter mit Glättkondensator

Zweiweggleichrichter in der Mittelpunktschaltung

Zweiweggleichrichter im Brückengleichrichter

Einfache Akku Ladeschaltungen

Spannungsverdoppler (Delon Schaltung)

Spannungsvervielfacher (Villard Schaltung)

4.2.5.1 Einweggleichrichter mit ohmscher Last

UD(t)

U1(t) U2(t)

i(t)

U

t

0,7

u2(t)

u1(t)

I

t

i(t)

UD

t

…max. Diodenstrom

…Gleichspannungsanteil

…Gleichsstromsanteil



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4.2.5.2 Einweggleichrichter mit Glättkondensator

UD(t)

U1(t)

U2(t)

i(t)

U1(t)

RL

C

t

t

t

U1(t) URL(t)U2(t)

U

i

UD

Fläche2 die zufließende LadungFläche1 Die abfließende Ladung (Q = i.t)

2.U

0,7V

iL(t)

iD(t)

RL=

RL<

Die Fläche unter der Kurve ID(t) ist gleich groß wie die Fläche von iL(t).

d.h. die den Kondensator zufließende Ladung muss der abfließenden Ladung entsprechen.

Die Ausgangsspannung u2(t) ist eine wellige Gleichspannung. Der reine Wechselanteil dieser

Spannung wird als Brummspannung bezeichnet.

Brummspannung

t

TE

UBRSS

BB…. Brumm SS….. Spitze Spitze

Berechnung der Brummspannung



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IDmax….Max. Diodenstrom

UDmax ….Max. Diodenspannung


…Gleichstromanteil

4.2.5.3 Zweiweggleichrichter mit Mittelpunktschaltung

U1(t)

U2(t)

i(t)

U1(t)

RL

C

t

i

Fläche1 Fläche2 Fläche3

Alle Flächen sind gleich groß

iL(t)

iD2(t)

iD1(t)

U1(t)

t

t

U2(t)

U2(t)

GlättungU2(t)

UBRSS ist halb so groß wie bei der Einwegschaltung, da doppelt so viele Ladevorgänge stattfinden

IDmax….Max. Diodenstrom

max. Diodenstrom ist niedriger als bei der Einwegschaltung, weil doppelt so

viele Ladevorgänge stattfinden



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UDmax ….Max. Diodenspannung


…Gleichstromanteil

4.2.5.4 Zweiweggleichrichter mit Brückenschaltung

U1(t)

D1 D2

D4D3

CRL

U2(t)

iL(t)

Spannungs-, und Stromkurven sind sehr ähnlich wie bei der Mittelpunktschaltung

Unterschiede:

- 4 statt 2 Dioden - Doppelter Diodenspannungsabfall in einem Zweig

UDmax …. Max. Diodenspannung

… Gleichspannungsanteil

… Gleichstromanteil

4.2.5.5 Einfache Akku-Ladeschaltungen

Ri = 0,2Ω, Û1=15V, UA= 12V

UD(t)

U1(t)U2(t)

i(t)D

UA

Ri

Û1 – UA – Î . Ri - 0,7V = 0



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t

t

Uu1(t)

uA

I

4.2.5.6 Spannungsverdoppler (Delon-Schaltung)

U1(t)

U2(t)

i(t)D1

C1+

C2+

D2

U

t

U2(t) für RL=2.U

Eigenschaften

4.2.5.7 Spannungsvervielfacher (Villard-Schaltung)

U1 D1

D2C1

C2 RU2

+

+

U

t

U2(t) für RL=

2.U

U1(t)


Florian Kurcz Zenerdiode

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Eigenschaften

Vorteil: Die Villardschaltung kann kaskadiert werden, um höhere Ausgangsspannungen zu

erreichen.

4.2.6 Dioden Bezeichnungsschema

4.2.6.1 JEDEC

Joint electronic devices enginering council

Verband für elekt. Geräte Dioden: 1NXXXX z.B. 1N4148 1N……. PN Übergang Die Nummer gibt keine nähere Auskunft

4.2.6.2 Pro Electron

YYXXX, oder YYYXX Y…..Buchstabe X…..Ziffer

Die Buchstaben liefern eine nähere Beschreibung der Bauelementfunktion:

1. Buchstabe

Bezeichnet das Material A…Germanium B…Silizium C…Material mit Bandabstand > 1,3eV (Gallium Arsenid, GaAs) D… Bahnabstand < 0,6eV (Indiumantimonid InSb)

R Spezielles Material für Fotohalbleiter

2. Buchstabe

Kennzeichnet die Hauptfunktion des Bauelements. A…….Diode allgemein B…….Kapazitätsdiode P…….Strahlungsempfindliches Bauelement (Fotodiode) Q……Strahlungserzeugendes Bauelement (LED = Light emitting diode) Y……Leistungsdiode Z……Zenerdiode (Bezugs, oder Referenzdiode)

3. Buchstabe

Man unterscheidet industrielle (nur mit 3. Buchstabe) von kommerziellen Bauelementen.

X, Y, Z sagt nichts Näheres aus.

4.3 Zenerdiode

Zenerdioden sind Silizium Dioden mit speziellen Durchbruchsspannungen. Sie sind im Betrieb für

Durchbruch gedacht.

Schaltsymbol:



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4.3.1 Kennlinien

Der Arbeitsbereich der Zener Diode liegt im Durchbruch. Man nützt den steilen Teil der Kennlinie zur

Spannungsstabilisierung => Die Spannung an der Z-Diode soll möglichst konstant bleiben, auch wenn

sich der Strom ändert.

Wenn dieser min. Strom unterschritten wird, kommt man aus dem steilen Bereich der Kennlinie. Die

Spannung sinkt zu stark ab, meist ist IZmin = IZN (Nennstrom IZN = 5mA)

IZmax ist durch Ptot begrenzt.

UR[V]

IZ[mA]

I2min IZN

IZmax

UZN

Ptot

UF[V]0,7~~

I

4.3.2 Kenngrößen

4.3.2.1 Grenzdaten (Wärmewiderstand)

Unterscheiden sich nicht wesentlich von normalen Dioden.

4.3.2.2 Kenndaten

a. Nennspannung UZN

Die Spannung beim Nennstrom. Die Nennspannungswerte sind nach Normreihen abgestuft z.B. E24 bei der BZX83 (24 Werte pro Dekade) E6 ± 20%, E24 ± 5% Die Toleranz wird in der Bezeichnung durch einen Zusatzbuchstaben angegeben. A ± 1%, B ± 2%, C ± 5%, D ± 10%

Bsp:

BZX 83 C 4V7

B ….…. Silizium Z …..… Z-Diode X …….. Industrietyp C …….. ±5% (E24) 4V7 …. 4,7 Volt

b. Dynamischer Widerstand

Im 10Ω Bereich Differenzieller Widerstand der Z-Diode. Im Arbeitsbereich sollte er möglichst klein sein.



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c. Sperrstrom

IR<2,1µA bei UR=4,7V

d. max. zulässiger Z-Strom IZmax

Siehe Ptot mit der Formel

e. Temperaturkoeffizient von UZ

Die angegebenen Werte sind mit 10-4 zu multiplizieren

z.B. 4,7V

In diesem Fall ist der Temperaturkoeffizient 2.10-4K-1

Uz(T) = Uz(T0) . [1+ TK.(T-T0)]

y = k . x

4.3.3 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden

UE(t)

Rv

RLD

iL(t)

iZ(t)URV(t) UL

4.3.3.1 Funktion

Wenn UE>UZN begrenzt die Z-Diode die Spannung.

Die Differenz zwischen UE und Uz fällt dann an RV ab.

4.3.3.2 Dimensionierung

Der Arbeitspunkt soll im Arbeitsbereich der Z-Diode liegen, obwohl sie mit UE(t) und iL(t) ändern.

1. Fall

iL = 0, UE(t)…..UEmin, UEmax

2. Fall

iL(t)…iLmin, iLmax



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Bsp.:

UE = 12-17V

DZ = BZX 83 8V2

ges.: RVmin, RVmax, = RL=0

ges.: iL=0-20mA

Diese Anforderung ist mit der Schaltung nicht erfüllbar.

ges.: ILmax

4.3.3.3 Glättungsfaktor

Geg. Ist eine Stabilisierungsschaltung und UEmin und UEmax (=ΔUE).

Ges.: UAmax und UAmin (=ΔUA)

G sollte möglichst groß sein.

Ue

Ua

G ist in Abhängigkeit von den Schaltungsparametern zu berechnen (IL=0)

R

DUE UA

Im Arbeitsbereich verhält sich die Z-Diode wie eine reale Spannungsquelle

Ersatzschaltung


Florian Kurcz Spezielle Halbleiterdioden

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R

UE UA

RZ

IZ

UR[V]

IZ[mA]

IZmin

UZ0UZmin

Je größer R, desto besser funktioniert die

Stabilisierung

4.4 Spezielle Halbleiterdioden

4.4.1 Kapazitätsdioden

Kapazitätsdioden sind Dioden, die mit speziell hoher Sperrschichtkapazität. Man nutzt bei ihnen die

Kapazität und nicht die Gleichrichtwertung.

Schaltsymbol:

Vorteil gegenüber normalen Kondensatoren:

Kapazität hängt von der angelegten Spannung ab => veränderbare Kapazität

gilt für normale Dioden Formel 4.4—1

Bei Kapazitätsdioden verwendet man ein etwas anderes Dotierungsprofil

=> die Formel ist daher etwas anders:


Florian Kurcz Spezielle Halbleiterdioden

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m = 0,5 …. 1 Formel 4.4—2

Ersatzschaltung:

C R L

R = 0,5…..5Ω

L = µH-Bereich

Man definiert eine Güte:

Anwendung

Abstimmung von Schwingkreisen (Funkempfänger,…)

4.4.2 Schottkydioden

4.4.2.1 Ohmscher Kontakt

Bringt man einen N-Halbleiter mit einem Metall in Kontakt, bei dem die Elektronen eine kleine

Austrittsarbeit haben, als die im N-Halbleiter so wandern Elektronen von Metallen in den Halbleiter

=> es bildet sich keine Raumladungszone aus. Solche Metalle verwendet man für

Halbleiteranschlüsse.

Austrittsarbeit = mittlere Energie die man Elektronen eines Stoffs damit sie den Stoff verlassen kann.

4.4.2.2 Schottky Kontakt

Hier ist die Austrittsarbeit in Metallen größer als im N-Halbleiter, daher wandern Elektronen von N-

Halbleiter in das Metall. Im Halbleiter entsteht daher eine Raumladungszone. Der Kontakt verhält

allmählich wie ein PN Übergang.

Eigenschaften

Die Schleusenspannung ist kleiner als bei normalen Si-Dioden (0,2-0,3V)

Wesentlich kürzere Schaltzeiten, durch deutlich kleinere Diffusionskapazität

Schaltzeit = tRR ~ 100ps bei Schottky Dioden und ns-µs bei PN Dioden

Sperrstrom etwas größer als bei PN Dioden

Elektrische BAUELEMENTE Transistor

Florian Kurcz Bipolar Transistor

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5 Transistor

5.1 Bipolar Transistor

5.1.1 Aufbau und Wirkungsweise

Der Name Transistor kommt vom Englischen: Transfer Resistor (steuerbarer Widerstand)

Bipolar: Der Hauptstrom besteht aus beiden Arten von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher).

5.1.1.1 Aufbau

NPN Transistor PNP Transistor

N

P

N

B

C

E

B

C

E

P

N

P

B

C

E

B

C

E

E……Emitter (Ladungsträger Sender) C……Kollektor (Ladungsträger Sammler) B……Basis (Steueranschluss)

5.1.1.2 Schaltsymbol

NPN Transistor PNP Transistor

B

E

C

B

E

C

Der Pfeil zeigt jeweils die Durchlassrichtung des PN Übergangs an.

5.1.1.3 Funktion

B

E

C

UBE

UCE

IB

IC

E

C

5V

0,7V

Wenn der Transistor nur aus 2 Dioden bestehen würde, dann würde zwischen Kollektor und Emitter

immer sperren, ganz gleich wie die Basis angesteuert wird.

Tatsächlich verhält sich ein Transistor anders, als eine Kombination aus 2 Dioden.

Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor


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Die Ursachen sind 2 Besonderheiten im Aufbau:

- Basis ist sehr dünn (Größenordnung GO: 10µm)

- Der Emitter ist deutlich höher dotiert, als die Basis.

N

P

N+

B

C

E

w<<

RLZ Raumladungszone

UBE

~0,7V

Durch Anlegen der Basis-Emitter Schaltung fließen viele Elektronen von Emitter in die Basis, und nur

wenige Löcher in die umgekehrte Richtung (hochdotierter Emitter, niederdotierte Basis (z.B. 1%)).

Der Rest wird von dem positiven Kollektorpotential abgesaugt (z.B. 99%).

Der Basisstrom ist nur ein kleiner Teil des Emitters, oder Kollektorstroms. Der Transistor hat ein Stromverstärkendes Verhalten.

5.1.2 Kennlinien

5.1.2.1 Ausgangskennfeld

IC [mA]

UCE [V]

Sättigungs-bereich aktiver Bereich

Grenze zwischen Hoch und Niederohmigen Bereich

IB1

IB2 > IB1

IB3 > IB2

IB4 > IB3

PTOT

Das Verhalten zwischen Kollektor und Emitter hängt vom Basisstrom ab => Kennlinienschar mit IB

als Parameter.

- Sättigungsbereich UCE < UBE

Die Kollektor-Basisdiode DCB ist leicht in Durchlass gepolt => niederohmiges Verhalten =>

steilere Kennlinie.

- Aktiver Bereich UCE > UBE

z.B.: UBE ~ 0,7V, UCE ~5V

Die Kollektor-Basisdiode DCB ist gesperrt => hochohmiges Verhalten (wie eine gesteuerte

Stromkennlinie).



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5.1.2.2 Basis Emitter Kennlinie

UCE1

UCE2>UCE1

UBE [V]

IB [µA]

Hier verhält sich der Transistor wie eine Diode. UCE hat einen leichten Einfluss auf diese Kennlinie.

5.1.2.3 Stromsteuerkennlinie

IC [mA]

UCE1

UCE2>UCE1

IB [µA]

IC = f (IB)

Annähernd linearer Zusammenhang.

5.1.2.4 Übertragungskennlinie

IC = f (UBE)

Sie kombiniert Stromsteuer und Basis Emitter Kennlinie.

5.1.2.5 Komplementär Transistoren

Komplementär ….. Gegengleich (Winkel 180°+ )

PNP Transistoren verhalten sich gleich zu NPN Transistoren, sie verhalten sich komplementär, d.h.

man muss alle Vorzeichen von Spannungen und Ströme umdrehen.

B

E

C

UBE

UCE

IB

IC

NPN

B

E

C

UBE < 0

UCE < 0

IB < 0IC < 0

PNP

=> B

E

C

UECIB

IC

PNP

UEB

ideale Spannungsquelle

ideale Stromquellereale Spannungsquelle

reale Stromquelle

U

I



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5.1.3 Kenngrößen

5.1.3.1 Grenzdaten

3. Index bei Spannungen:

UCEX C… Schaft des Spannungspfeils

E… Spitze des Spannungspfeils

x … Bezeichnet den Zustand des dritten Anschlusses.

z.B. S… short circuit (kurzgeschlossen)

0… Basis is open (offen)

UEB: Diese Spannung darf nicht groß werden, da der Emitter sehr hochdotiert ist.

Kollektorstrom: Dauerstrom

ICM kurzzeitig erhöhter Strom

5.1.3.2 Statische Kenndaten

Gleichstromverstärkung B

B ist von verschiedenen Einflussgrößen abhängig.

- IC (da die Stromsteuerkennlinie annähernd linear ist)

- Temperatur: Leider starke (exponentielle) Temperaturabhängigkeit GO 1% . K-1

- Exemplarstreuung: man teilt daher in Gruppen ein: A, B, C

Restströme: Reststrom = Transistorsperrstrom

3. Index wie bei Grenzspannungen (siehe oben)

Starke Temperaturabhängigkeit bei allen Restströmen

5.1.3.3 Dynamische Kenndaten

h11e Widerstand

h12e ziemlich klein 10-4

h21e dimensionslos, differenzielle Stromverstärkung

h22e Leitwert in µS zwischen CE

- Differenzielle Kenngrößen

B

C

E

rBE

Stark Arbeitspunkt abhängig, wegen nicht linearer Kennlinie. GO 1-10kΩ

Näherungsformel

UT…. Temperaturspannung KB…. Boltzmannkonstante IB….. Basisstrom



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Wird meist nur für den aktiven Bereich angegeben. GO: 10-50kΩ. Im aktiven Bereich ziemlich

konstant.

- Differenzielle Stromverstärkung

GO: wie B (100-500), ~ B (Näherung)

Die hier genannten differenziellen Kenngrößen werden in Datenblättern häufig als h-Parameter

angegeben.

- Vierpolparameter

i1 i2

U1 U2

Da ein Transistor nur 3 Anschlüsse hat, gibt es 3 Grundschaltungen, wie ein Transistor als Vierpol

geschaltet werden kann.

i1 i2

U1 U2

Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung

i1 i2

U1 U2

i1 i2

U1 U2

Hybridgleichungen für Vierpol

u2 = 0, für Kurzschluss am Ausgang

h11e = rBE

i1 = 0, Leerlaufspannungsrückwirkung

h12e = sehr klein, nicht besonders wichtig

u2 = 0, Kurzschlussstromverstärkung

h21e =

i1 = 0, Leerlaufausgangsleitwert

h22e =

- Weitere dynamische Kenndaten

fT……Transitfrequenz

nimmt für höhere Frequenzen ab.

u1 = h11 . i1 + h12 . u2

i2 = h21 . i1 + h22 . u2



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fT ist die Frequenz, bei der gleich 1 wird.

f log

| | log

10

100

1000

1 10 100 1000 fT

Ablesen der h-Parameter aus dem Datenblatt. In der Tabelle (rechts oben) sind die h-Parameter

nur für einen bestimmten Arbeitspunkt (IC, UCE) gegeben. Wenn man die Parameter für einen

anderen Arbeitspunkt braucht, muss man die entsprechenden Umrechnungsfaktoren aus den

Diagrammen ablesen.

hxye0 ...... Tabellenwert HI .......... Stromfaktor HU ......... Spannungsfaktor

- Kapazitäten Es handelt sich hier um Sperrschichtkapazitäten

- Rauschzahl Beschreibt das Transistorrauschen siehe später.

5.1.4 Gleichstromverhalten, Arbeitspunkteinstellung

Transistorverstärker werden häufig mit Wechselspannungen und Wechselströmen betrieben.

Solchen Signalen muss man Gleichspannungen und Strömen überlagern, damit es zu einer

Gleichrichtung kommt => Arbeitspunkteinstellung. Arbeitspunkt: Umgebungsbedingung bei der man

eine Schaltung betreibt.

Für alle folgenden Berechnungen sind Transistor, Spannungen und Ströme bekannt.

5.1.4.1 AP Einstellung mit Basisvorwiderstand

RB

IC

IBUCE

UBE

RC

+UB+UB

Nachteil der Schaltung

Der eingestellte Arbeitspunkt ist stark Temperaturabhängig. Grund: IB ist annähernd konstant



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Da IB konstant ist, hängt IC genauso stark von der Temperatur ab, wie B.

5.1.4.2 AP Stabilisierung durch Gegenkopplung

Parallelkopplung

RBIC

IBUCE

UBE

RC

+UB+UB

IC ↑(steigt) => URC ↑ => UCE ↓ (denn UB konstant)

=> URB ↓ => IB ↓ => das wirkt dem ursprünglichen Anstieg des IC entgegen. IC Steigt zwar, aber

deutlich weniger, als bei der Schaltung ohne Gegenkopplung, z.B. B steigt um 20% ohne

Parallelgegenkopplung steigt IC auch um 20%, mit Gegenkopplung steigt k ~ 9%.

Reihenkopplung

R2

IC

IBUCE

UBE

RC

+UB+UB

RER1

IR1

Prinzip der Gegenkopplung

IC ↑ => URE ↑ => UBE ↓ (weil UR1 annähernd konstant bleibt.)

=> IB ↓↓ (sinkt stark)

Wenn B um 20% steigt => IC steigt z.B. ~4%.

Dimensionierung

Bei der Dimensionierung sind 2 Annahmen treffen.

URE Richtwert 0,5-1V

wenn URE zu klein ist, ist die Gegenkopplung zu schwach

IR1: GO: 2-10 . IB

wenn IRE zu klein ist, dann ist R1 zu groß => Die Annahme UR1 konstant gilt nicht mehr

wenn IR1 zu groß ist, verbraucht er zu viel Leistung.



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B ist sehr stark Temperaturabhängig. IC ändert sich genauso stark wie B. IE ~ IC

5.1.5 Kleinsignalverhalten

5.1.5.1 NF-Kleinsignalverhalten

NF…..Niederfrequenz…bis 100kHz (Audio) Kapazitäten können vernachlässigt werden.

~=>

B C

E

iB.

rCErBE

h111

h22

iB

E

B

C

Dieses Ersatzschaltbild beschreibt nur das Wechselsignalverhalten. Das Gleichstromverhalten ist nur mehr indirekt enthalten. Das NF Ersatzschaltbild gilt nur in einen ganz bestimmten Arbeitspunkt. Bsp.: Geg. Verstärkerstufe, Ges: Ersatzschaltbild der gesamten Verstärkerstufe, vu, rein, raus.

U1~U2 RL

CKA

CE

CKE

R2 RC

RER1

RG

+UB

Die Kondensatoren CKE, CKA und CE werden als Kopplungskondensatoren bezeichnet. Sie sind für Gleichstrom eine Unterbrechung, für das Signal bei richtiger Dimensionierung annähernd ein Kurzschluss.

NF Ersatzschaltbild ESB

~ ~ U2 RLrCErBE

B C

E

R1R2U1

- .iB

RC

iBi1rE

U

i2

Spannung: kurzschließen Strom: Leerlauf



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Regeln für das Zeichnen des Ersatzschaltbildes

1. Man beginnt mit dem Transistor

2. Koppelkondensatoren werden durch Kurzschließen ersetzt.

3. Die Versorgungsspannungsquelle wird durch einen Kurzschluss ersetzt.

u1 = iB . rBE

u2 = -iB . . (rCE // RC // RL)

Überlegung

~ U2U20

raus

~ U2U20

raus

RL

Bsp.:

RE = 1,5kΩ, RC = 2,2kΩ, R1 = 120kΩ, R2 = 180kΩ

= 250, rBE = 8,5kΩ, rCE = 30kΩ

RL = ∞ bzw. 10kΩ

Ges.: rein, raus, vu

1. Fall:

rein = R1//R2//rBE = 7602,48Ω

Rc´= rCE//RC//RE=1701,05Ω

raus = rCE//RC = 2049,69Ω

2. Fall:

rein = 7602,48Ω

RC´ = 2049,69Ω

vu =-60

Interpretation der Ergebnisse

rein: möglichst hochohmig (hier mittelmäßig) OPV



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vu: ist negativ (negativer Verstärkungsfaktor)=> invertierender Verstärker bedeutet

180°Phasendrehung bei Sinussignalen. Achtung Verstärkungsfaktor nicht mit dB Wert verwechseln.

vDB = 20 . log(vu)

z.B: 0dB => v = 1

-20dB => v = 0,1

20dB => v = 10

40dB => v = 100

raus: mittelmäßig (möglichst niederohmig) OPV

Die Verstärkung bei Belastung kann auch aus der Leerlaufverstärkung und dem

Ausgangswiderstand berechnet werden.

U0 U2 10k

2,05k

U1

5.1.5.2 HF Ersatzschaltbild

=> ~0.I Bi

CBĆ

rBÉCBÉ

I Bi

I B BĆ

rCEUCEUBE

EE

BrB´B

B

E

C

Bei Frequenzen deutlich größer (>>) 100kHz müssen auch die Kapazitäten berücksichtigt werden. rB`B………. Basisbahnwiderstand GO 100Ω (relativ hoch) rBÈ………. rBE = rB`B+rBÈ CBÈ……… Diffusionskapazität, da die Basis Emitter Strecke leitet. GO: 50-100pF CB`C……… Sperrschichtkapazität (aktiver Bereich) GO: 1-5pF IBi………… Teil des Basisstroms

0………… Die Stromverstärkung bei tiefen Frequenzen GO: 100-200 (siehe )

Frequenzverhalten von

Ges.: = h21 Kurzschluss am Ausgang

~0.I B

rBÉCBĆ

I Bi

I B C

rCE UCEUBE

EE

B

CBÉ

CB`C kann vernachlässigt werden, da deutlich kleiner (nur bei Kurzschluss)



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……..Tiefpassverhalten

Grenzfrequenz des Tiefpasses

Definition der Grenzfrequenz

- Die Frequenz bei der | | um 3dB gegenüber 0 abgesunken ist.

- Die Frequenz bei der =

- Bei dieser Frequenz ist Real und Imaginärteil im Nenner von gleich => 1 = G . CB`E . rB`E

3dB

20dB

1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

fG

| |

f log

-20dB pro Dekade

20dB

40dB

Berechnung der Transitfrequenz

5.1.5.3 Einfluss der Koppelkondensatoren auf das Frequenzverhalten

a. Eingangsgrenzfrequenz fGE

~

RG CKE

U0 U1

Verstärkerstufe

rein



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Durch die Koppelkondensatoren entsteht eine Hochpassfilter Wirkung

3dB

fGE

f log

U1

U0RG kleiner

RG größer

1 = G . CKE .(rEin+RG)

Interpretation des Ergebnisses

- Je größer CKE, desto niedriger fG. (gut)

- Je größer rein, desto niedriger fG.

- Je größer RG, desto niedriger fG !?

Wenn RG kleiner wird, wird zwar fG kleiner, aber auch die Verstärkung. Deshalb wird nur versucht rein

und CKE groß zu dimensionieren.

b. Ausgangsgrenzfrequenz fGA

RLU20

raus CKA

~ U2

Gesamtdämpfung bei 20Hz

fGE

CKE, CKA

-20dB/Dekade

Gesamtfrequnez -40dB/Dekade

3dB

6dB



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5.1.5.4 Rauschverhalten

a. Widerstandsrauschen

In einem ohmschen Widerstand entsteht durch die thermische Bewegung der Elektronen ein

Wechselstrom, mit zufälligem Charakter (thermisches Rauschen).

=> ~~~R

UReffR

~~~

…… breitbandiges Signal, dass sich aus

viele Signalen zusammensetzt

T……… Temperatur in Kelvin K

B……… Frequenzbandbreite in Hz

kB …… Boltzmannkonstante 1,38 . 10 -23

Frequenzbandbreite ist der Bereich, in der das Rauschen betrachtet wird.

Bsp.:

R = 600Ω, T = 20°c, B = 0-100kHz

Effektivwert wird verwendet, da man Spitzenwerte nicht immer für Vergleiche nützten kann.

b. Transistorrauschen

Die Ursachen sind ähnlich, wie beim Widerstandsrauschen. Das Transistorrauschen hängt vom

jeweiligen Transistortyp ab => Rauschzahl ist im Datenblatt angegeben.

~

U´Reff

UG

~~~Transistorstufe

rein

RG

FdB ……. Rauschzahl im Datenblatt

Man hat das gesamte Rauschen der Transistorstufe in RG hineingezogen und berücksichtigt es durch

F. (F = 1……. rauschfreier Transistor (nicht realisierbar) )

Bsp.:

Geg.: UGeff = 3mV, T = 300K, B = 20kHz, RG = 600kΩ, FdB = 4dB

Ges.: U`Reff

c. Signal- /Rauschabstand

Die absolute Größe der Rauschspannung sagt relativ wenig aus. Viel wichtiger ist das Verhältnis zwischen maximaler Signalspannung und Rauschspannung.

SNR ………… Signal to Noise Rativ



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Wichtig:

- Signal und Rauschabstand haben verschiedene Signalformen. Man kann nur Effektivwerte

vergleichen.

- Signal und Rauschabstand müssen an derselben Stelle, der Schaltung verglichen werden

GO: SNR = 0dB (Signal ist gleich groß wie Rauschen)

SNR = 40dB (Signal ist 100mal größer als das Rauschen)

SNR = 80dB (guter Verstärker)

5.1.6 Schaltverhalten

5.1.6.1 Statisches Schaltverhalten

IB

RC

+UB

UE

RB

IC

UCE

RG

APL

APs

IC

UB

RC Arbeitsgerade

UCE

APL ……… Arbeitspunkt leitend

APS ……… Arbeitspunkt sperrend

a. Transistor sperrt

Die Basis wird über RB an Masse gelegt => Basisstrom ~ 0. Es stellt sich der APs ein.

Transistorverlustleistung in diesem Zustand:

ICEs …….. Reststrom, da B-E kurzgeschlossen

Bsp.:

PVs = 12V. 20nA = 0,24µW ~ 0 (wirkt sich nicht sonderlich aus)

b. Transistor leitet

Über den Vorwiderstand RB wird der gewünschte Basisstrom eingestellt. Ausgangsseitig stellt sich der

Arbeitspunkt APL ein. IB muss groß genug sein, dass der Arbeitspunkt sicher im Sättigungsbereich

(niederohmigen Bereich) liegt.

Ü…… Übertragungsfaktor 2-5

Transistorverlustleistung im leitenden Fall:



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Bsp.:

BC107B soll eine LED ein und ausschalten. U=12V, UEin = 0/5V, ILed = 20mA, ULED = 2V,

Ges. Schaltung, Dimensionierung.

RG RB

RV

5 / 0V

12VIB

URv

UCE

ILED

5.1.6.2 Dynamisches Schaltverhalten

uE(t)

t

t

iC(t)

tD

tR

tF

tS

Ic0,9.Ic

0,1.Ic

tD ….. Delaytime vom Auslösen bis zum erkennen tR ….. Risetime Anstiegszeit z.B. 50ns tS ….. Storagetime z.B. 150ns tF ….. Falltime Fallzeit z.B. 50ns

Ursache der Verzögerungszeit:

Transistorkapazitäten in Verbindung mit den Schaltungswiderständen ( = R .C) Ohne Widerstand ergibt sich keine Verzögerung.

tD Sperrschichtkapazität tR B-E Durchlasskapazität B-C Sperrschichtkapazität tS Durchlasskapazitäten B-E und B-C längste Zeit Durchlasskapazität größer als Sperrschichtkapazität tF B-E Durchlasskapazität B-C Sperrschichtkapazität

Die Zeiten hängen aber auch von den Beschaltungswiderständen ab => ein hochohmig

dimensionierter Schalter schaltet langsamer, als ein Niederohmiger ( = R .C).



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5.1.6.3 Schaltverlustleistung während des Umschaltens

Die Verlustleistung während des Umschaltens hängt von der Art der Last ab.

a. Ohmsche Last

APL

APs

IC

UB

RL Arbeitsgerade

UCE

i(t)

uCE(t)

RL Lastwiderstand

AP wandert auf der RL Gerade

Verlustleistung während des Umschaltens ist höher, als im ein-, ausgeschalteten Zustand.

b. Kapazitive Last

=>

RC

i(t)

UCE

+UB

APL

APs

IC

UB

Einschaltvorgang

Beim Einschalten ist der Strom gegenüber dem ohmschen Fall erhöht (der Kondensator muss

aufgeladen werden) => die Schaltverlustleistung ist deutlich erhöht (ACHTUNG). Bei großem

Übersteuerungsfaktor kann der Transistor zerstört werden.

Abhilfe: Vorwiderstand in Serie hängen, damit der Strom nicht zu groß wird.

Ausschaltvorgang

Beim Ausschalten ist die Schaltverlustleistung kleiner, als im ohmschen Fall.

c. Induktive Last

+UB

R

L

APL

APs

IC

UBUCE


Florian Kurcz Feldeffekttransistoren

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Einschalten:

günstiger Fall.

Ausschalten:

hier wehrt sich die Spule gegen das Absinken des Stromes. Die entstehende Überspannung

uL(t) kann deutlich größer als UB werden.

Abhilfe:

Einbau einer Freilaufdiode:

+UB

R

L0,7

APL

APs

IC

UB

UCE

0,7V

=>

5.2 Feldeffekttransistoren

5.2.1 J-FET

5.2.1.1 Schaltsymbole

G

D

SG

D

S

N-Kanal J-FET P-Kanal J-FET

Pfeil bedeutet PN Übergang.

Pfeilrichtung gibt die Durchlassrichtung an

5.2.1.2 Aufbau

RLZ

P+

N

UGS<0

UDS>0G

S S

D

D……. Drain Abfluss (=Kollektor)

S…….. Source Quelle (=Emitter)

G….... Gate Tor (=Basis)



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5.2.1.3 Kennlinie

UGS

ID [mA]

UDS [V]

ohmscherbereich Abschür Bereich

Grenze zwischen Hoch und Niederohmigen Bereich

UGS3<UGS2

UGS2<UGS1

UGS1<0

UGS=0

Ausgangskennfeld

UGSP

P…….Pinch Off (Abzwick, Abschnür)

Ausgangskennfeld

- Ohmscher Bereich

Bei kleinem UDS verhält sich der FET ähnlich einem steuerbaren Widerstand. Die Kennlinien

sind abhängig von UDS verschieden steil. Vergleiche Sättigungsbereich des bipolaren

Transistors.

Anwendung: Schalten

- Abschürbereich

Wenn UDS vergrößert wird, wachsen die RLZ fast ganz zusammen.

Bei weiterer Erhöhung von UDS steigt der Drainstrom nur mehr ganz wenig, die

Kennlinien werden fast waagrecht (siehe aktiver Bereich bei Bipolarer Transistor).

5.2.2 Selbstleitender MOS-FET

MOS….Metal-Oxid-Semionducter

Der Hauptunterschied zum FET besteht darin, dass die Gate-Elektrode vom Kanal, durch die SiO2-

Schicht isoliert ist. Der Gate-Strom ist daher deutlich kleiner als bei J-FET.

P

B

S

G

D

SiO2 (Isolierschicht)N+ N+

- +

Ladungsträger arme Zone



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Die Steuerung erfolgt durch elektrostatische Abstoßung vom Gate aus. Wenn das Gate negativ gepolt

ist, werden die beweglichen Elektronen im Kanal mehr oder weniger stark abgetrennt => Der

Kanalwiderstand wird gesteuert.


G

D

S

B (BULK)G

D

S

B (BULK)

N - Kanal P - Kanal

5.2.2.2 Kennlinie

Die Ausgangskennlinien sind gleich wie beim J-FET.

ID

|UGS| UGS|UGSp|

UGS darf auch positiv werden (Isolierschicht)

5.2.3 Selbstsperrender MOS – FET

P

B

S

G

D

SiO2 (Isolierschicht)

Elektronen

N+ N+

+ +

- - - - -

Bei offenem Gate gibt es keinen durchgehenden Kanal (selbst sperrend). Bei positiver Polung des

Gates sammeln sich unterhalb der Isolierschicht Minoritätsträger aus dem P-Kanal.


G

D

S

B (BULK)G

D

S

B (BULK)

N - Kanal P - Kanal

Der Kanal ist mit einem --- gekennzeichnet

Unterschied:



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5.2.3.2 Kennlinie

|UGS|

ID

UDS [V]UGST

Wie bei J-FET

UGST … Treshhold Voltage (Schwellwertspannung)

5.2.4 Kenngrößen

5.2.4.1 Grenzdaten

Siehe Datenblatt

5.2.4.2 Statische Kenndaten

- Reststrom = Transistorsperrstrom (Gatestrom) deutlich kleiner als bei bipolaren Transistoren. - DS Kurzschlussstrom: IDSS = Drain-Source short circuit (Gate).

Nachteil: Die Streuspannung variiert extreme => Schaltungsdimensionierung sehr schwer durchzuführen. Erkenntnis: Die Streukennline von FET unterliegt einer großen Exemplarstreuung, daher teilt man wieder in Gruppen auf. Die Temperaturabhängigkeit ist bei FET nicht so groß wie bei Bipolaren Transistoren.

5.2.4.3 Dynamische Kenndaten

Für die differentiellen Kenngrößen verwendet man wieder eine 4 Poldarstellung. Aufgrund der anderen Funktion des FET nimmt man hier die y-Parameter. y-Parameter heißt Leitwertparameter.

u2 = 0, Kurzschlusseingangsleitwert

u1 = 0, Kurzschlussrückwärtssteilheit

u2 = 0, Kurzschlussvorwärtssteilheit

u1 = 0, Kurzschlussausgangsleitwert

I1 = y11 . U1 + y21 . U2

I2 = y21 . U1 + y22 . U2



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5.2.5 Kleinsignalverhalten

5.2.5.1 NF Ersatzschaltbild

=> ~

s UGS.

rDSrGS

1y22

GD

SG

S

D

1y11

s…Vorwärtssteilheit = |y21| . UGS

y11S = wird oft vernachlässigt.

y11 …. Eingangsleitwert, weil RGS > 1MΩ

y21s … s Vorwärtssteilheit.

Typische GO: 2-5ms

Vergleich mit bipolar Transistor: auch dort kann eine Steilheit definiert werden.

GO: s = 33,3mS => Bipolar Transistoren verstärken höher, als FET

y22s …. ~ h22

GO: 10-50kΩ

ESB schaut prinzipiell gleich aus, teilweise Unterschiede (Verstärkung).

Die Bezeichnung der Kapazitäten bezieht sich auf die y-Parameter

C11 …. Eingangskapazität

C11 = CGS + CGD

C12 …. Rückwirkungskapazität

C12 = CGD

C22 …. Ausgangskapazität

C22 = CDS + CGD

5.2.5.2 HF Ersatzschaltbild

=> ~s . UGS

CGD

rGS CGS

D

rDSUDS

UGS

SS

G

CDS

GO:

C11 ~ 4pF, C12 ~ 1,1pF, C22~1,6pF

pf, da sie Sperrschichtkapazitäten sind.



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5.2.6 Verstärkeranwendungen von FET

J-FET in Sourceschaltung

~

RG

U1

CKE

R1 RS

RD

CKA

CA

U2

+UB

UGS

ID

~ID

IG

Geg. FET, ID, UDS

Annahme:

Bewirkt eine möglichst gleiche Signalaussteuerung nach oben und unten.

Bsp.: UB = 10V => URS = 2V

Temperatur soll in der Mitte sein: möglichst gute Aussteuerung nach oben und unten.

URS = ID . Rs

UR1 = IG . R1 ……vernachlässigbar, wenn R1 nicht sehr groß ist.

Bsp.: IG = 100nA, R1 = 1MΩ

UR1 = R1 . IG = 0,1V

=> R1 sollte nicht wesentlich größer als 100kΩ sein.

NF - ESB:

~ ~ U2 RLrDSrGS

G D

S

R1U1

-s.UGS

rD

iBi1RG i2

Die Formeln sind praktisch ident wie bei der Emitterschaltung.

Unterschiede:

- rein ist größer => FET ist hochohmiger

- vU ist kleiner (s von FET kleiner als s von Bipolar Transistoren)



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5.2.7 HF- und Schaltverhalten

5.2.7.1 HF Verhalten im Vergleich zum Bipolar Transistor

HF Verhalten ist durchwegs besser, als bei Bipolar Transistor

Grund: Die Kapazitäten sind kleiner (FET hat keine Diffusionskapazitäten)

5.2.7.2 Schaltverhalten

Schalter in Logikschaltung

Ströme können (sollen) möglichst klein sein. Man verwendet ausschließlich MOS-FET. Durch die

geringe Baugröße bei Hochintegration sind die Kapazitäten sehr klein (90nm Kanallänge)

=> Wesentlich kürzere Schaltzeiten, als bei Bipolar Transistoren.

FET als Leistungsschalter

Für große Ströme benötigt man große Querschnitte => große Kapazitäten.

Vergleichbar mit Bipolar Transistor.

Elektrische BAUELEMENTE Leistungselektronik

Florian Kurcz Thyristor

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6 Leistungselektronik

6.1 Thyristor

Der Name Thyristor setzt sich aus Thyratron und Transistor zusammen. Thyratron waren Quecksilber

Dampf gefüllte Gleichrichterröhren. Im englischen Sprachraum (SCR = silicon controlled rectifier)

Der Thyristor ist ein 4-Schicht Leiter Bauelement, bestehend aus einer Silizium Scheibe, die die

Dotierungsfolge PNPN aufweist.

P N P N

G

A K

A …... Anode K ...… Kathode G …... Gate

Dadurch entstehen im inneren 3PN Übergänge, von denen der Mittlere umgekehrte Polarität besitzt.

Somit sperrt der Thyristor in beiden Richtungen. Liegt an der äußeren P-Schicht eine positive bzw. an

der N-Schicht eine negative Spannung, so ist der Thyristor in Vorwärtsrichtung geschaltet.

Es sperrt nur der mittlere PN Übergang. Wird nun an die innere P Schicht eine positive Spannung

angelegt so wird durch den fließenden Strom die Sperrschicht mit Ladungsträger überflutet. Damit

verhält sich dieser Teil des Thyristors wie eine große N-Schicht d.h. der gesamte Thyristor arbeitet

wie eine Diode in Durchlassrichtung.

Nach dem Zünden des Thyristors kann die Gate-Spannung abgeschaltet werden, da durch den

Hauptstrom die Überflutung der Gatezone mit Ladungsträger aufrechterhalten wird. Der Thyristor

verlöscht erst wieder, wenn der Hauptstrom 0 wird.

Bei negativer Polung sperren die beiden äußeren PN-Übergänge und der Thyristor verhält sich wie

eine Diode in Sperrrichtung (Rückwärtsrichtung).

P-Gate-Thyristor N-Gate-Thyristor Thyristortetrode

G

A K

G

A K

G1

A K

G2

Eingangskennlinie:

UGK [V]

IG [mA]

10

20

30

1 2 3

Ptot

sicher nicht Zünden

wahrscheinlich Zünden

sicher Zünden

Die Eingangskennlinie entspricht einer Diodenkennlinie. Die für das Zünden notwendigen Ströme

liegen sehr nahe an der PTot Grenze, daher werden zum Ansteuern nur kurze Stromimpulse

verwendet die in den PTot Bereich hineinreichen.

Elektrische BAUELEMENTE LeistungselektronikLeistungselektronik

Florian Kurcz Thyristor

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Ausgangskennlinie:

IT

IH

UT

UBR

IG=0IG1

IG2IG3

Durchlasskennlinie

IG3>IG2>IG1>0

UB0

Ohne Gatestrom zündet der Transistor bei UB0 (äußerer PN-Übergang bricht durch.) Man bezeichnet

das auch als Zünden über Kopf. Beim einspeisen eines Gatestromes genügen entsprechend kleinere

Gate-Spannungen zum Zünden. Nun verhält sich der Thyristor wie eine Diode in Durchlassrichtung,

wird allerdings der Strom IH (Haltestrom) unterschritten, so kann die Überflutung der Gatezone nicht

mehr aufrecht erhalten werden und der Thyristor verlöscht.

Die Ansteuerung des Thyristors erfolgt durch Anlegen einer Zündspannung zum gewünschten

Zeitpunkt.

U~ UThRv

D

D ist eine Schutzdiode für negatives UGK

.... Zündwinkel

.... Stromflusswinkel

+ =180°

UTh

t

i

t

Nach dem Spannungsnulldurchgang beginnt die Spannung am Spannungsnulldurchgang zu steigen,

bis der Storm groß genug ist, um den Thyristor zu zünden, danach fließt durch den Thyristor Strom

bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang. Während der negativen Halbwelle sperrt der Thyristor,

bei der nächsten positiven Halbwelle beginnt der Vorgang neuerlich. Über die Höhe des


Florian Kurcz DIAC

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Widerstandes, kann eingestellt werden, bei welcher Spannung der Thyristor zündet. Je höher der

Widerstand ist, desto später zündet der Thyristor, desto kürzer dauert der Stromfluss =>

Phasenanschnittssteuerung.

U~UTh

Rv

D

C

Diac (Triggerdiode)

Verwendet man anstatt des Vorwiderstandes einen frequenzabhängigen Spannungsteiler, so erreicht

man durch die Phasenverschiebung, dass der Zündwinkel über 90° verschoben werden kann. Durch

den eingebauten Diac kann der Zündzeitpunkt des Thyristors stabilisiert werden.

6.2 DIAC

Diac …. diode for alternating current Dotierungsfolge:

P

N

P

U

i

25-20V Sperrkennlinie

Durchlass-

Bei Stromrichterschaltungen wird aus mehreren Gründen eine galvanische Trennung zwischen

Leistungsteil und Ansteuerelektronik gefordert.

Zündübertrager:

+UB

Wird der Transistor angesteuert so beginnt durch die Primärwicklung ein Strom zu fließen, dadurch

entsteht in der Sekundärwicklung eine Flussänderung und somit wird ein Spannungsimpuls induziert

der den Thyristor zündet: .


Florian Kurcz TRIAC

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Beim Betrieb von Thyristoren sind auf Grund ihrer dynamischen Eigenschaften einige

schaltungstechnische Maßnahmen zu beachten. Beim Zünden darf der Strom nicht zu schnell

ansteigen, da es sonst zu einer lokalen Überhitzung im Halbleiter kommt. Bei induktiven Lasten wird

der Stromanstieg durch den Verbraucher selbst begrenzt. Bei ohmschen Lasten muss zusätzlich eine

Drossel vorgesehen werden. Da Induktivitäten hohe Selbstinduktionsspannungen erzeugen, wird

zum Thyristor noch ein RC-Glied parallel geschaltet. Dieses bildet mit der Induktivität einen

Schwingreis, in dem die Energie langsam abgebaut wird.

R

C

R L

Um den Thyristor gegen Stromüberlastung zu schützen sind flinke Sicherungen vorzusehen

6.3 TRIAC

Triac …. triode for alternating current Thyristoren haben den Nachteil, dass sie nur in eine Richtung leiten, für Wechselstromsteller, die

beide Halbwellen schalten sollen müssen daher 2 Thyristoren antiparallel geschalten werden.

Prinzip: Schaltsymbol:

RL

GH1

H2

Aufbau:

P

N

N

P

A

K

G

P

N

N

P

A

K

G+

P

N

N

P

H2

G

P

N

N

P

H1

=

H2

N

N

N N

P

P

H1G

=>

GH1

H2

H1,2 Hauptelektroden


Florian Kurcz TRIAC

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Diese Anordnung ist bei beiden Hauptspannungsrichtungen sowohl mit positiver als auch mit

negativer Zündspannung an steuerbar. Da der Wirkungsgrad größer ist, wenn Zünd- und

Hauptspannung gleiche Richtung haben, sollte dies die bevorzugte Art der Ansteuerung sein.

Kennlinie:

uT

iT

uB0

Verwendung:

Am häufigsten für Wechselstromsteller (Stromrichterschaltungen, die die Amplitude der Spannung

ändern können).

W1…einphasig

W3...dreiphasig

Der häufigste Wechselstromsteller ist eine Phasenanschnittssteuerung:

z.B. Dimmer:

U~

R

C

CS

Si

flink

LS

L

N

Ls ………… Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit

Ls, Cs …… LC Tiefpass um Störungen zu filtern

R, C …….. Schutzbeschaltung für Triac

i

t

Verwendung:

Dimmer

Drehzahlregler für 1Phasenwechselstrommotoren

Sanftanlaufschaltung für Asynchronmotoren (W3)


Florian Kurcz TRIAC

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Eine weitere Möglichkeit einen Wechselstromsteller zu realisieren bietet die

Schwingungspaketsteuerung. Dabei werden immer nur volle Schwingungen durchgeschaltet,

wodurch keine Schaltflanken auftreten.

t

iT

tein taus

Tastverhältnis:

Da der Mittelungszeitraum hier höher ist, als bei der Phasenanschnittssteuerung, ist die

Schwingungspaketsteuerung nur für träge System geeignet, z.B. Heizung.

Neben Wechselstromsteller werden Triacs auch als Wechselstromschalter verwendet, um

herkömmliche mechanische Schaltkontakte (z.B. Relais) zu ersetzen => Halbleiterrelais (Solid State

Relais)

Halbleiterrelais:

+UB

u ~

RL

Isolationsspannungen > 2kV

Da der Phototriac nur sehr kleine Ströme schalten kann (<=500mA), wird meist noch ein

Leistungstriac nachgeschaltet.

+UB

Halbleiterrelais sind derzeit bis 25A erhältlich.

Das Ausschalten geschieht immer im Spannungsnulldurchgang, das Einschalten kann jedoch zu jedem

beliebigen Zeitpunkt erfolgen, sollte dieses auch im Spannungsnulldurchgang sein, so kann noch ein

Nullspannungsschalter eingebaut werden.

R1

R2

Nullspannungsschalter


Florian Kurcz Leistungs-MOSFET

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Der Nullspannungsschalter stellt eine Zündsperre für den Thyristor dar. Sobald die Spannung an der

Basis des Transistors eine bestimmte Grenze überschritten hat, leitet dieser und er zieht das Gate auf

das Kathodenpotentials des Thyristors. Somit ist keine Zündung mehr möglich. Die Spannungsgrenze

wird durch den Spannungsteiler R1 und R2 bestimmt.

6.4 Leistungs-MOSFET

Mosfets haben gegenüber Bipolaren Transistoren den Vorteil, dass sie im statischen Betrieb keinen

Steuerstrom benötigen. Die klassische Bauform (horizontaler Kanal) hat aber den Nachteil, dass der

Kanal sehr schmal ist und der FET einen relativ hohen RDSon besitzt.

G

S

D

selbstsperrender MOSFET Siemens Leistungs MOSFET

P

S

G

D

SiO2

(Isolierschicht)

Elektronen

N+ N+

+ +

- - - - -

Kanal

N+

N-

S

G

D

SiO2

(Isolierschicht)P

N+

PN+ N+

Kanal PN Übergang

G

S

DCGD

CGS

Leistungsmosfet besitzen eine vertikale Struktur. Dadurch ist es möglich auf einem Chip viele

Einzeltransistoren parallel zu schalten, und damit einen RDSon von kleiner 1Ω zu realisieren. Um den

FET zu Schalten wird eine UGS von 10-15V benötigt. Die Ansteuerung soll immer über eine

Gegentaktendstufe erfolgen.

....für schnelles Schalten

Die Kapazitäten des MOSFET bilden zusammen mit dem Kollektorwiderstand ein RC-Glied, das den Einschaltvorgang verlangsamt und damit die Verlustleistung des Transistors erhöht. Um kurze Schaltzeiten zu erreichen, verwendet man Gegentaktansteuerung. Es können auch Ausgänge von CMOS-ICs verwendet werden z.B. 4049 (6-fach Inverter). Um den Strom zu erhöhen können mehrere MOSFETs parallel geschalten werden. Sollten parasitäre Schwingungen auftreten, so sind Gatevorwiderstände (10-20Ω) vorzusehen. Die Entwicklung bei den Leistungsmosfets geht in Richtung intelligente Halbleiter (smart power

devices). Derartige Bausteine enthalten TTL kompatible Ansteuerlogik, Temperatur und

Stromüberwachung, Ladungspumpen für Highsideansteuerung, Diagnoselogik usw.

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