Praktikum Prozessdatenverarbeitung II Versuch 1 · 2010. 1. 6. · Praktikum...

Praktikum Prozessdatenverarbeitung II

Prof. Dr.-Ing. R. Welge

Björn-Helge Busch 2007


Versuch 1




Inhalt

Halbleiterdioden• Verpolungssicherheit• Gleichrichterdioden• Anwendungen von Gleichrichterdioden• Spannungsstabilisierung

Lumineszenzdioden• Funktionsprinzip einer LED• Ansteuerung• Anwendungen von LEDs

Spannungsregler• Positive Festspannungsregler• Negative Festspannungsregler• Applikationsbeispiele

• Und jetzt?




Für verschiedene Einsatzbereiche sind Spezialdioden erhältlich:

GleichrichterdiodenSchottkydioden

Varakterdioden

Esakidioden

Magnetdioden

Photodioden

LumineszenzdiodenThyristoren

Zenerdioden

DiacTriac PIN-Dioden

Backwarddioden

Halbleiterdioden:




Ich will meine Schaltung nicht versehentlich durch Verpolen der Versorgung zerstören. Was nun ?1. Einfach besser aufpassen !

Oder die bessere Variante:2. Ich sorge durch eine geeignete Gleichrichterdiode dafür, dass unsachgemäßes 2. Anschließen nicht zu Beschädigungen führt!

D1

1N4001V112 V

1 R1

330O2

C11uF

3

0

R1

330OC11uF

3

V112 V

0

1

Toll!

Halbleiterdioden: Verpolungssicherheit

Peng!




Gleichrichterdioden sind für verschiedene Spitzenspannungen Vrrm und Nennströme erhältlich.

Wichtig hierbei:• Temperaturverhalten• Durchbruchspannung• Sperrrichtung• differenzieller Diodenwiderstand

Anode

Kathode

Halbleiterdioden: Gleichrichterdioden




Gleichrichterdioden haben eine vielfältiges Einsatzspektrum• Schutz vor Verpolen• Gleichrichten von Wechselspannungen

• Einweggleichrichtung bzw. Einpulsmittelpunktschaltung• Brückengleichrichter bzw. Zweipulsbrückenschaltungen• Mehrphasengleichrichterschaltungen

• Verwendung als Schalter in Gattern• Spannungsverdopplerschaltungen

• Delon-Schaltung bzw. Zweipulsverdopplerschaltung D2• Villard-Schaltung bzw. Einpulsverdopplerschaltung D1

Viele Schaltungen sind als integrierte Bauteile erhältlich (z.B. Brückengleichrichter)

Wichtig hierbei : Spezielle Kennwerte beachten Datenblatt!

Halbleiterdioden: Anwendungen von Gleichrichterdioden




Schaltungsbeispiele: Einweggleichrichter und Brückengleichrichter

Bei der Verwendung von Gleichrichterschaltungen muss die Welligkeit der Ausgangsspannung beachtet werden!

Aussiebung der Wechselspannungsanteile durch eine Siebkette!

D1

1N4001

R110kO

2V1

30 Vrms 60 Hz 0°

IO1IO1

0

Einweggleichrichter

R1

10kO

V1

30 Vrms 60 Hz 0°

D2

MDA990-6

1

2

4

3

1

2

IO1IO1

0

Brückengleichrichter





Anwendung: Netzteil

V1

220 Vrms 60 Hz 0°

D2

MDA990-6

1

2

4

3

T10

1

2

3

1

2

3

4 R1

10kOC120uF

C220uF

R2

300O6

0

IO1IO1

Transformieren Gleichrichten Aussieben





Anwendung: SpannungsvervielfacherschaltungenBei zu kleiner Speisespannung setzt man aus wirtschaftlichen Gründen (zu teurer Transformator) Spannungsvervielfacherschaltungen ein (u.a. in Messgeräten)

D1

1N4001

D2

1N4001

V1

10 Vrms 60 Hz 0° R1

10kO

C11uF

C21uF

34

1

0

Delon-Schaltung

4

5

1 3

0 IO1IO1

Villardschaltungen





Anwendung: Dioden als Schalter

Bei Digitalschaltungen mit vielen Gattern und schnellen Zustandswechseln kommt es unter anderem auf die Schaltzeiten der verwendeten Halbleiterdioden an!

D1

1N4001

R110kO

D2

1N4001 0

IO1IO1

IO2IO2

IO3IO3

Oder-Verknüpfung

R1100kO

D2

1N4001

D1

1N4001

IO4

IO5

IO1IO1

IO4

IO5

0

VDD

5VVDD

Und-Verknüpfung





Ich benötige eine Ausgangsspannung, die unabhängig von

• schnellen Laständerungen (->Transient) • Netzspannungsschwankungen• Betriebstemperatur

stabil einen definierten Wert beibehält

Sollwertschwankungen von 5% bis zu 10% führen in den meisten Fällen zu Funktionsstörungen der Gesamtschaltung

Ich benötige eine Ausgangsspannung, die unabhängig von

• schnellen Laständerungen (->Transient) • Netzspannungsschwankungen• Betriebstemperatur

stabil einen definierten Wert beibehält

Sollwertschwankungen von 5% bis zu 10% führen in den meisten Fällen zu Funktionsstörungen der Gesamtschaltung

Halbleiterdioden: Spannungsstabilisierung

Stabilisierung mittels Zenerdiode




Abhilfe schafft die Verwendung von Zenerdioden

Zenerdioden sind für ein Spektrum an benötigten Ausgangsspannungen verfügbar.Wichtig hierbei: rz und Uz sowie der höchzulässige Diodenstrom

R1

1kOV112 V

2

D1

1N44610

IO5IO5 R11kO

V112 V D1

1N4461 50%

Q1BF240

2

14

0

IO1IO1

Z-Diodenstabilisierung Prinzip eines einstellbaren Spannungsreglers

Halbleiterdioden: Spannungsstabilisierung




Durch Zufuhr von Strom werden Elektronen in der LED zu einer spontanen Lichtemission angeregt.Die Lichtemission ist proportional zur Stromstärke.

Bei der Beschaltung gilt:

• Spannungsbereich beachten• Maximalstrom ebenso, sonst wird die LED sich • in die ewigen Jagdgründe verabschieden

Für die Einstellung des Arbeitspunktes der LEDgibt es verschiedene Möglichkeiten

Anode

Kathode

Lumineszenzdioden: Funktionsprinzip




1. Stromeinprägung:

Es wird zum Betrieb der LED ein bestimmter Strom eingestellt, der den höchstzulässigen Strom nicht übersteigt.

LED1

R1

100O

V15 V

1 2

0

Mit Vorwiderstand

LED1 V 15 V

Q 1

BC109BP

R1180O

1

3R2

1kOKe y= A 45%

4

0

2

Mit Transistor

Q1

BF245C

R150O

R2100O

2

LED1V112 V

0

5

6

1

Mit MOSFET

Lumineszenzdioden: Ansteuerung




2. Treiberstufen:

Es existiert eine Vielzahl integrierter LED-Treiber, die mehrere LED‘s parallel ansteuern

V15 V &

IO1 IO1IO2 IO2

12

3 &

5

IO3IO4

IO3IO4

0

4

6

7SN75451

Lumineszenzdioden: Ansteuerung




Der Einsatz von LED-Treiberstufen vermittelt den Schaltungsaufwand erheblich.Zudem lassen sich auch komplexere Schaltungen aufbauen, die über den Einsatz als einfache Signalleuchte hinausgehen.

Realisierung von Anzeigegeräten

• 7-Segment-Anzeigen zur Darstellung von Ziffern• 16-Segment-Anzeigen zur Darstellung alphanumerischer Zeichen

Für die Ansteuerung von 7-Segment-Anzeigen werden Decoderbausteine verwendet (Bsp. SN7444)

Realisierung von mehrstelligen Anzeigen durch die Verwendung von Multiplexern.

Lumineszenzdioden: Anwendungen von LEDs




Beispiel Ansteuerung eines 7-Segmentbausteins

DP: DezimalpunktRBO: HelligkeitseinstellungRBI : Unterdrückung führender NullenLT : Lampentest

SN7447 TIL302

+5VSignal für DP

Datenleitung

ABCDRBIRBO

LT

abcdefg

GND+5V

Signal für LT

1100





Beispiel Ansteuerung eines 7-Segmentbausteins

DP: DezimalpunktRBO: HelligkeitseinstellungRBI : Unterdrückung führender NullenLT : Lampentest

SN7447 TIL302

+5VSignal für DP

Datenleitung

ABCDRBIRBO

LT

abcdefg

GND+5V

Signal für LT

1001





Beispiel Ansteuerung der 16-Segmentanzeige DL1414

M PMC

Anzeige

SegmentTreiber

StellenTreiberRAM

ROM

OszillatorStellenz.

Schreibadressen-Decoder

D0 D6

Datenbus

Stellenauswahl

CLK:Informationen an Adress- undDatenleiten bei falling edge





Ich möchte meine Eingangsspannung gerne auf ein bestimmtes Niveau heruntersetzen. Wie mache ich das?

Spannungsregler :

Nehmt doch einfach einen Spannungsteiler. Das ist

schön einfach!

Einfach schon,aber schön?

Hätten wir bloßHerrn Hinck

gefragt!




Um Spannungen auf ein bestimmtes Niveau zu regeln, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

1. Festspannungsregler der 7800er-Serie

• Spannungsbereiche von 5V-18V bei 25V Eingangsspannung• Spannungsbereiche von 20V-24V bei bis zu 40V Ue• Spannungsbereiche von • erhältlich in TO220 und TO3 –Gehäusen• integrierter thermischer Überlastschutz• Interne Kurzschluss-Schutzschaltung

Spannungsregler : Positive Festspannungsregler




Typenbezeichnung leitet sich aus der stabilisierten Ausgangsspannung ab.

Beispiel MC7805BT liefert stabilisierte 5V Ausgangsspannung

Typische Beschaltung:

V112 V C1

330nFC2330nF

U1MC7805BTLINE VREG

COMMON

VOLTAGE

0

1 IO1IO1





Festspannungsregler der 7800er-Serie haben eine typspezifische Ausgangsspannung Ua. Ich möchte Ua aber einstellen können.

2. Spannungsregler der LM-Serie

• Vorteil einstellbarer Spannungen• Thermischer Überlastschutz• TO39-Gehäuse bis 200mA Laststrom• TO3-Gehäuse bis 1A

Beispiel: LM117Ua= 1,2V bis 37V





Spannungregler LM117 als Festspannungsregler

Die Ausgangsspannung beträgt in dieser Beschaltung die kleinstmögliche Ausgangsspannung

U1LM117H

C21uF

V124 V

1

C11uF

IO1

IO1

0





Spannungregler LM117 als einstellbarer Spannungsregler

Die Spannung Ua ergibt sich aus Ua ~ 1,25V (1+R2/R1)

U1LM117H

C2100nF

V124 V

1

C11uF

IO1

R1240OR2

1kOKey=A 70%

2

IO1

0





Festspannungsregler der 7900er-Serie oder Spannungsregler der LM-Serie

Die Ausgangsspannung ergibt sich in Analogie zu dem LM117(hier -2,5V)

V112 V

Spannungsregler : Negative Festspannungsregler

C11uF C2

1uFR1330O

R2330O

U1LM137K/883

1

4

0

3




Während des Semesters soll folgende Schaltung realisiert werden:

Und jetzt?

ARM7

12V5V

PegelwandlungAbstandssensor

Servomotor

Stepper Stepper Driver

LED & Taster

Pegelwandlung

Gabellichtschranke




Versuch 1:

• Realisieren Sie eine verpolungssichere Schaltung, die 5V bereitstellt (inklusive einer• LED als Indikator).

• Realisieren Sie eine Ampelschaltung, die mit 3,3V-Spannung des ARM7-Boards läuft.

• Programmieren Sie eine Ampelsteuerung mittel GPIO unter Verwendung des • Treiberinterface und einer ISR

• Implementieren Sie einen Taster in dem 5V-Zweig mit nachgeschalteter LED

• Greifen Sie die Spannung Ud über GPIO ab

• Implementieren Sie den Taster als Triggerquelle für die Ampelsteuerung

Und jetzt?

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