Skript zum Teil D2 (pdf

Transformatoren
Teil D2:
Aufgaben:
Spannungsversorgungen
Veränderung der Amplitude einer Wechselspannung;
Transformatoren
Galvanische Trennung, Erhöhung der Sicherheit
Dioden
Aufbau:
Gleichrichter
Spannungsregler / Zener-Dioden
Zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern
PC - Netzteile
Spule 1
viele Wind.
dünner Draht
DC - DC - Wandler
Spule 2
wenige Wind.
dicker Draht
Eisenkern
06.002.14
06.021.01
Transformatoren
Transformatoren
Symbol:
Wichtige Kenngrößen aus Anwendersicht:
Betriebsspannung Primärseite
Leerlaufspannung Sekundärseite
Bezeichnungen:
Kurzschlussstrom Sekundärseite
Primär- 230V ~
250mA
seite
5V ~ Sekundär10A seite
Eingangsleistung: 57,5W
Ausgangsleistung: 50W
übertragbare Leistung
Wirkungsgrad
Baugröße
Wirkungsgrad 50/57,5*100 = 87%
06.021.02
06 / Teil D2 / Seite 01
06.021.03
Transformatoren
Einfluss der Netzfrequenz
Pulsierende Gleichspannung
Entstehung:
Wirkungsgrad:
Von der Vollwelle wird eine Hälfte unterdrückt.
hohe Wirkungsgrade erfordern hohe Frequenzen
Baugröße:
hohe Frequenz - geringe Baugröße
Eisenbahn mit 16,6 Hz Netzfrequenz
Transformatoren sind 3x so groß
Technische Umsetzung:
Diode
Schaltnetzteile mit 20 kHz Arbeitsfrequenz:
Transformatoren sind äußerst kompakt
06.021.04
06.021.05
Dioden: Wirkprinzip
Leitfähigkeit einer Diode
hängt ab von:
Dioden: Aufbau
Halbleitermaterial, z.B. Silizium,
mit Fremdatomen gezielt leitend
gemacht (dotiert). Grundwerkstoff
allein ist praktisch ein Isolator.
I
- der Höhe
- der Polarität
der anliegenden Spannung.
U
Dioden haben in Bezug
auf die Spannung ein
asymmetrisches Verhalten.
Fremdatome (z.B. Bor,
Gallium, Indium) führen
zu Elektronenmangel
(Löchern) bei den Kristallbindungen (p-dotiert).
Dioden sind nicht-lineare Bauelemente.
06.010.01
06 / Teil D2 / Seite 02
Jede Hälfte
für sich ist
elektrisch
neutral.
Fremdatome (z.B. Phosphor,
Arsen, Antimon) führen zu
Elektronenüberschuss bei
den Kristallbindungen
(n-dotiert).
06.010.02
Dioden: Ruhezustand
-----
Dioden: Sperrrichtung
-
+
+
+
+
+
+
+
+
Elektronen wandern über
die Grenzschicht, um die
Löcher in den Kristallverbindungen zu schließen.
Das Gebiet wird damit
negativ aufgeladen.
Einfließende
Elektronen
können Sperrschicht nicht
überwinden, da
Löcher besetzt
sind.
Das elektrische Gleichgewicht ist gestört, es
bleibt eine positiv geladene Zone (Zone mit
Löchern) zurück.
Es entsteht ein dynamisches Gleichgewicht.
I
Elektronen
werden vom
Pluspol angezogen
-----
Elektronen
werden vom
Pluspol angezogen
Die Sperrschicht wird
vergrößert, es kann kein
Strom fließen.
06.010.04
Diode, Flüssigkeitsmodell
Diode:
+
+
+
+
+
+
+
+
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
06.010.03
Dioden: Durchlassrichtung
+
-- -- --- -- --- -- --- -- --
+
1. Anschluss
Elektronenstrom
Die Sperrschicht wird
verkleinert, elektrisches
Feld begünstigt Elektronenfluss.
Einfließende
Elektronen
füllen von
hinten Löcher
auf.
’Ladung’
2. Anschluss
Ventil
Feder
Diode, Sperrrichtung:
06.010.05
06 / Teil D2 / Seite 03
06.010.06
Bezeichnungen der Kennlinie
Diode, Flüssigkeitsmodell
Diode:
I
1. Anschluss
2. Anschluss
’Ladung’
Imax
Feder
Ventil
USperr max
ID
Diode, Durchlassrichtung:
U
UD
Imax
UD
Durchlassspannung
ID
Durchlassstrom
Imax max. zulässige
Stromstärke
USperr max max. Sperr-
spannung
06.010.07
06.010.08
Schaltdioden
Schaltdioden
Eigenschaften:
Beispiel: Universaldiode 1N4148
Kurze Schaltzeiten.
In Durchlassrichtung geringer Widerstand.
In Sperrichtung nur sehr kleiner Reststrom.
Preisgünstiger Massenartikel.
Bildliche Darstellung:
A
K
A = Anode, K = Katode
Stromfluss: A
K
Universaldiode zum Schalten, Begrenzen, Entkoppeln
und für Logikschaltungen.
Durchlassspannung
UD
0.72 V
Durchlassstrom
ID
5 mA
max. zulässige
Stromstärke
max. Sperrspannung
06.010.09
06 / Teil D2 / Seite 04
Imax
USperr max
300 mA
75 V
06.010.10
Schaltdioden
Schaltdioden
Beispiel: Universaldiode 1N4148
Beschränkungen der Dioden-Logik:
Jede Stufe verliert 0,7 V, d.h. das Signal nähert
sich der verbotenen Zone zwischen logisch ’0’
und logisch ’1’;
Spannung U [mV]
750 Ta = 25 °C
700
650
mehrstufige Schaltungen mit gemischten UNDund ODER-Funktionen sind nicht möglich;
Strom steigt
exponentiell
600
es gibt keine NICHT-Funktion.
550
500
0.2 0.3 0.5
1
2
Strom I [mA]
3
5
10
06.010.11
06.010.51
Gleichrichterdioden
Gleichrichterdioden
Eigenschaften:
Beispiel: Gleichrichterdiode BYX 55/350
Geringe Durchlassspannung.
Hohe zulässige Verlustleistung.
Hohe zulässige Stromstoßfestigkeit.
In Sperrrichtung sehr kleiner Reststrom.
Bildliche Darstellungen:
A
K
A
Stromfluss: A
K
Durchlassspannung
UD
1,25 V
Durchlassstrom
ID
50 mA
max. zulässige
Stromstärke
A = Anode,
K = Katode
max. Sperrspannung
K
Imax
USperr max
2A
7,5 mm
0.1
350 V
Einsatz in Gleichrichterschaltungen
06.010.17
06 / Teil D2 / Seite 05
06.010.18
Pulsierende Gleichspannung
Gleichrichterdioden
Glättung
Erzeugung pulsierender Gleichspannung
Ansatz:
I
Nutzung eines Speichers mit Einlassventil
Ua=
Ue~
VerR braucher
Technische Umsetzung:
zum Verbraucher
Diode und Kondensator
06.010.67
06.021.06
Pulsierende Gleichspannung
Gleichrichterdioden
Nutzung der zweiten Halbwelle
Glättung durch einen Kondensator
Ansatz:
I
Zweite Halbwelle spiegeln, um sie nutzbar zu machen.
Ue~
Ua=
VerR braucher
Spiegel
Technische Umsetzung:
Glättung erreicht nie 100%, sondern hängt ab von
- der Kapazität des Kondensators;
- derHöhe des Verbraucherstroms.
zum Verbraucher
Brückengleichrichter
06.010.68
06 / Teil D2 / Seite 06
06.021.07
Gleichrichterdioden
Gleichrichterdioden
Anwendung: Brückengleichrichter
Anwendung: Brückengleichrichter
I
I
Ue~
I
Ue
t
+
C
Ua=
+
I
R
C
Ua I
R
I
06.010.19
06.010.20
Spannungsregler
Gleichrichterdioden
Problem:
Anwendung: Brückengleichrichter
Unter Last reicht die Glättung durch Kondensatoren
nicht aus.
I
Lösung:
I
Ue
Spannungsregler
t
+
I
C
Ua I
R
Typ 7805
I
Ue: 7-12V
Ua: 5V
Masse
06.010.21
06 / Teil D2 / Seite 07
Typ
Ua
Imax
7805
7812
78S05
LT1003CK
5V
12V
5V
5V
1A
1A
2A
5A
Kühlblech erforderlich!
06.021.08
Überspannungsbegrenzer
Spannungsregler
Problem:
Stabilisierung von 5V Gleichspannung
Bauelemente oder Baugruppen müssen vor Überspannungen geschützt werden:
- statische Aufladungen
I
Ue~
9V
7805
+
C2
C1
- Verpolung
+
- Blitzschlag
Ua=
C3
5V
Lösung:
Zenerdioden
06.010.69
06.021.09
Zener - Dioden
Zener - Dioden
Eigenschaften:
Wird in Sperrichtung betrieben.
Leitet ab einer genau spezifizierten Spannung UZ
auch in Sperrrichtung.
Durchbruch in Sperrrichtung führt nicht zur Zerstörung.
Imax
UZ
ID
UD
Bildliche Darstellung:
A
I
K
A = Anode, K = Katode
Stromfluss: K
A
Imax
Einsatz zur Spannungsbegrenzung und -stabilisierung.
UD
Durchlassspannung
ID
Durchlassstrom
U
Imax max. zulässige
Stromstärke
UZ
Zener-Spannung
UZ ist genau spezifiziert.
06.010.22
06 / Teil D2 / Seite 08
06.010.23
Zener - Dioden
Zener - Spannungen unterschiedlicher Dioden
Beispiel: Zener - Diode SZX 21/9,1
-14 -12 -10
Zenerspannung
UZ
8,5 - 9,1V
Strom IZ
bei UZ
IZ
5 mA
zul. Gesamtverlustleistung
Pmax
250 mW
max. Zenerstrom
IZmax
36 mA
-8
-6
-4
-2 -1
I [mA]
U [V]
-20
-40
-60
-80
06.010.24
06.010.25
Zener - Diode als Spannungsbegrenzer
Kennlinie
Schaltung
Ue
+
-
RV
Wirkung der Zener - Dioden
UZ
RL
-14 -12 -10
Ua
Ua
Ue
UZ
10V
+
-
RV
Ue > Uz: Diode leitet, Ua = UZ
RV: Vorwiderstand
RL: Lastwiderstand
-6
-4
-2 -1
Id [mA]
Ud = -Ua [V]
10Ω
Ue < Uz: Diode sperrt, Ua = Ue
-8
Id
RL
1kΩ
Ua
Kennlinie beschreibt den
einzig möglichen
Zusammenhang
zwischen Ud
und Id.
-20
-40
-60
-80
-100
06.010.26
06 / Teil D2 / Seite 09
06.010.70
Wirkung der Zener - Dioden
-14 -12 -10
-8
-6
-4
-2 -1
Wirkung der Zener - Dioden
Id [mA]
-14 -12 -10
-8
-6
-4
-2 -1
Ud = -Ua [V]
10V
+
-
RV
Iv
Ud = -Ua [V]
-20
10Ω
Id
RL
1kΩ
IL
Ua
Kennlinie beschreibt den
einzig möglichen
Zusammenhang
zwischen Ud
und Id.
Spng über Rv: 10V - Ua
Strom Iv=(10V - Ua)/10Ω
Strom IL=Ua/1000Ω
Summenstrom: Iv = Id + IL
Diodenstrom: Id = (10V-Ua)/10Ω - Ua/1000Ω
10Ω
-40
10V
+
-
RV
Iv
-60
-100
-8
-6
-4
-2 -1
Id [mA]
-20
10Ω
+
-
RV
Iv
Id
RL
1kΩ
IL
-40
Ua
Ue wird auf 11V
erhöht. Ua erhöht
sich auf 9.6V
-40
-60
-80
-100
06.010.72
Wirkung der Zener - Dioden
Ud = -Ua [V]
10V
Ua
-20
06.010.71
Wirkung der Zener - Dioden
-14 -12 -10
Id
RL
1kΩ
IL
Schnittpunkt liefert
einzig möglichen
Arbeitspunkt des
Systems.
Ua wird in diesem
Beispiel auf 9.1V
geregelt.
-80
Id [mA]
Schnittpunkt liefert
einzig möglichen
Arbeitspunkt des
Systems.
Je steiler die Kennlinie der Diode, desto besser die
Stabilisierung.
Gefahr für die Diode: Überlastung durch Überschreiten
von Imax.
-60
Rv soll die Diode schützen. Auch Rv darf nicht überlastet werden.
-80
Die Ein-/Ausgänge vieler ICs werden mit Zenerdioden
geschützt.
-100
06.010.73
06 / Teil D2 / Seite 10
06.010.74
Zener - Diode
Schutz einer V.24 Schnittstelle
Zener - Diode
Schutz einer V.24 Schnittstelle
Kennlinie des Diodenpaares:
I
I
8
4
9
5
Betriebserde
U
-UZ
2
7
3
Sendedaten
U
1
6
UZ
Empfangsdaten
Wie groß ist UZ zu wählen?
06.010.42
Zener - Diode
Schutz einer V.24 Schnittstelle
PC - Netzteile
PC-Netzteile werden in der ATX-Spezifikation vollständig beschrieben:
Wahl von UZ:
Nach Norm liegen die Spannungspegel der V.24Verbindung bei -12 V und +12 V.
- Bauform und -größe
- Befestigungen
- elektrische Anschlüsse
- Farben der Adern
- elektrische Mindestdaten
Deshalb Zener - Diode mit UZ > 12 V wählen.
Ausschnitt Händlerliste:
Typ
UZ
max. Leistung
Gehäuse
11ZS2
1N 759A
ZF13
85C13
1N 5353B
11 V
12 V
13 V
13 V
16 V
0,5 W
0,5 W
0,5 W
1,3 W
5W
DO 35
DO 35
DO 35
DO 41
T 18
06.010.43
06.010.44
+5V: 30A; +12V:12A
-5V: 0.3A; -12V: 1.0A
+3.3V: 14A;
+5V Stand-by: 0.85A
Primär: 230V, 3A
06 / Teil D2 / Seite 11
06.021.10
PC - Netzteile
PC - Leistungsbilanz
Die vorgegebene Baugröße kann nur mit kleinsten
Transformatoren erreicht werden.
Komponente
typ. Leistung
CPU
30 - 60W
Mainboard
20 - 30W
SCSI-Hostadapter
20 - 25W
AGP-Grafikkarte
20 - 30W
IDE-Platte
5 - 15W
Floppylaufwerk
5W
PCI-Karte
5W
Netzwerkkarte
4W
Zur Übertragung der geforderten Leistung muss der
Transformator hochfrequent angesteuert werden.
Leistungsstarke Halbleiterschalter schalten die
zugeführte Spannung mit ca. 20kHz an und aus,
Schaltnetzteil.
Lebensgefahr! Netzteile sollten nicht geöffnet werden.
Sie enthalten keine Bauteile, die gewartet oder repariert werden könnten.
06.021.11
06.021.12
Leistungsoptimierte Systeme
DC - DC - Wandler
Der hohe Leistungsbedarf und die entspechende
Abwärme eines PC-Systems ist häufig nicht zulässig:
Hauptspannung der digitalen Elektronik: 5V=.
Häufig werden auch andere Spannungen benötigt:
+12V, -12V der V.24-Schnittstelle;
- Akkubetrieb;
+24V in der Automatisierungstechnik;
- Kühlprobleme durch dichtes Gehäuse;
+12V Programmierspannung Flash-Speicher;
-...
+3.3V für hochintegrierte Schaltungen.
Alternative:
Ziel:
National Semiconducture Geode GX1-333
- PC-on-a-chip
- vollständige PC-Funktionalität bei 5W
Ableiten der anderen Spannungen aus 5V=.
06.021.13
06 / Teil D2 / Seite 12
06.021.15
Spannung verkleinern
Spannung verkleinern
Ohmscher Spannungsteiler
+
I1
unter der Voraussetzung,
dass kein Ausgangsstrom Ia fließt.
Ue
R1
Ua
R2
Ue
+
Ia
Ua = Ue * R1 / (R1 + R2)
+
Ua, Ia gegeben
Ua
I2
I.d.R. muss am Ausgang
eine Leistung Pa = Ua * Ia
bereitgestellt werden.
Ue gegeben
I2 = I1 + Ia
+
I1 = Ua / R1
R2
R1
Ia
Ohmscher Spannungsteiler, Ia konstant
I2 = (Ue - Ua) / R2
(Ue - Ua) / R2 = Ia + Ua / R1
R2 = (Ue - Ua) / (Ia + Ua / R1)
Ia > 0.
06.021.16
06.021.17
Spannung verkleinern
Spannung verkleinern
Veränderlicher ohmscher Spannungsteiler
Ua
5
R1 = 10Ω
4
R1 = 100Ω
Ia
I1
3
I2
R1, R2 kleiner
Ua stabiler
Ue
2
+
R1 = 1000Ω
1
2
4
6
8
Ue = 10V, R1 = R2
R1
+
R2
Ue
+
+
digitales Potentiometer
Ia
I1
Ua
Ue
I2
R2
I1
R1
Ia
analoges Potentiometer
Ua [V]
R1
Abhängigkeit der Spannung Ua von Ia
+
Ua
+
I2
R2
8 Bit
Ohmscher Spannungsteiler, Ia veränderlich
Vorgabewert
10 Ia [mA]
06.021.18
06 / Teil D2 / Seite 13
06.021.19
Spannung verkleinern
DC - DC - Wandler
Digitales, elektronisches Potentiometer
- digitale Einstellung von Arbeitspunkten;
- mikroprozessorkompatibles Potentiometer.
Eine Reihe wichtiger Anwendungen benötigen für
kurze Zeit eine erhöhte Gleichspannung, z.B. das
Löschen des Flash-Speichers des BIOS.
Beispiel:
DC - DC - Wandler können Transformator ersetzen.
Analogteil
Digitalteil
ZM534, Quad 8 Bit DAC DIGITRIM
Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH
http://www.zmd.de
OUTB
OUTA
REFH
UPO
PDE
/LDAC
/CLR
DOUT
ZMD
ZM534
OUTC
OUTD
REFL
Vdd
DGND
DIN
SCLK
/CS
Eingang DC-DC- Ausgang
OUT.
5V=
+
Wandler
+
12V=
digital
Bedeutender Hersteller: Maxim
REFH REFL
06.021.20
www.maxim-ic.com
06 / Teil D2 / Seite 14
06.021.14