Grundlagen Halbleiter

Grundlagen
Halbleiter
Arbeitsbuch
Mit CD-ROM
R1
RC
UB = 12 V
IC
IB
Rm
K
C2
C1
G
US
(Sinus)
f = 1 kHz
UE = 0.1 V
R2
RE
C3
UA
Y1
Y2
R3
0 (Y1) – UE
0 (Y2) – UA
Festo Didactic
567281 DE
Bestell-Nr.:
Stand:
Autor:
Redaktion:
Grafik:
Layout:
567281
09/2010
Melanie Wäschle
Frank Ebel
Remo Jedelhauser, Melanie Wäschle
02/2011, Frank Ebel
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2013
Internet: www.festo-didactic.com
E-Mail: [email protected]
Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die
Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt.
Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter,
des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen
zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu
verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und
Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer
und Studenten des Standortes für den Unterricht.
Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in
Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer
Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen.
Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen,
Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen,
unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic GmbH & Co. KG.
Hinweis
Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch
Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine
geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem
besseren Verständnis der Formulierungen.
Inhalt
Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ IV
Vorwort
______________________________________________________________________________ V
Einleitung _____________________________________________________________________________ VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise __________________________________________________________ VIII
Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) ______________________________ IX
Lernziele – Grundlagen Halbleiter _____________________________________________________________X
Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter __________________________________ XI
Gerätesatz _____________________________________________________________________________ XII
Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter______________________________ XVI
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder _________________________________________________________ XVIII
Struktur der Aufgaben ____________________________________________________________________ XIX
Bezeichnung der Komponenten ____________________________________________________________ XIX
Inhalte der CD-ROM ______________________________________________________________________ XX
Aufgaben und Lösungen
Aufgabe 1:
Aufgabe 2:
Aufgabe 3:
Aufgabe 4:
Aufgabe 5:
Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung _____________________________3
Stabilisieren der Ausgangsspannung eines Netzgeräts mit Z-Dioden ____________________ 21
Dimensionieren des Vorwiderstands einer Leuchtdiode ______________________________ 39
Verstärken des Ausgangssignals eines Mikrofons ___________________________________ 51
Ansteuern einer Leuchte mit einem Feldeffekt-Transistor _____________________________ 81
Aufgaben und Arbeitsblätter
Aufgabe 1:
Aufgabe 2:
Aufgabe 3:
Aufgabe 4:
Aufgabe 5:
Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung _____________________________3
Stabilisieren der Ausgangsspannung eines Netzgeräts mit Z-Dioden ____________________ 21
Dimensionieren des Vorwiderstands einer Leuchtdiode ______________________________ 39
Verstärken des Ausgangssignals eines Mikrofons ___________________________________ 51
Ansteuern einer Leuchte mit einem Feldeffekt-Transistor _____________________________ 81
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III
Bestimmungsgemäße Verwendung
Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen:
 für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb
 in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand
Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten
sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib
und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.
Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich
Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die
Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die
in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.
Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des
Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes
außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden
vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.
IV
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Vorwort
Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen
Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des
Lernsystems:
 Technologieorientierte Trainingspakete
 Mechatronik und Fabrikautomation
 Prozessautomation und Regelungstechnik
 Mobile Robotik
 Hybride Lernfabriken
Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem
Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert.
Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,
Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare
Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben.
Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen
Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen
und elektrischen Antrieben möglich.
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V
Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:
 Hardware
 Medien
 Seminare
Hardware
Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und
Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte
der begleitenden Medien angepasst.
Medien
Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die
praxisorientierte Teachware umfasst:
 Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)
 Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)
 Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)
 Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)
 Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)
Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:
 Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)
 Simulationssoftware
 Visualisierungssoftware
 Software zur Messdatenerfassung
 Projektierungs- und Konstruktionssoftware
 Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen
Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht
konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.
Seminare
Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und
Weiterbildung ab.
Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?
Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]
Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.
VI
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Einleitung
Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma
Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und
Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) behandelt die
folgenden Themen:
 Grundlagen Gleichstromtechnik
 Grundlagen Wechselstromtechnik
 Grundlagen Halbleiter
 Grundschaltungen der Elektronik
Das Arbeitsbuch Grundlagen Halbleiter befasst sich mit Halbleiterbauelementen. Zunächst werden
unterschiedliche Dioden wie Halbleiterdiode, Z-Diode und Leuchtdiode betrachtet und daran die
Grundbegriffe erarbeitet. Inhalte wie z. B. P-N Übergang, Sperrspannung oder Durchlassstrom werden dabei
theoretisch und, wo möglich, auch messtechnisch aufgezeigt. Im Weiteren wird das Thema Transistoren an
bipolaren und unipolaren Transistoren erläutert
Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet
mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop
und Sicherheits-Laborleitungen.
Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 5 Aufgabenstellungen zum Thema
Grundlagen Halbleiter aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben
enthalten die Lehrbücher
 Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und
 Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298.
Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Dioden, Transistoren, Messgeräte usw.) zur
Verfügung.
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VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise
Allgemein
 Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen
arbeiten.
 Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle
Hinweise zur Sicherheit!
 Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt
werden und sind umgehend zu beseitigen.
Elektrik
 Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter!
– Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts
unterbrochen werden.
– Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden.
 In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische
Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten.
 In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal
verantwortlich zu überwachen.
 Vorsicht!
Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen
getrennt wurde.
 Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen
Nennstromstärke.
 Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum
gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät
zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.
 Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Kleinspannungen,
maximal 25 V DC.
 Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her!
 Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab!
 Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.
 Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den
Leitungen.
VIII
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Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011)
Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand
dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundlagen Halbleiter. Einzelne Komponenten aus dem
Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.
Wichtige Komponenten des TP 1011
 Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer®
 Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen
 Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
 Komplette Laboreinrichtungen
Medien
Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die
Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen der Halbleitertechnik. Die
Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen
Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe
wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert.
Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur
Verfügung gestellt.
Medien
Fachbücher
Fachkunde Elektroberufe
Elektrotechnik
Tabellenbuch
Elektrotechnik/Elektronik
Arbeitsbücher
Grundlagen Gleichstromtechnik
Grundlagen Wechselstromtechnik
Grundlagen Halbleiter
Grundschaltungen der Elektronik
Digitale Lernprogramme
WBT Elektrik 1 – Grundlagen der Elektrotechnik
WBT Elektrik 2 – Gleich- und Wechselstromschaltkreise
WBT Elektronik 1 – Grundlagen der Halbleitertechnik
WBT Elektronik 2 – Integrierte Schaltkreise
WBT Elektrische Schutzmaßnahmen
Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011
Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2,
Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme
beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl
fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt.
Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren
Katalogen und im Internet.
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IX
Lernziele – Grundlagen Halbleiter



















X
Sie kennen den Aufbau und die Wirkungsweise von Halbleiterdioden.
Sie kennen den Kennlinienverlauf der Siliziumdiode.
Sie kennen die wichtigsten Kennwerte von Halbleiterdioden.
Sie können den Arbeitspunkt der Diode zeichnerisch bestimmen.
Sie kennen die Wirkungsweise der Z-Diode.
Sie kennen die Zusammenhänge der Spannungen und Ströme in einer Stabilisierungsschaltung
mit Z-Diode.
Sie können eine Stabilisierungsschaltung dimensionieren.
Sie kennen die Wirkungsweise von Leuchtdioden.
Sie kennen den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Farben von LEDs und der
Durchlassspannung.
Sie können den Vorwiderstand einer LED dimensionieren.
Sie kennen Aufbau und Arbeitsweise des Transistors.
Sie kennen die Eingangskennlinie, die Stromverstärkungskennlinie und die Ausgangskennlinie.
Sie können den Arbeitspunkt eines Transistors einstellen.
Sie können die Wechselspannungsverstärkung und die Wechselstromverstärkung einer Verstärkerstufe
bestimmen.
Sie kennen die verschiedenen Arten von Feldeffekt-Transistoren und deren entscheidenden
Unterschied.
Sie kennen wichtige Kenngrößen des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors.
Sie kennen die Eingangs- und Ausgangskennlinie des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors.
Sie können die Abschnürspannung des FET aus den Kennlinien ablesen.
Sie können die Ansteuerung einer Leuchte mit einem FET aufbauen.
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Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter
Aufgabe
1
2
3
4
5
Lernziel
Sie kennen den Aufbau und die Wirkungsweise von Halbleiterdioden.
•
Sie kennen den Kennlinienverlauf der Siliziumdiode.
•
Sie kennen die wichtigsten Kennwerte von Halbleiterdioden.
•
Sie können den Arbeitspunkt der Diode zeichnerisch bestimmen.
•
Sie kennen die Wirkungsweise der Z-Diode.
•
Sie kennen die Zusammenhänge der Spannungen und Ströme in einer
Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode.
•
Sie können eine Stabilisierungsschaltung dimensionieren.
•
Sie kennen die Wirkungsweise von Leuchtdioden.
•
Sie kennen den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Farben von LEDs und der
Durchlassspannung.
•
Sie können den Vorwiderstand einer LED dimensionieren.
•
Sie kennen Aufbau und Arbeitsweise des Transistors.
•
Sie kennen die Eingangskennlinie, die Stromverstärkungskennlinie und die
Ausgangskennlinie.
•
Sie können den Arbeitspunkt eines Transistors einstellen.
•
Sie können die Wechselspannungsverstärkung und die Wechselstromverstärkung einer
Verstärkerstufe bestimmen.
•
Sie kennen die verschiedenen Arten von Feldeffekt-Transistoren und deren entscheidenden
Unterschied.
•
Sie kennen wichtige Kenngrößen des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors.
•
Sie kennen die Eingangs- und Ausgangskennlinie des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors.
•
Sie können die Abschnürspannung des FET aus den Kennlinien ablesen.
•
Sie können die Ansteuerung einer Leuchte mit einem FET aufbauen.
•
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XI
Gerätesatz
Das Arbeitsbuch Grundlagen Halbleiter vermittelt Kenntnisse über den Aufbau und die Funktion der
Bauelemente sowie über das Verhalten der Bauelemente in Grundschaltungen und einfachen
Anwendungsschaltungen.
Der Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) enthält alle Komponenten, die für die
Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger
Schaltungen werden zusätzlich zwei Digital-Multimeter, ein Speicher-Oszilloskop und SicherheitsLaborleitungen benötigt.
Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 571780
Komponente
Bestell-Nr.
Menge
Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
567321
1
Universal-Steckfeld EduTrainer®
567322
1
Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik
567306
1
Satz Brückenstecker, 19 mm, grau-schwarz
571809
1
Übersicht Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 567306
XII
Komponente
Menge
Widerstand, 10 Ω/2 W
1
Widerstand, 22 Ω/2 W
2
Widerstand, 33 Ω/2 W
1
Widerstand, 100 Ω/2 W
2
Widerstand, 220 Ω/2 W
1
Widerstand, 330 Ω/2 W
1
Widerstand, 470 Ω/2 W
2
Widerstand, 680 Ω/2 W
1
Widerstand, 1 kΩ/2 W
3
Widerstand, 2,2 kΩ/2 W
2
Widerstand, 4,7 kΩ/2 W
2
Widerstand, 10 kΩ/2 W
3
Widerstand, 22 kΩ/2 W
3
Widerstand, 47 kΩ/2 W
2
Widerstand, 100 kΩ/2 W
2
Widerstand, 1 MΩ/2 W
1
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Komponente
Menge
Potentiometer, 1 kΩ/0,5 W
1
Potentiometer, 10 kΩ/0,5 W
1
Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kΩ/0,45 W
1
Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W
1
Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W
1
Kondensator, 100 pF/100 V
1
Kondensator, 10 nF/100 V
2
Kondensator, 47 nF/100 V
1
Kondensator, 0,1 μF/100 V
2
Kondensator, 0,22 μF/100 V
1
Kondensator, 0,47 μF/100 V
2
Kondensator, 1,0 μF/100 V
2
Kondensator, 10 μF/250 V, gepolt
2
Kondensator, 100 μF/63 V, gepolt
1
Kondensator, 470 μF/50 V, gepolt
1
Spule, 100 mH/50 mA
1
Diode, AA118
1
Diode, 1N4007
6
Z-Diode, ZPD 3,3
1
Z-Diode, ZPD 10
1
Diac, 33 V/1 mA
1
NPN-Transistor, BC140, 40 V/1 A
2
NPN-Transistor, BC547, 50 V/100 mA
1
PNP-Transistor, BC160, 40 V/1 A
1
P-Kanal-JFET-Transistor, 2N3820, 20 V/10 mA
1
N-Kanal-JFET-Transistor, 2N3819, 25 V/50 mA
1
UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647, 35 V/50 mA
1
P-Kanal-MOSFET-Transistor, BS250, 60 V/180 mA
1
Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A
1
Triac, TIC206, 400 V/4 A
1
Transformatorspule, N = 200
1
Transformatorspule, N = 600
2
Transformatoreisenkern mit Halter
1
Leuchtmelder, 12 V/62 mA
1
Leuchtdiode (LED), 20 mA, blau
1
Leuchtdiode (LED), 20 mA, rot oder grün
1
Wechsler
1
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XIII
Grafische Symbole des Gerätesatzes
Komponente
Grafisches Symbol
Komponente
Grafisches Symbol
Widerstand
Z-Diode
Potentiometer
Diac
Widerstand,
temperaturabhängig (NTC)
NPN-Transistor
Widerstand, lichtabhängig
(LDR)
PNP-Transistor
Widerstand,
P-Kanal-JFET-Transistor
spannungsabhängig (VDR)
U
XIV
Kondensator
N-Kanal-JFET-Transistor
Kondensator, gepolt
UNIJUNCTION-Transistor
Spule
P-Kanal-MOSFET-Transistor
Diode
Thyristor
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Komponente
Grafisches Symbol
Komponente
Triac
LED blau
Transformatorspule
LED rot oder grün
Leuchtmelder
Wechsler
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Grafisches Symbol
XV
Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter
Aufgabe
1
2
3
4
5
Komponente
Widerstand 10 , 2W
1
Widerstand 100 , 2W
1
Widerstand 220 , 2W
1
Widerstand 330 , 2W
1
1
Widerstand 470 , 2W
1
1
Widerstand 680 , 2W
1
Widerstand 1 k, 2W
1
1
1
1
Widerstand 2,2 k, 2W
2
Widerstand 4,7 k, 2W
2
Widerstand 10 k, 2W
1
1
Widerstand 47 k, 2W
2
Widerstand 100 k, 2W
1
Potentiometer 1 k, 0,5 W
1
Potentiometer 10 k, 0,5 W
1
Kondensator 10 μF, gepolt
2
Kondensator 100 μF, gepolt
1
Diode 1N4007
XVI
1
1
Z-Diode ZPD 10
1
Leuchtdiode, 20 mA, blau
1
Leuchtdiode, 20 mA, rot oder grün
1
Leuchtmelder 12 V, 62 mA
1
1
1
NPN-Transistor BC140
1
NPN-Transistor BC547
1
PNP-Transistor BC160
1
1
N-Kanal-JFET -Transistor 2N3819
1
P-Kanal-MOSFET-Transistor BS250
1
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Aufgabe
1
2
3
4
5
Voltmeter
1
1
1
1
2
Amperemeter
1
1
1
2
2
Komponente
Oszilloskop
Grundlagen-Netzteil
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1
1
1
1
1
1
XVII
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder
Lernziele
Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Analysieren und Auswerten von einfachen
Grundschaltungen mit Halbleiterbauelementen. Die Erkenntnisse werden durch theoretische
Fragestellungen, durch den praktischen Aufbau der Schaltungen und das Messen von elektrischen Größen
gewonnen. Durch diese direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger
Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert. Konkrete Einzellernziele sind
jeder Aufgabenstellung zugeordnet.
Richtzeit
Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab.
Pro Aufgabe können ca. 1 bis 1,5 Stunden angesetzt werden.
Komponenten des Gerätesatzes
Arbeitsbuch und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 5 Aufgaben benötigen Sie nur
Komponenten eines Gerätesatzes TP 1011.
Normen
Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet:
EN 60617-2 bis EN 60617-8
Graphische Symbole für Schaltpläne
EN 81346-2
Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte;
Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung
DIN VDE 0100-100
Errichten von Niederspannungsanlagen – Allgemeine Grundsätze,
(IEC 60364-1)
Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe
DIN VDE 0100-410
Errichten von Niederspannungsanlagen – Schutzmaßnahmen –
(IEC 60346-4-41)
Schutz gegen elektrischen Schlag
Kennzeichnungen im Arbeitsbuch
Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt.
Ausnahme: Angaben und Auswertungen zu Strom sind immer rot dargestellt, Angaben und Auswertungen
zur Spannung sind immer blau dargestellt.
Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern
Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.
Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.
XVIII
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Lösungen
Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer
Messungen können von diesen Daten abweichen.
Lernfelder
Für den Ausbildungsberuf Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema „Grundlagen Halbleiter“ dem Lernfeld 1
der Berufsschule zugeordnet.
Struktur der Aufgaben
Alle 5 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in:
 Titel
 Lernziele
 Problemstellung
 Schaltung oder Lageplan
 Arbeitsauftrag
 Arbeitshilfen
 Arbeitsblätter
Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung.
Bezeichnung der Komponenten
Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN 81346-2.
In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines
Schaltkreises werden durchnummeriert.
Widerstände:
Kondensatoren:
Signalgeräte:
R, R1, R2, ...
C, C1, C2, …
P, P1, P2, ...
Hinweis
Werden Widerstände und Kondensatoren als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe
zur Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich,
werden diese als Indizes behandelt und tiefgestellt.
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XIX
Inhalte der CD-ROM
Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-Datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM
Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung.
Die CD-ROM enthält folgende Ordner:
 Bedienungsanleitungen
 Bilder
 Produktinformationen
Bedienungsanleitungen
Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese
Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten.
Bilder
Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit
können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den
Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden.
Produktinformationen
Für ausgesuchte Komponenten erhalten Sie Produktinformationen des Herstellers. Die Darstellung und
Beschreibung der Komponenten in dieser Form soll zeigen, wie diese Komponenten in einem industriellen
Katalog dargestellt sind. Zusätzlich finden Sie hier ergänzende Informationen zu den Komponenten.
XX
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Inhalt
Aufgaben und Lösungen
Aufgabe 1:
Aufgabe 2:
Aufgabe 3:
Aufgabe 4:
Aufgabe 5:
Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung _____________________________3
Stabilisieren der Ausgangsspannung eines Netzgeräts mit Z-Dioden ____________________ 21
Dimensionieren des Vorwiderstands einer Leuchtdiode ______________________________ 39
Verstärken des Ausgangssignals eines Mikrofons ___________________________________ 51
Ansteuern einer Leuchte mit einem Feldeffekt-Transistor _____________________________ 81
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1
2
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Aufgabe 1
Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Lernziele
Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,
 kennen Sie den Aufbau und die Wirkungsweise von Halbleiterdioden.
 kennen Sie den Kennlinienverlauf der Siliziumdiode.
 kennen Sie die wichtigsten Kennwerte von Halbleiterdioden.
 können Sie den Arbeitspunkt der Diode zeichnerisch bestimmen.
Problemstellung
Ein Föhn mit zwei Heizstufen nutzt einen Einweggleichrichter zur Leistungsreduzierung bei der niedrigen
Heizstufe 1. Durch die pulsierende Gleichspannung entsteht nur die halbe Leistung. Der maximale Strom der
durch die Diode fließt beträgt 0,7 A. Es stehen die Dioden 1N4007, 1N4148 und BAX18 zur Auswahl.
Überprüfen Sie, welche dieser Dioden für die Schaltung geeignet ist.
Lageplan
Föhn mit zwei Heizstufen
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3
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
4
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Arbeitsaufträge
Machen Sie sich mit dem Aufbau von Halbleiterdioden vertraut.
Untersuchen Sie die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode.
Nehmen Sie die Kennlinie einer Halbleiterdiode auf.
Bestimmen Sie den Arbeitspunkt einer Halbleiterdiode.
Erklären Sie Kennwerte und Grenzwerte von Halbleiterdioden.
Wählen Sie eine Diode für den Föhn und begründen Sie Ihre Auswahl.




Arbeitshilfen
Datenblätter
Fachbuch
Tabellenbuch
WBT Elektronik 1
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
1. Aufbau von Halbleiterdioden
Information
Dioden sind Halbleiter. Sie bestehen aus einer P-Schicht und einer N-Schicht. Durch das
Zusammenbringen der unterschiedlich dotierten Halbleiter entsteht der PN-Übergang.
P
N
a) Vervollständigen Sie:
Der Anschluss an der P-Schicht heißt Anode.
Der Anschluss an der N-Schicht heißt Kathode.
b) Nennen Sie zwei Halbleiterwerkstoffe, die man für Dioden verwendet.
Vor allem Silizium und vereinzelt noch Germanium werden als Halbleiterwerkstoffe verwendet.
c)
Zeichnen Sie das Schaltzeichen der Halbleiterdiode und benennen Sie die beiden Anschlüsse.
1
1 : Anode
2
2 : Kathode
d) Vergleichen Sie das Schaltzeichen mit der abgebildeten Diode und identifizieren Sie die Anschlüsse.
Begründen Sie Ihre Antwort.
1
1 : Anode
2
2 : Kathode
Begründung
Der Ring dient zur Kennzeichnung der Kathode.
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Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
2. Wirkungsweise von Halbleiterdioden
a) Bei Widerständen und Glühlampen ist die Polung unbedeutend. Ist das bei Dioden auch der Fall?
Bauen Sie die Schaltung auf. Stecken Sie zuerst die Diode gemäß Polarität 1 in die Schaltung. Danach
stecken Sie die Diode gemäß Polarität 2 in die Schaltung.
P
R
+
R
U = 12 V
1
2
Messschaltung mit Diode
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R
Diode
1N4007
P
Leuchtmelder
12 V, 62 mA
—
Netzteil
0 – 25 V
Geräteliste
b) Beschreiben Sie, was zu beobachten ist.
Die Lampe leuchtet nur, wenn die Diode die Polarität 1 aufweist.
c)
Welchen Schluss können Sie daraus für die Diode schließen?
Bei Dioden ist die Polung von Bedeutung. Halbleiterdioden lassen den Strom nur in eine Richtung
durch. Sie sperren den Strom in entgegengesetzter Richtung.
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
d) Entsprechend der Polung unterscheidet man zwischen der Durchlassrichtung und der Sperrrichtung.
Zeichnen Sie die Diode mit der richtigen Polung in das Schaltbild ein.
Durchlassrichtung
Sperrrichtung
P
+
U = 12 V
P
V
R
UF
+
U = 12 V
V
R
UR
e) Überprüfen Sie, ob die Diode ein ideales Bauteil ist. Messen Sie dazu mit einem Multimeter parallel zur
Diode den Spannungsabfall an der Diode in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung.
Durchlassrichtung UF =
f)
0,7 V
Sperrrichtung UR =
12 V
Welche Erkenntnis gewinnen Sie?
Durch den großen Widerstand der Diode in Sperrrichtung liegt in Sperrrichtung die gesamte Spannung
an der Diode. In Durchlassrichtung liegt eine kleine Durchlassspannung an. Folglich ist die Diode nicht
ideal leitend.
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Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
3. Kennlinienaufnahme einer Halbleiterdiode
Information
Durch die Strom-Spannungs-Kennlinie wird das elektrische Verhalten der Halbleiterdiode
beschrieben. Sie zeigt die Abhängigkeit des durch die Diode fließenden Stroms von der angelegten
Spannung.
RV
+
A
IF
V
U = 0 – 25 V
R
UF
Durchlassrichtung
RV
+
U = 0 – 25 V
A
V
IR
R
UR
Sperrrichtung
Messschaltungen zur Kennlinienaufnahme
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
RV
Widerstand
1 k, 2 W
R
Diode
1N4007
—
Voltmeter
—
Amperemeter
—
Netzteil
0 – 25 V
Geräteliste
a) Um die Abhängigkeit des fließenden Stroms von der angelegten Spannung zu ermitteln, legen Sie
nacheinander die Durchlassspannungen UF nach Messtabelle an die Diode an und messen Sie den
dazugehörigen Durchlassstrom IF. Tragen Sie die gemessenen Werte in die Tabelle ein.

Verwenden Sie für die Messung im Durchlassbereich die Stromfehlerschaltung (Schaltung a).
UF [V]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
IF [mA]
0
0
0
0
0
0,17
1,47
12,6
Durchlassrichtung

Verwenden Sie für die Messung im Sperrbereich die Spannungsfehlerschaltung (Schaltung b).
UR [V]
0,0
2,5
5
7,5
10
15
20
25
IF [nA]
0
0
0
0
0
0
0
0
Sperrrichtung
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Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
b) Konstruktion der Diodenkennlinie
Übertragen Sie die Werte aus beiden Messungen in das Diagramm.
IF [mA]
45
40
35
30
25
20
15
10
5
30
20
10
0
20
40
UR [V]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
UF [V]
60
IR [nA]
80
Diodenkennlinie
c)
Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung.
Zuerst steigt die Vorwärtsspannung mit zunehmender Stromstärke langsam an. Ab einer bestimmten
Spannung steigt der Vorwärtsstrom deutlich an. Bei angelegter Sperrspannung ist mit zunehmender
Spannung kein Stromfluss erkennbar.
d) Wie bezeichnet man die Spannung, bei der die Diode leitend wird?
Die Spannung wird als Schleusenspannung bezeichnet.
e) Bestimmen Sie die Schleusenspannung der Diode mithilfe einer Tangente an der Diodenkennlinie. Um
welches Halbleitermaterial handelt es sich?
(Schleusenspannungen: Ge-Diode: 0,3 V, Si-Diode: 0,7 V)
Die Schleusenspannung beträgt 0,7 V. Folglich handelt es sich um eine Siliziumdiode.
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
4. Arbeitspunktbestimmung
Information
Um den Arbeitspunkt einer Diode zu bestimmen können, wird üblicherweise eine zeichnerische
Lösung gewählt.
a) Ermitteln Sie den Arbeitspunkt für folgende Schaltung.
R
RV
UR
UF
U
Reihenschaltung Diode und Widerstand; U = 1,5 V, RV = 0,5 Ω
10
I [A]
8
6
4
2
IF
0
0
0.5
1
1.5
2
U [V]
UF
UR
Kennlinie der Diode 1N4007

Zeichen Sie die Arbeitsgerade des Widerstandes spiegelbildlich in die Kennlinie.
1. Zeichen Sie den Schnittpunkt mit der x-Achse bei U ein.
2. Zeichen Sie den Schnittpunkt mit der y-Achse bei U/RV ein.
3. Verbinden Sie die Punkte

Tragen Sie den Arbeitspunkt ein.
Der Arbeitspunkt ist der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der Diodenkennlinie.
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11
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
b) Mit Hilfe des Arbeitspunktes lassen sich die Spannung UF, die Spannung UR und der Strom IF
bestimmen. Tragen Sie die erforderlichen Werte in die Kennlinie ein und lesen Sie die Werte ab.
Durchlassspannung UF =
Spannung UR =
Durchlassstrom IF =
0,96 V
0,54 V
1,07 A
5. Kennwerte und Grenzwerte von Halbleiterdioden
a) Recherchieren Sie, was man unter Kennwerten und Grenzwerten versteht.
Kennwerte
Beschreiben Eigenschaften eines Halbleiterbauelementes in einem bestimmten Arbeitspunkt.
Grenzwerte
Beschreiben Werte, die nicht überschritten werden dürfen, ohne eine sofortige Zerstörung des
Bauelementes zu riskieren.
b) Bestimmen Sie die Bedeutung der wichtigen Kennwerte.
Durchlassspannung UF
Spannung in Durchlassrichtung
Durchlassstrom IF
Strom in Durchlassrichtung
12
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
c)
Bestimmen Sie die Bedeutung der wichtigen Grenzwerte.
Periodische Spitzensperrspannung URRM
Maximal erlaubte periodisch auftretende Sperrspannung
Stoßvorwärtsstrom IFSM
Höchstzulässiger einmaliger Stromimpuls mit definierter Dauer
Verlustleistung Ptot
Maximal zulässige Verlustleistung
d) Ermitteln Sie mit Hilfe des Datenblattes die für die Diode 1N4007 geltenden Grenzwerte und Kennwerte.
Diode
1N4001
Durchlassspannung UF
< 1,1 V
Durchlassstrom IF
Periodische Spitzensperrspannung URRM
1A
Stoßvorwärtsstrom IFSM
1000 V
30 A
e) Recherchieren Sie, was in dem Datenblatt der Diode „maximum RMS voltage“ bedeutet.
RMS ist die Abkürzung für Effektivwert (engl. root mean square). Daher ist URMS der maximale erlaubte
periodische auftretende Effektivwert der Sperrspannung.
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13
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
6. Bestimmen der Diode zur Leistungsreduzierung
Information
Zur Auswahl von Gleichrichterdioden sind vor allem die periodische Spitzensperrspannung URRM
und die Verlustleistung Ptot von Bedeutung. Diese dürfen nicht über den Grenzwerten liegen.
a) Ermitteln Sie mit Hilfe der Datenblätter welche der drei Dioden für diese Schaltung eingesetzt werden
kann. Begründen Sie Ihre Antwort.
3
2
1
0
Ueff = 230 V
f = 50 Hz
R
UF
RV
Schaltplan; Widerstand RV: 680 Ω
Gegeben
Auszug Datenblatt der Dioden BAX18, 1N4148 und 1N4007
Eingangsspannung Ueff = 230 V
Durchlassstrom IFmax = 0,5 A
Gesucht
periodische Spitzensperrspannung URRM
Verlustleistung Ptot
14
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Rechnung

Überlegen Sie, welche maximale periodische Spitzensperrspannung URRM an der Diode anliegen kann.
Effektivwert der Wechselspannung Ueff = 230 V, daraus folgt für den Scheitelwert der
Wechselspannung U = 325 V. Folglich ist die maximale Sperrspannung, die an der Diode anliegen
kann 325 V.

Berechnen Sie die maximale Verlustleistung P der Dioden bei 25 °C mit Hilfe der Datenblätter.
Maximale Verlustleistung in der Diode entsteht, wenn die maximale Spannung am Eingang anliegt.
Diese liegt an, wenn der Scheitelwert der Eingangsspannung (U = 325 V) erreicht ist.
Arbeitspunkt einzeichnen und Werte für UF in diesem Arbeitspunkt ablesen.
Leistung berechnen: P  UF  IF
UF aus der jeweiligen Kennlinie ablesen
P1N4148 = keine Berechnung notwendig, da IF = 150mA
PBAX18 = 0,9 V · 0,5 A = 0,45 W = 450 mW (allerdings keine Berechnung notwendig, da URRM = 110 V)
P1N4007 = 0,85 V · 0,5 A = 0,425 W = 425 mW
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15
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
b) Vergleichen Sie die berechneten Werte mit den Grenzwerten aus dem Datenblatt. Für welche Diode
entscheiden Sie sich. Begründen Sie Ihre Antwort.
Aus dem Datenblättern können folgende Werte entnommen werden:
Diode 1N4007
Diode BAX18
Diode 1N4148
URRM
1000 V
110 V
100 V
Ptot
3W
80 mW
500 mW
Laut den Berechnungen ergeben sich die folgenden Werte:
Diode 1N4007
Diode BAX18
Diode 1N4148
URRM
325 V
325 V
325 V
Ptot
425 mW
450 mW
–
Es kann nur die Diode 1N4007 für diese Schaltung eingesetzt werden.
Bei der Diode BAX18 ist die maximal erlaubte periodisch auftretende Sperrspannung URRM geringer als
der tatsächlich auftretenden Sperrspannung. Des Weiteren ist die Verlustleistung, die bei der Diode
BAX18 auftreten würde, größer als die erlaubte Verlustleistung Ptot.
Bei der Diode 1N4148 beträgt der maximal zulässige Vorwärtsstrom nur 150 mA und ist damit weit
unter dem tatsächlichen Durchlassstrom von 0,5 A.
16
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Auszug Datenblatt Diode 1N4007
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17
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Auszug Datenblatt Diode 1N4148
18
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Auszug Datenblatt Diode BAX18
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19
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
20
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Inhalt
Aufgaben und Arbeitsblätter
Aufgabe 1:
Aufgabe 2:
Aufgabe 3:
Aufgabe 4:
Aufgabe 5:
Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung _____________________________3
Stabilisieren der Ausgangsspannung eines Netzgeräts mit Z-Dioden ____________________ 21
Dimensionieren des Vorwiderstands einer Leuchtdiode ______________________________ 39
Verstärken des Ausgangssignals eines Mikrofons ___________________________________ 51
Ansteuern einer Leuchte mit einem Feldeffekt-Transistor _____________________________ 81
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1
2
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Aufgabe 1
Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Lernziele
Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,
 kennen Sie den Aufbau und die Wirkungsweise von Halbleiterdioden.
 kennen Sie den Kennlinienverlauf der Siliziumdiode.
 kennen Sie die wichtigsten Kennwerte von Halbleiterdioden.
 können Sie den Arbeitspunkt der Diode zeichnerisch bestimmen.
Problemstellung
Ein Föhn mit zwei Heizstufen nutzt einen Einweggleichrichter zur Leistungsreduzierung bei der niedrigen
Heizstufe 1. Durch die pulsierende Gleichspannung entsteht nur die halbe Leistung. Der maximale Strom der
durch die Diode fließt beträgt 0,7 A. Es stehen die Dioden 1N4007, 1N4148 und BAX18 zur Auswahl.
Überprüfen Sie, welche dieser Dioden für die Schaltung geeignet ist.
Lageplan
Föhn mit zwei Heizstufen
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3
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
4
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Arbeitsaufträge
Machen Sie sich mit dem Aufbau von Halbleiterdioden vertraut.
Untersuchen Sie die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode.
Nehmen Sie die Kennlinie einer Halbleiterdiode auf.
Bestimmen Sie den Arbeitspunkt einer Halbleiterdiode.
Erklären Sie Kennwerte und Grenzwerte von Halbleiterdioden.
Wählen Sie eine Diode für den Föhn und begründen Sie Ihre Auswahl.




Arbeitshilfen
Datenblätter
Fachbuch
Tabellenbuch
WBT Elektronik 1
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
1. Aufbau von Halbleiterdioden
Information
Dioden sind Halbleiter. Sie bestehen aus einer P-Schicht und einer N-Schicht. Durch das
Zusammenbringen der unterschiedlich dotierten Halbleiter entsteht der PN-Übergang.
P
N
a) Vervollständigen Sie:
Der Anschluss an der P-Schicht heißt
Der Anschluss an der N-Schicht heißt
b) Nennen Sie zwei Halbleiterwerkstoffe, die man für Dioden verwendet.
c)
Zeichnen Sie das Schaltzeichen der Halbleiterdiode und benennen Sie die beiden Anschlüsse.
d) Vergleichen Sie das Schaltzeichen mit der abgebildeten Diode und identifizieren Sie die Anschlüsse.
Begründen Sie Ihre Antwort.
1
2
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Name: __________________________________ Datum: ____________
5
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
2. Wirkungsweise von Halbleiterdioden
a) Bei Widerständen und Glühlampen ist die Polung unbedeutend. Ist das bei Dioden auch der Fall?
Bauen Sie die Schaltung auf. Stecken Sie zuerst die Diode gemäß Polarität 1 in die Schaltung. Danach
stecken Sie die Diode gemäß Polarität 2 in die Schaltung.
P
R
+
R
U = 12 V
1
2
Messschaltung mit Diode
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R
Diode
1N4007
P
Leuchtmelder
12 V, 62 mA
—
Netzteil
0 – 25 V
Geräteliste
b) Beschreiben Sie, was zu beobachten ist.
c)
6
Welchen Schluss können Sie daraus für die Diode schließen?
Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
d) Entsprechend der Polung unterscheidet man zwischen der Durchlassrichtung und der Sperrrichtung.
Zeichnen Sie die Diode mit der richtigen Polung in das Schaltbild ein.
Durchlassrichtung
Sperrrichtung
P
+
U = 12 V
P
V
R
UF
+
U = 12 V
V
R
UR
e) Überprüfen Sie, ob die Diode ein ideales Bauteil ist. Messen Sie dazu mit einem Multimeter parallel zur
Diode den Spannungsabfall an der Diode in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung.
Durchlassrichtung UF =
f)
Sperrrichtung UR =
Welche Erkenntnis gewinnen Sie?
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Name: __________________________________ Datum: ____________
7
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
3. Kennlinienaufnahme einer Halbleiterdiode
Information
Durch die Strom-Spannungs-Kennlinie wird das elektrische Verhalten der Halbleiterdiode
beschrieben. Sie zeigt die Abhängigkeit des durch die Diode fließenden Stroms von der angelegten
Spannung.
RV
+
A
IF
V
U = 0 – 25 V
R
UF
Durchlassrichtung
RV
+
U = 0 – 25 V
A
V
IR
R
UR
Sperrrichtung
Messschaltungen zur Kennlinienaufnahme
8
Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
RV
Widerstand
1 k, 2 W
R
Diode
1N4007
—
Voltmeter
—
Amperemeter
—
Netzteil
0 – 25 V
Geräteliste
a) Um die Abhängigkeit des fließenden Stroms von der angelegten Spannung zu ermitteln, legen Sie
nacheinander die Durchlassspannungen UF nach Messtabelle an die Diode an und messen Sie den
dazugehörigen Durchlassstrom IF. Tragen Sie die gemessenen Werte in die Tabelle ein.

Verwenden Sie für die Messung im Durchlassbereich die Stromfehlerschaltung (Schaltung a).
UF [V]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
IF [mA]
Durchlassrichtung

Verwenden Sie für die Messung im Sperrbereich die Spannungsfehlerschaltung (Schaltung b).
UR [V]
0,0
2,5
5
7,5
10
15
20
25
IF [nA]
Sperrrichtung
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Name: __________________________________ Datum: ____________
9
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
b) Konstruktion der Diodenkennlinie
Übertragen Sie die Werte aus beiden Messungen in das Diagramm.
IF [mA]
45
40
35
30
25
20
15
10
5
30
20
10
0
20
40
UR [V]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
UF [V]
60
IR [nA]
80
Diodenkennlinie
c)
Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung.
d) Wie bezeichnet man die Spannung, bei der die Diode leitend wird?
e) Bestimmen Sie die Schleusenspannung der Diode mithilfe einer Tangente an der Diodenkennlinie. Um
welches Halbleitermaterial handelt es sich?
(Schleusenspannungen: Ge-Diode: 0,3 V, Si-Diode: 0,7 V)
10
Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
4. Arbeitspunktbestimmung
Information
Um den Arbeitspunkt einer Diode zu bestimmen können, wird üblicherweise eine zeichnerische
Lösung gewählt.
a) Ermitteln Sie den Arbeitspunkt für folgende Schaltung.
R
RV
UR
UF
U
Reihenschaltung Diode und Widerstand; U = 1,5 V, RV = 0,5 Ω
10
I [A]
8
6
4
2
0
0
0.5
1
1.5
2
U [V]
Kennlinie der Diode 1N4007

Zeichen Sie die Arbeitsgerade des Widerstandes spiegelbildlich in die Kennlinie.
1. Zeichen Sie den Schnittpunkt mit der x-Achse bei U ein.
2. Zeichen Sie den Schnittpunkt mit der y-Achse bei U/RV ein.
3. Verbinden Sie die Punkte

Tragen Sie den Arbeitspunkt ein.
Der Arbeitspunkt ist der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der Diodenkennlinie.
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Name: __________________________________ Datum: ____________
11
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
b) Mit Hilfe des Arbeitspunktes lassen sich die Spannung UF, die Spannung UR und der Strom IF
bestimmen. Tragen Sie die erforderlichen Werte in die Kennlinie ein und lesen Sie die Werte ab.
Durchlassspannung UF =
Spannung UR =
Durchlassstrom IF =
5. Kennwerte und Grenzwerte von Halbleiterdioden
a) Recherchieren Sie, was man unter Kennwerten und Grenzwerten versteht.
Kennwerte
Grenzwerte
b) Bestimmen Sie die Bedeutung der wichtigen Kennwerte.
Durchlassspannung UF
Durchlassstrom IF
12
Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
c)
Bestimmen Sie die Bedeutung der wichtigen Grenzwerte.
Periodische Spitzensperrspannung URRM
Stoßvorwärtsstrom IFSM
Verlustleistung Ptot
d) Ermitteln Sie mit Hilfe des Datenblattes die für die Diode 1N4007 geltenden Grenzwerte und Kennwerte.
Diode
Durchlassspannung UF
Durchlassstrom IF
Periodische Spitzensperrspannung URRM
Stoßvorwärtsstrom IFSM
1N4001
e) Recherchieren Sie, was in dem Datenblatt der Diode „maximum RMS voltage“ bedeutet.
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Name: __________________________________ Datum: ____________
13
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
6. Bestimmen der Diode zur Leistungsreduzierung
Information
Zur Auswahl von Gleichrichterdioden sind vor allem die periodische Spitzensperrspannung URRM
und die Verlustleistung Ptot von Bedeutung. Diese dürfen nicht über den Grenzwerten liegen.
a) Ermitteln Sie mit Hilfe der Datenblätter welche der drei Dioden für diese Schaltung eingesetzt werden
kann. Begründen Sie Ihre Antwort.
3
2
1
0
Ueff = 230 V
f = 50 Hz
R
UF
RV
Schaltplan; Widerstand RV: 680 Ω
Gegeben
Auszug Datenblatt der Dioden BAX18, 1N4148 und 1N4007
Eingangsspannung Ueff = 230 V
Durchlassstrom IFmax = 0,5 A
Gesucht
periodische Spitzensperrspannung URRM
Verlustleistung Ptot
14
Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Rechnung

Überlegen Sie, welche maximale periodische Spitzensperrspannung URRM an der Diode anliegen kann.

Berechnen Sie die maximale Verlustleistung P der Dioden bei 25 °C mit Hilfe der Datenblätter.
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Name: __________________________________ Datum: ____________
15
Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
b) Vergleichen Sie die berechneten Werte mit den Grenzwerten aus dem Datenblatt. Für welche Diode
entscheiden Sie sich. Begründen Sie Ihre Antwort.
Aus dem Datenblättern können folgende Werte entnommen werden:
Diode 1N4007
Diode BAX18
Diode 1N4148
URRM
Ptot
Laut den Berechnungen ergeben sich die folgenden Werte:
Diode 1N4007
Diode BAX18
Diode 1N4148
URRM
Ptot
16
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281
Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Auszug Datenblatt Diode 1N4007
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Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Auszug Datenblatt Diode 1N4148
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Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
Auszug Datenblatt Diode BAX18
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Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung
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