Elektrische BAUELEMENTE
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Elektrische BAUELEMENTE Best Of Elektronik www.kurcz.at © Florian Kurcz Inhaltsverzeichnis Elektrische BAUELEMENTE Florian Kurcz 1 Widerstände ...................................................................................................... 1 1.1 Einteilung ................................................................................................................................................ 1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 1.4.1 1.4.2 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 Lineare Widerstände ............................................................................................................... 1 Nichtlineare Widerstände ....................................................................................................... 1 Auswahlgruppen von Festwiderständen ................................................................................. 2 Normreihen ............................................................................................................................................ 2 Farbcode .................................................................................................................................................. 3 Vierfachberingung ................................................................................................................... 3 Fünfachberingung.................................................................................................................... 4 Belastbarkeit von Widerständen ................................................................................................... 4 Nennbelastbarkeit ................................................................................................................... 5 Impulsbelastbarkeit ................................................................................................................. 5 Bauarten von Festwiderständen .................................................................................................... 5 Schichtwiderstände ................................................................................................................. 5 Drahtwiderstände.................................................................................................................... 7 Widerstände in der Mikromodultechnik ................................................................................. 8 Einstellbare Widerstände ................................................................................................................. 9 Allgemein ................................................................................................................................. 9 Einstellbare Schichtwiderstände ........................................................................................... 10 Einstellbare Drahtwiderstände.............................................................................................. 10 2 Kondensator ................................................................................................... 11 2.1 Grundbegriffe...................................................................................................................................... 11 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 Definition ............................................................................................................................... 11 Kenndaten ............................................................................................................................. 11 Bauformen ........................................................................................................................................... 11 Keramikkondensator ............................................................................................................. 11 Wickel- Schicht- oder Kunststoffkondensatoren................................................................... 12 Elektrolytkondensatoren ....................................................................................................... 12 Anwendungen ..................................................................................................................................... 12 Stützkondensator .................................................................................................................. 12 Filteranwendung ................................................................................................................... 13 3 Spulen ............................................................................................................... 15 3.1 Grundbegriffe...................................................................................................................................... 15 3.1.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 Verhalten einer Spule ............................................................................................................ 15 Bauformen ........................................................................................................................................... 15 Kerne aus Eisenblech ............................................................................................................. 15 Hochfrequenzeisenkerne ...................................................................................................... 15 Ferritkerne ............................................................................................................................. 15 Anwendungen ..................................................................................................................................... 15 Tiefpass .................................................................................................................................. 15 Hochpass ............................................................................................................................... 16 Spule einschalten................................................................................................................... 16 [2] Inhaltsverzeichnis Elektrische BAUELEMENTE Florian Kurcz 3.3.4 Spule ausschalten .................................................................................................................. 16 4 Dioden............................................................................................................... 17 4.1 Grundlagen .......................................................................................................................................... 17 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 Grundbegriffe ........................................................................................................................ 17 PN Übergang.......................................................................................................................... 20 Gleichricht- und Schaltdioden ...................................................................................................... 23 Kennlinie ................................................................................................................................ 23 Grenzdaten ............................................................................................................................ 25 Statische Kenndaten.............................................................................................................. 25 Dynamische Kenndaten ......................................................................................................... 25 Anwendungen von Gleichrichter........................................................................................... 27 Dioden Bezeichnungsschema ................................................................................................ 32 Zenerdiode ........................................................................................................................................... 32 Kennlinien .............................................................................................................................. 33 Kenngrößen ........................................................................................................................... 33 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden .................................................................................. 34 Spezielle Halbleiterdioden ............................................................................................................. 36 Kapazitätsdioden ................................................................................................................... 36 Schottkydioden...................................................................................................................... 37 5 Transistor ........................................................................................................ 38 5.1 Bipolar Transistor ............................................................................................................................. 38 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 Aufbau und Wirkungsweise................................................................................................... 38 Kennlinien .............................................................................................................................. 39 Kenngrößen ........................................................................................................................... 41 Gleichstromverhalten, Arbeitspunkteinstellung ................................................................... 43 Kleinsignalverhalten .............................................................................................................. 45 Schaltverhalten...................................................................................................................... 51 Feldeffekttransistoren ..................................................................................................................... 54 J-FET ....................................................................................................................................... 54 Selbstleitender MOS-FET ....................................................................................................... 55 Selbstsperrender MOS – FET ................................................................................................. 56 Kenngrößen ........................................................................................................................... 57 Kleinsignalverhalten .............................................................................................................. 58 Verstärkeranwendungen von FET ......................................................................................... 59 HF- und Schaltverhalten ........................................................................................................ 60 6 Leistungselektronik ..................................................................................... 61 6.1 6.2 6.3 6.4 Thyristor ............................................................................................................................................... 61 DIAC ........................................................................................................................................................ 63 TRIAC ..................................................................................................................................................... 64 Leistungs-MOSFET............................................................................................................................ 67 [3] Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Einteilung Florian Kurcz 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 www.kurcz.at | 1 Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Normreihen Florian Kurcz 1.1.2.3 Kaltleiter – PTC PTC … positive temperature coefficient Steigt die Temperatur, so steigt der Widerstand R[ ] . . . Anfangstemperatur N . . . Nenntemperatur E . . . Endtemperatur RA . . . Widerstand bei A RN . . . Nennwiderstand RE . . . Widerstand bei E A 106 RE 105 104 103 102 RA RN [°c] 20 40 60 A 1.1.3 80 100 120 140 N E 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 E12.....12 Normreihen / Dekade => Stufensprung E24.....24 Normreihen / Dekade => Stufensprung 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 = 1,47 = 1,21 = 1,10 3,9 20% 10% 5% 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. www.kurcz.at | 2 Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Farbcode Florian Kurcz 6,8 5,44 4,7 3,3 2,2 1,5 1 1,2 1,76 3,76 2,64 8,16 5,64 3,96 2,64 1,8 0,8 1,2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R 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). Farbe Wert Multiplikator Toleranz Farblos Silber 10-2 Ω ± 20% ± 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 Blau 6 106 Ω Violett 7 107 Ω Grau 8 108 Ω Weiß 9 109 Ω 1.3.1 ± 0,5% Vierfachberingung www.kurcz.at | 3 Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Belastbarkeit von Widerständen Florian Kurcz Bsp.: 1.3.2 Braun Schwarz Rot Silber => 1000 10% = E12 470k 5% => gelb violett gelb Gold 15k 10% => braun grün orange Silber 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 Umgebungstemperatur (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. P[W] 0,5 0,4 hier gilt die Formel 0,3 0,2 0,1 max =125°C 20 40 60 80 100 120 140 U 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? www.kurcz.at | 4 Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Bauarten von Festwiderständen Florian Kurcz 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] Bsp.: P [W] P [W] t [s] t [s] t [s] 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 Anschlüsse Widerstandsmaterial Wendelschliff Metallkappen www.kurcz.at | 5 Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Bauarten von Festwiderständen Florian Kurcz Bei diesem Schliff entsteht eine Bahnförmige um den Träger laufende Widerstandsbahn, welche die Induktivität erhöht, daher nur bis 200kHz einsetzbar. b. Mäanderschliff abgewickelte Widerstandsbahn: Anschlüsse Widerstandsmaterial Mäandaschliff Metallkappen 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. 4RM Platine www.kurcz.at | 6 Elektrische BAUELEMENTE Florian Kurcz WiderständeWiderstände Bauarten von Festwiderständen 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 www.kurcz.at | 7 Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Bauarten von Festwiderständen Florian Kurcz 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 Keramikkörper Widerstandspaste 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. www.kurcz.at | 8 Elektrische BAUELEMENTE WiderständeWiderstände Einstellbare Widerstände Florian Kurcz 1.6 Einstellbare Widerstände 1.6.1 Allgemein Trimmpotentiometer (Trimmer) Potentiometer 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. Schleifer Gewinde R-Schicht Schleifer Drehpotentiometer Schiebepotentiometer Spindelpotentiometer 1.6.1.1 Eigenschaften Jeder einstellbare Widerstand hat einen kleinsten und einen größten Wert (=Nennwert). Dazwischen sind sehr verschiedene Widerstandsverläufe möglich. R RNenn neg. log linear pos. log 100% Einstellbereich Drehwinkel 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. www.kurcz.at | 9 Elektrische BAUELEMENTE 1.6.2 WiderständeWiderstände Einstellbare Widerstände Florian Kurcz 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 www.kurcz.at | 10 Elektrische BAUELEMENTE Kondensator Grundbegriffe Florian Kurcz 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: d A ……. ……. A …….. d ……… Dielektrizitätskonstante Dielektrizitätszahl Fläche 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 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. www.kurcz.at | 11 r Elektrische BAUELEMENTE KondensatorKondensator Anwendungen Florian Kurcz 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 R1 Vcc C1 IC1 Vcc C1 IC www.kurcz.at | 12 Elektrische BAUELEMENTE KondensatorKondensator Anwendungen Florian Kurcz 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: Ges: 2.3.2 UB=5V, RL=0,5Ω Stromaufnahme 700A für eine Dauer von 50ns. Spannungseinbruch ΔU, ΔU mit C=2,2µF Filteranwendung Kondensatoren haben einen frequenzabhängigen Widerstand. Man kann damit Filterschaltungen realisieren, die verschiedene Frequenzen verschieden gut durchlassen. 2.3.2.1 Tiefpass R1 uE uA C1 2.3.2.2 Hochpass C1 u1 u2 R1 2.3.2.3 Kondensator aufladen t=0 UB R C UC Zum Zeitpunkt t=0 wird der Schalter geschlossen …… Zeitkonstante www.kurcz.at | 13 Elektrische BAUELEMENTE KondensatorKondensator Anwendungen Florian Kurcz U 100% 67% 33% t, 0% 0 1 2 3 4 5 6 Bsp: Wie lange dauert es bis der Kondensator bis zur Hälfte seiner ursprünglichen Spannung entladen ist. 2.3.2.4 Kondensator entladen t=0 C R UC UR Der Kondensator ist auf UB aufgeladen. Der Schalter S wird zum Zeitpunkt t=0 geschlossen …… Zeitkonstante U 100% 67% 33% t, 0% 0 1 2 3 4 5 6 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. www.kurcz.at | 14 Elektrische BAUELEMENTE Spulen Grundbegriffe Florian Kurcz 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 i(t) L UL(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 L uE R uA www.kurcz.at | 15 Elektrische BAUELEMENTE Anwendungen Florian Kurcz 3.3.2 Hochpass R uE uA L 3.3.3 Spule einschalten …… Zeitkonstante I 100% 67% 33% t, 0% 0 3.3.4 1 2 3 4 5 6 Spule ausschalten Beim Abschalten einer stromdurchflossenen Spule entsteht eine sehr große Selbstinduktionsspannung, die einem Überschlag am Schalter bewirken kann. i I0 t Die Spannung ist nicht durch die Versorgungsspannung begrenzt. …… Zeitkonstante I 100% 67% 33% t, 0% 0 1 2 3 4 5 6 www.kurcz.at | 16 Elektrische BAUELEMENTE Dioden Grundlagen Florian Kurcz 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. x 0 Leitungsband Valenzband 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. konstante Beschleunigung bei konstanter Kraft. Q F=Q . E 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. www.kurcz.at | 17 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Grundlagen Florian Kurcz 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 W> 3eV Valenzband 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 W< 3eV Valenzband 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! www.kurcz.at | 18 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Grundlagen Florian Kurcz - 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 W [eV] L WD V WD ~ 22meV Silizium Arsen 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 W [eV] L WA V WA ~20meV Silizium Indium Neues Energieniveau knapp über den Valenzakzeptor. P-Leitung erreicht man durch Dotierung mit dreiwertigen Stoffen, Akzeptoren (Empfänger). www.kurcz.at | 19 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Grundlagen Florian Kurcz 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 + + + + + + + + N dP dN E dN.......Breite der Raumladungszone im N Bereich dP.......Breite der Raumladungszone im P Bereich d = dN + dP - - - - - - - - - ND, n ND, n x NA, p NA, p x ND.......Donatorendichte NA.......Akzeptorendichte n...........Elektronendichte (freie Elektronen) p...........Löcherdichte ........Raumladungsdichte E x E......Elektrisches Feld E x ......Elektrisches Potential 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. www.kurcz.at | 20 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Grundlagen Florian Kurcz 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 E UR d0 P + N - + d Kontaktierungen E x x x 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. www.kurcz.at | 21 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Grundlagen Florian Kurcz 4.1.2.3 Polung in Durchlassrichtung UF d0 + P + + + + Diffusionszone d d0 N Kontaktierungen 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. ND>>NA N+ P 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). www.kurcz.at | 22 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz 4.2 Gleichricht- und Schaltdioden 4.2.1 Kennlinie IF [mA] Si Ge Imax 10 UR [V] UF [V] Us(Ge), US(Si) US(Ge) = 0,3-0,4V US(Si) = 0,6-0,7V IR [µA] 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 I D RB RB DEXP D DEXP => U 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 www.kurcz.at | 23 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz 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….. IR0…. C1….. Sperrstrom bei der Temperatur T Sperrstrom bei der Bezugstemperatur T0 Konstante Bsp.: Aus der Durchlassrichtung im Datenblatt ist der Bahnwiderstand abzuschätzen: U I U I 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 I T>T0 T=T0 I Bei konstantem Strom sinkt die Spannung bei steigender Temperatur Bei konstanter Spannung steigt der Strom bei steigender Temperatur I1 I2 U U1 U2 U www.kurcz.at | 24 Elektrische BAUELEMENTE Florian Kurcz 4.2.2 DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden 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: www.kurcz.at | 25 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz Spannungsabhängigkeit K...... UD.... UR.... Konstante Diffusionsspannung (0,7V bei Si) 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 Rv i(t) u(t) tRR ……Reverse Recovery Time = Rückwärtserholzeit u(t) i(t) t 10%.IRmax IRmax tRR 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 www.kurcz.at | 26 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz 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) i(t) U1(t) U 0,7 U2(t) u1(t) u2(t) t I i(t) t UD t …max. Diodenstrom …Gleichspannungsanteil …Gleichsstromsanteil www.kurcz.at | 27 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz 4.2.5.2 Einweggleichrichter mit Glättkondensator UD(t) i(t) U1(t) RL C U2(t) U1(t) U U1(t) U2(t) URL(t) t i iD(t) iL(t) t Fläche1 Die abfließende Ladung (Q = i.t) Fläche2 die zufließende Ladung UD 0,7V t RL< RL= 2.U 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 UBRSS TE t BB…. Brumm SS….. Spitze Spitze Berechnung der Brummspannung www.kurcz.at | 28 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz IDmax….Max. Diodenstrom UDmax ….Max. Diodenspannung …Gleichspannungsanteil …Gleichstromanteil 4.2.5.3 Zweiweggleichrichter mit Mittelpunktschaltung i(t) U1(t) U1(t) RL C U2(t) U1(t) t U2(t) U2(t) Glättung U2(t) t i iD1(t) iD2(t) iL(t) t Fläche1 Fläche2 Fläche3 Alle Flächen sind gleich groß 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 www.kurcz.at | 29 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz UDmax ….Max. Diodenspannung …Gleichspannungsanteil …Gleichstromanteil 4.2.5.4 Zweiweggleichrichter mit Brückenschaltung D1 D2 iL(t) C U1(t) RL U2(t) D4 D3 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) D U1(t) i(t) Ri U2(t) UA Û1 – UA – Î . Ri - 0,7V = 0 www.kurcz.at | 30 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Gleichricht- und Schaltdioden Florian Kurcz U u1(t) uA t I t 4.2.5.6 Spannungsverdoppler (Delon-Schaltung) i(t) D1 U1(t) + C1 U2(t) D2 U + C2 U2(t) für RL= 2.U t Eigenschaften 4.2.5.7 Spannungsvervielfacher (Villard-Schaltung) C1 D2 + U1 U D1 C2 + U2 R U2(t) für RL= 2.U U1(t) t www.kurcz.at | 31 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Zenerdiode Florian Kurcz 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: www.kurcz.at | 32 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Zenerdiode Florian Kurcz 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. I UZN UR[V] I2min ~~ IZN 0,7 UF[V] Ptot IZmax IZ[mA] 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 ….…. Z …..… X …….. C …….. 4V7 …. b. Dynamischer Widerstand Silizium Z-Diode Industrietyp ±5% (E24) 4,7 Volt Im 10Ω Bereich Differenzieller Widerstand der Z-Diode. Im Arbeitsbereich sollte er möglichst klein sein. www.kurcz.at | 33 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Zenerdiode Florian Kurcz 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 Rv UE(t) URV(t) iL(t) iZ(t) D UL RL 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 www.kurcz.at | 34 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Zenerdiode Florian Kurcz 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 UE D UA Im Arbeitsbereich verhält sich die Z-Diode wie eine reale Spannungsquelle Ersatzschaltung www.kurcz.at | 35 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Spezielle Halbleiterdioden Florian Kurcz R IZ RZ UA UE UZmin UZ0 UR[V] IZmin IZ[mA] 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: www.kurcz.at | 36 Elektrische BAUELEMENTE DiodenDioden Spezielle Halbleiterdioden Florian Kurcz 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 NHalbleiter 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 www.kurcz.at | 37 Elektrische BAUELEMENTE Transistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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 C C C N B P B B N C P N B P E E E E E……Emitter (Ladungsträger Sender) C……Kollektor (Ladungsträger Sammler) B……Basis (Steueranschluss) 5.1.1.2 Schaltsymbol NPN Transistor PNP Transistor C C B B E E Der Pfeil zeigt jeweils die Durchlassrichtung des PN Übergangs an. 5.1.1.3 Funktion C C IC B IB UCE UBE 5V 0,7V E E 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. www.kurcz.at | 38 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz Die Ursachen sind 2 Besonderheiten im Aufbau: - Basis ist sehr dünn (Größenordnung GO: 10µm) - Der Emitter ist deutlich höher dotiert, als die Basis. C RLZ Raumladungszone N B P UBE N+ w<< ~0,7V E 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] Sättigungsbereich aktiver Bereich PTOT IB4 > IB3 IB3 > IB2 IB2 > IB1 Grenze zwischen Hoch und Niederohmigen Bereich IB1 UCE [V] 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). www.kurcz.at | 39 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 5.1.2.2 Basis Emitter Kennlinie IB [µA] UCE1 UCE2>UCE1 UBE [V] Hier verhält sich der Transistor wie eine Diode. UCE hat einen leichten Einfluss auf diese Kennlinie. 5.1.2.3 Stromsteuerkennlinie IC [mA] UCE2>UCE1 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. IC B C IB UCE IC < 0 B UEB IB < 0 UCE < 0 UBE < 0 UBE C C => B IB UEC IC E E NPN PNP E PNP I ideale Spannungsquelle reale Spannungsquelle ideale Stromquelle reale Stromquelle U www.kurcz.at | 40 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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 h12e h21e h22e Widerstand ziemlich klein 10-4 dimensionslos, differenzielle Stromverstärkung Leitwert in µS zwischen CE - Differenzielle Kenngrößen C rBE B E Stark Arbeitspunkt abhängig, wegen nicht linearer Kennlinie. GO 1-10kΩ Näherungsformel UT…. Temperaturspannung KB…. Boltzmannkonstante IB….. Basisstrom www.kurcz.at | 41 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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 i1 i2 U1 U2 U1 Emitterschaltung i1 i2 i2 U2 U1 Basisschaltung U2 Kollektorschaltung Hybridgleichungen für Vierpol u1 = h11 . i1 + h12 . u2 i2 = h21 . i1 + h22 . u2 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. www.kurcz.at | 42 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz fT ist die Frequenz, bei der gleich 1 wird. | | log 1000 100 10 1 100 10 1000 fT f log 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 RC RB IC +UB IB +UB UCE UBE Nachteil der Schaltung Der eingestellte Arbeitspunkt ist stark Temperaturabhängig. Grund: IB ist annähernd konstant www.kurcz.at | 43 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz Da IB konstant ist, hängt IC genauso stark von der Temperatur ab, wie B. 5.1.4.2 AP Stabilisierung durch Gegenkopplung Parallelkopplung RC +UB RB IC IB +UB UCE UBE 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 +UB RC IC IB IR1 UCE +UB UBE R1 RE 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. www.kurcz.at | 44 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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. C C B rBE => B iB . iB rCE ~ h11 E 1 h22 E 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. +UB RC R1 RE CKA CKE RG U1 ~ R2 CE U2 RL 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 rE U ~ i1 U1 R2 B iB R1 rBE - .iB C ~ rCE i2 RC U2 RL E Spannung: kurzschließen Strom: Leerlauf www.kurcz.at | 45 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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 raus U2 U20 ~ raus U20 ~ U2 RL Bsp.: RE = 1,5kΩ, RC = 2,2kΩ, R1 = 120kΩ, = 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 R2 = 180kΩ 2. Fall: rein = 7602,48Ω RC´ = 2049,69Ω vu =-60 raus = rCE//RC = 2049,69Ω Interpretation der Ergebnisse rein: möglichst hochohmig (hier mittelmäßig) OPV www.kurcz.at | 46 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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. 2,05k U1 U0 U2 10k 5.1.5.2 HF Ersatzschaltbild B C IB rB´B CB´C B´ I Bi => B UBE C 0.I Bi CB´E rB´E ~ rCE UCE E E E Bei Frequenzen deutlich größer (>>) 100kHz müssen auch die Kapazitäten berücksichtigt werden. rB`B………. Basisbahnwiderstand GO 100Ω (relativ hoch) rB`E………. rBE = rB`B+rB`E CB`E……… 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 B UBE E C IB I Bi rB´E 0.I B CB´E CB´C ~ rCE UCE E CB`C kann vernachlässigt werden, da deutlich kleiner (nur bei Kurzschluss) www.kurcz.at | 47 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz ……..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 40dB -20dB pro Dekade 20dB 20dB fG 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M f log Berechnung der Transitfrequenz 5.1.5.3 Einfluss der Koppelkondensatoren auf das Frequenzverhalten a. Eingangsgrenzfrequenz fGE RG ~ U0 CKE U1 rein Verstärkerstufe www.kurcz.at | 48 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz Durch die Koppelkondensatoren entsteht eine Hochpassfilter Wirkung U1 U0 RG kleiner 3dB RG größer f log fGE 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 raus ~ CKA U2 U20 RL Gesamtdämpfung bei 20Hz 3dB 6dB CKE, CKA Gesamtfrequnez -40dB/Dekade -20dB/Dekade fGE www.kurcz.at | 49 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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 => R UReff ~~~ ~~~ ……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. RG UG ~ U´Reff ~~~ Transistorstufe rein 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 www.kurcz.at | 50 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 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 +UB IC RC APL IC RG RB IB UCE UE RC Arbeitsgerade APs UB 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: www.kurcz.at | 51 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz Bsp.: BC107B soll eine LED ein und ausschalten. U=12V, UEin = 0/5V, ILed = 20mA, ULED = 2V, Ges. Schaltung, Dimensionierung. ILED RV RG IB RB URv 12V UCE 5 / 0V 5.1.6.2 Dynamisches Schaltverhalten uE(t) t iC(t) Ic 0,9.Ic 0,1.Ic tD tF tR t tS 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). www.kurcz.at | 52 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Bipolar Transistor Florian Kurcz 5.1.6.3 Schaltverlustleistung während des Umschaltens Die Verlustleistung während des Umschaltens hängt von der Art der Last ab. a. Ohmsche Last IC APL i(t) RL Lastwiderstand AP wandert auf der RL Gerade RL Arbeitsgerade APs UB uCE(t) UCE Verlustleistung während des Umschaltens ist höher, als im ein-, ausgeschalteten Zustand. b. Kapazitive Last +UB IC C R APL => i(t) UCE APs 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 IC R L APL +UB APs UB UCE www.kurcz.at | 53 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Feldeffekttransistoren Florian Kurcz 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: IC R APL 0,7 L +UB => APs UB 5.2 Feldeffekttransistoren 5.2.1 J-FET UCE 0,7V 5.2.1.1 Schaltsymbole D G D G S N-Kanal J-FET S P-Kanal J-FET Pfeil bedeutet PN Übergang. Pfeilrichtung gibt die Durchlassrichtung an 5.2.1.2 Aufbau D N RLZ P+ G UDS>0 UGS<0 S S D……. Drain Abfluss (=Kollektor) S…….. Source Quelle (=Emitter) G….... Gate Tor (=Basis) www.kurcz.at | 54 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Feldeffekttransistoren Florian Kurcz 5.2.1.3 Kennlinie ID [mA] ohmscher bereich Abschür Bereich UGS=0 UGS1<0 Ausgangskennfeld UGS2<UGS1 Grenze zwischen Hoch und Niederohmigen Bereich UGS3<UGS2 UDS [V] UGS 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 SiO2Schicht isoliert ist. Der Gate-Strom ist daher deutlich kleiner als bei J-FET. G - S N+ + N+ P D SiO2 (Isolierschicht) Ladungsträger arme Zone B www.kurcz.at | 55 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Feldeffekttransistoren Florian Kurcz 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. 5.2.2.1 Schaltsymbole D D B (BULK) B (BULK) G G S S 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 G + S + ----N+ N+ P D SiO2 (Isolierschicht) Elektronen B 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. 5.2.3.1 Schaltsymbole D D B (BULK) G B (BULK) G S N - Kanal Unterschied: Der Kanal ist mit einem --- gekennzeichnet S P - Kanal www.kurcz.at | 56 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Feldeffekttransistoren Florian Kurcz 5.2.3.2 Kennlinie ID Wie bei J-FET |UGS| UDS [V] UGST 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. I1 = y11 . U1 + y21 . U2 I2 = y21 . U1 + y22 . U2 u2 = 0, Kurzschlusseingangsleitwert u1 = 0, Kurzschlussrückwärtssteilheit u2 = 0, Kurzschlussvorwärtssteilheit u1 = 0, Kurzschlussausgangsleitwert www.kurcz.at | 57 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Feldeffekttransistoren Florian Kurcz 5.2.5 Kleinsignalverhalten 5.2.5.1 NF Ersatzschaltbild D => G rGS 1 y11 S y11S = s.UGS G ~ D rDS 1 y22 s…Vorwärtssteilheit = |y21| . UGS S 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 CGD G D s . UGS => UGS rGS CGS ~ rDS CDS UDS S S GO: C11 ~ 4pF, C12 ~ 1,1pF, C22~1,6pF pf, da sie Sperrschichtkapazitäten sind. www.kurcz.at | 58 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Feldeffekttransistoren Florian Kurcz 5.2.6 Verstärkeranwendungen von FET J-FET in Sourceschaltung RD CKA CKE RG ID IG +UB UGS U1 R1 ~ ~ID RS U2 CA 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: RG ~ i1 U1 R1 G iB rGS -s.UGS D ~ rDS i2 rD U2 RL S 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) www.kurcz.at | 59 Elektrische BAUELEMENTE TransistorTransistor Feldeffekttransistoren Florian Kurcz 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. www.kurcz.at | 60 Elektrische BAUELEMENTE Leistungselektronik Thyristor Florian Kurcz 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. A …... Anode A P N P N K K ...… Kathode G …... Gate G 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 A N-Gate-Thyristor A K Thyristortetrode G1 K A G G K G2 Eingangskennlinie: IG [mA] 30 20 Ptot sicher Zünden 10 wahrscheinlich Zünden sicher nicht Zünden 1 2 3 UGK [V] 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. www.kurcz.at | 61 Elektrische BAUELEMENTE LeistungselektronikLeistungselektronik Thyristor Florian Kurcz Ausgangskennlinie: IT Durchlasskennlinie IG3>IG2>IG1>0 IG3 I G2 I G1 IH UBR IG=0 UB0 UT 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. D ist eine Schutzdiode für negatives UGK U~ Rv D UTh .... 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 www.kurcz.at | 62 Elektrische BAUELEMENTE LeistungselektronikLeistungselektronik DIAC Florian Kurcz 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. Rv UTh D U~ 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: i DurchlassP Sperrkennlinie N 25-20V U P 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: . www.kurcz.at | 63 Elektrische BAUELEMENTE LeistungselektronikLeistungselektronik TRIAC Florian Kurcz 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. L R R C 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 H2 G H1 Aufbau: G A A P N P N N P N P + H2 G = G H2 N P N P P N P N H2 N P N P => N N K K H1 G G H1 H1 H1,2 Hauptelektroden www.kurcz.at | 64 Elektrische BAUELEMENTE LeistungselektronikLeistungselektronik TRIAC Florian Kurcz 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: iT uT 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: LS Si N flink R U~ CS C L 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) www.kurcz.at | 65 Elektrische BAUELEMENTE LeistungselektronikLeistungselektronik TRIAC Florian Kurcz Eine weitere Möglichkeit einen Wechselstromsteller zu realisieren bietet die Schwingungspaketsteuerung. Dabei werden immer nur volle Schwingungen durchgeschaltet, wodurch keine Schaltflanken auftreten. iT t tein Tastverhältnis: taus 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: RL +UB u~ 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 www.kurcz.at | 66 Elektrische BAUELEMENTE LeistungselektronikLeistungselektronik Leistungs-MOSFET Florian Kurcz 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. selbstsperrender MOSFET + S N+ G Siemens Leistungs MOSFET + ----Kanal P N+ N+ G D S SiO2 (Isolierschicht) N+ N+ P P N- Kanal Elektronen SiO2 (Isolierschicht) PN Übergang N+ D D D CGD G S G CGS S 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. www.kurcz.at | 67
