Grundlagen Halbleiter
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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, 2011 Internet: www.festo-didactic.com E-Mail: [email protected] Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen. 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. • © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 Komponente Grafisches Symbol Komponente Triac LED blau Transformatorspule LED rot oder grün Leuchtmelder Wechsler © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 Grafisches Symbol XV Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Halbleiter Aufgabe 1 2 3 4 5 Komponente Widerstand 10 Ω, 2W 1 Widerstand 100 Ω, 2W 1 Widerstand 220 Ω, 2W 1 Widerstand 330 Ω, 2W 1 1 Widerstand 470 Ω, 2W 1 1 Widerstand 680 Ω, 2W 1 Widerstand 1 kΩ, 2W 1 1 1 1 Widerstand 2,2 kΩ, 2W 2 Widerstand 4,7 kΩ, 2W 2 Widerstand 10 kΩ, 2W 1 1 Widerstand 47 kΩ, 2W 2 Widerstand 100 kΩ, 2W 1 Potentiometer 1 kΩ, 0,5 W 1 Potentiometer 10 kΩ, 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 Aufgabe 1 2 3 4 5 Voltmeter 1 1 1 1 2 Amperemeter 1 1 1 2 2 Komponente Oszilloskop 1 Grundlagen-Netzteil © Festo Didactic GmbH & Co. KG 1 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 1 2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. 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. 6 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung Kennzeichnung Benennung Parameter RV Widerstand 1 kΩ, 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. 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. 10 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung Auszug Datenblatt Diode 1N4007 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 17 Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung Auszug Datenblatt Diode 1N4148 18 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 Aufgabe 1: Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung Auszug Datenblatt Diode BAX18 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281 19 Aufgabe 1 – Auswählen von Halbleiterdioden zur Leistungsreduzierung 20 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567281
