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DIY Personal Fabrication Elektronik Juergen Eckert – Informatik 7.

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Präsentation zum Thema: "DIY Personal Fabrication Elektronik Juergen Eckert – Informatik 7."—  Präsentation transkript:

1 DIY Personal Fabrication Elektronik Juergen Eckert – Informatik 7

2 Ätz- und Löt-Tutorial Übung: Layout mit Eagle (Cadsoft) Slots: 12-14, und 16-18Uhr st!!! Blink(1) Clone – Notification RGB Led – Kostenlos für DIY`ler Foto: wiki.jenkins-ci.org

3 Speiseplan Dioden Transistoren – Konstantstrom Kühlung Mosfets

4 Halbleiter: Silicium (Si) Element der 4. Hauptgruppe (4 Außen-e - ) Si-Kristall keine freien Elektronen (e - ) – Nicht 0 K – Durch Molekularbewegung (Wärme) lösen sich sporadisch e - (Loch positiv geladen) – Heißleiter n-dotiert (freie e -, Fremdatom pos. gel.) – Element aus 5. Hauptgruppe (5e - ) in die Struktur einbringen – z.B. Phosphor, Arsen oder Antimon p-dotiert (pos. gel. Löcher, Fremdatom neg. gel.) – Element aus 3. Hauptgruppe (3e - ) in die Struktur einbringen – z.B. Bor, Indium, Aluminium oder Gallium Foto: Wikipedia

5 Diode Strom in einer Richtung fast ungehindert Anderen Richtung fast isoliert (aktives Bauteile ab jetzt) ++ SperrrichtungDurchlassrichtung Foto: Wikipedia Kathode Anode Kathode „Die Kathode ist NeKathiv“

6 Diode: Aufbau P P N N Raumladungszone (Sperrschicht) P P N N P P N N Diffusion SperrrichtungDurchlassrichtung

7 Diode: Spannung-Strom Verhalten Foto: Wikipedia Wichtige Parameter: Vorwärtsspannung Forward Voltage Drop (max) Durchlassstrom Forward Current Sperrspannung Reverse Voltage

8 Z-Diode Darf dauerhaft in Sperrrichtung im Bereich der Durchbruchspannung betrieben werden Foto: Wikipedia

9 Z-Diode Anwendungen Fotos: Wikipedia Voltage Regulator Voltage Shifter I Siehe Löt-Tutorial: USB Data Pin Spannungsanpassung

10 LED (light-emitting diode) Arbeitspunkt liegt im steilen Bereich der Kennlinie – Konstantstromquelle – Vorwiderstand Foto: Wikipedia Vorwiderstand dimensionieren:

11 Geschichte der Transistoren Vorher: Elektronenröhre – Groß, schwer, hoher Energiebedarf,... Erster Transistor: Bell Telephone Labs 1947 – Entwickler: Shockley, Bardeen und Brattain – Motivation: „Probleme der Röhren beseitigen“ – Erstes Patent bereits 1928 bei Lillenfield „Transistor“ = „transfer resistor“ Aktuelle CPUs haben > 1 Mrd Transistoren Foto: Wikipedia

12 Bipolartransistor (BJT) Stromschalter Basis (B) Kollektor (C) Emitter (E) N N N N P P B C E C E B Wichtige Parameter: Verstärkung (h fe, β) Spannungsabfall U BE (=U FB ) Spannungsabfall U CE(SAT) Hier NPN, PNP analog für neg. Spannungen

13 BJT Operationsmodi Sperrbereich (cut-off): U BE < U FB, I B = 0 – Wie ein Schalter (ausgeschalten) Aktive lineare Region: U BE = U FB, I c = βI B – Wie ein Stromverstärker Sättigung: U BE = U FB, I c,max / β < I B – Wie ein Schalter (eingeschalten)

14 Emitter- schaltung LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA

15 Emitter- schaltung LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA 0.7V3.3V 2.6V

16 Emitter- schaltung LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA 0.7V3.3V 2.6V 0.6V 2.8V v

17 Emitter- schaltung LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA 0.7V3.3V 2.6V 0.6V 2.8V v NEVER EVER: h FE *I B benutzen um I C zu regeln

18 Emitter- schaltung LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA 0.7V3.3V 2.6V 0.6V 2.8V 1.6V R 1 = 390 Ohm R 2 = 15 Ohm

19 Konstant- strom LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA

20 Konstant- strom LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA 0.7V 3.3V ≤1.4V 270 Ohm

21 Konstant- strom LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA 0.7V 3.3V ≤1.4V 270 Ohm 2.8V R 2 = 7 Ohm V cc = ??

22 Konstant- strom LED – 100mA – 2.8V BC548 – h FE > 125 – V BE = 0.7V – V CE = 0.6V – I B = 5mA 0.7V 3.3V ≤1.4V 270 Ohm ≥0.6V 2.8V R 2 = 7 Ohm V cc ∈ (4.1; ??)

23 Festspannung Dimensionierun g von R 1 abhängig vom Spannungs- bereich V cc U BE UZUZ U OUT

24 Darlington- Schaltung β ≈ β 1 β 2

25 Abwärme Jedes Bauteil produziert Wärme Daumenregel: Je heißer ein Bauteil, desto kürzer ist seine Lebenszeit Leistung P[W] = U I rctech.net Magic Smoke / Blue Smoke Bsp. LED: Einfache Emitterschaltung 1.6V * 0.1A = 0.16mW (Widerstand) → 0.25W Widerstand (gerade so) Konstantstromschaltung: max V cc ? P = (V cc – 3.5V) * 0.1A (Transistor) P D = 625mW (Datenblatt BC548) → V CC,max = °C (kurz vor Magic Smoke)

26 Kühlungsdesign Welche Temperatur ist zu erwarten? Reicht die Kühlung aus? Foto: Wikipedia Berechnungsgrundlagen bereits bekannt

27 Kühlung: Junction to Ambient Foto: Datenblatt Hitze (W) TJTJ Umgebungs- temperatur R θJA = 200°C/W Leistung[W] ≙ Strom Thermischer Widerstand [°C/W] ≙ Widerstand Temperatur [°C] ≙ Spannung TATA T J = T A + R θJA P T J = 25°C + 200°C/W * 0.625W = 150°C Aus Ohm'sches Gesetz: KRITISCHER WERT Anmerkung: Stationärer Zustand, sonst müssen Kapazitäten berücksichtigt werden Datenblatt

28 Kühlung: Kühlrippe Junction to Case Foto: Datenblatt Hitze (W) TJTJ Umgebungs- temperatur R θJC = 83°C/W TATA T J = T A + R θJC P + R θCH P + R θHA P T J = 25°C + (83°C/W + 53°C/W) * 0.625W = 110°C Aus Ohm'sches Gesetz: KRITISCHER WERT [R θCH = NA] R θHA = 53°C/W THTH Daumenregel: Punkterhitzung des Kühl- körpers mit Faktor 1.33 kompensieren 58°C NAJA

29 Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor (Mosfet) Spannungsschalter Schneller als BTJ Mehr Strom ESD empfindlich – Schutzdiode Selbstsperrend: Aus wenn U GS = 0V Selbstleitend: An wenn U GS = 0V (selten) n-Kanal und p-Kanal Foto: Wikipedia, n-Kanal Mosfet

30 Mosfet Operationsmodi Sperrbereich (cut-off): U GS < U th – I DS = 0 – Wie ein Schalter (ausgeschalten) Lineare Region: U GS > U th und U DS < U GS - U th – Variabler Widerstand kontrolliert durch U GS Sättigung: U GS > U th und U DS > U GS – U th – Konstantstrom

31 Mosfet Verhalten Foto: Wikipedia Linearer Bereich schwierig, besser: Operartionsverstärker „Strom limitierendes Bauteil“ im Gesättigten Bereich Als Schalter überdimensionieren!

32 Funktion + Wichtige Parameter U th Schwellenspannung R DS Innenwiderstand – Wichtig für Hitzeentwicklung – P = R DS I D 2 (voll an) Tipp: Gate nicht floaten lassen (z.B. Pull-Down Widerstand) Foto: Wikipedia

33 P-Kanal Schalten uC Pin: 0 oder 3.3V Load immer an P-Kanal P= 3.3V: U GS = -8.7V < U th P= 0V: U GS = -12V < U th 3.3V-12V

34 P-Kanal Schalten uC Pin: 0 oder 3.3V R 2 bestimmt Schaltgeschw. (Daumenregel: Q2 an, sollten einige mA fließen) N-Kanal P-Kanal P= 3.3V: U GS = -12V < U th →An P= 0V: U GS = -0V > U th →Aus

35 Nächstes mal bei DIY Operationsverstärker Spannungsanpassung Batterien Schaltungsentwurf


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