Personal Fabrication Elektronik

Präsentation zum Thema: "Personal Fabrication Elektronik"—  Präsentation transkript:

1 Personal Fabrication Elektronik
DIY Personal Fabrication Elektronik `` Juergen Eckert – Informatik 7

2 Ätz- und Löt-Tutorial 26.11. Übung: Layout mit Eagle (Cadsoft)
Slots: , 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
(aktives Bauteile ab jetzt) Foto: Wikipedia Diode Kathode Strom in einer Richtung fast ungehindert Anderen Richtung fast isoliert Anode Anode + + Kathode Durchlassrichtung Sperrrichtung „Die Kathode ist NeKathiv“

6 Diode: Aufbau + - - + Raumladungszone (Sperrschicht) P + - + N - + - +
Diffusion P + + N - - + P + N - - + - - + Durchlassrichtung Sperrrichtung

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

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

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

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

11 Geschichte der Transistoren
Foto: Wikipedia 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

12 Bipolartransistor (BJT)
Stromschalter C Kollektor (C) C N Basis (B) B B P N Emitter (E) E E Wichtige Parameter: Verstärkung (hfe, β) Spannungsabfall UBE (=UFB) Spannungsabfall UCE(SAT) Hier NPN, PNP analog für neg. Spannungen

13 BJT Operationsmodi Sperrbereich (cut-off): UBE < UFB, IB = 0
Wie ein Schalter (ausgeschalten) Aktive lineare Region: UBE = UFB, Ic= βIB Wie ein Stromverstärker Sättigung: UBE = UFB, Ic,max / β < IB Wie ein Schalter (eingeschalten)

14 Emitter-schaltung LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V
VCE = 0.6V IB = 5mA

15 Emitter-schaltung LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V
VCE = 0.6V IB = 5mA 2.6V 3.3V 0.7V

16 Emitter-schaltung LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V
VCE = 0.6V IB = 5mA 2.8V 2.6V 0.6V 3.3V 0.7V

17 Emitter-schaltung NEVER EVER: hFE *IB benutzen um IC zu regeln LED
100mA 2.8V BC548 hFE > 125 VBE = 0.7V VCE = 0.6V IB = 5mA 2.8V 2.6V 0.6V 3.3V 0.7V

18 Emitter-schaltung LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V
VCE = 0.6V IB = 5mA 2.8V 2.6V 0.6V 3.3V 0.7V R1 = 390 Ohm R2 = 15 Ohm

19 Konstant-strom LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V VCE = 0.6V
IB = 5mA

20 Konstant-strom LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V VCE = 0.6V
IB = 5mA 270 Ohm 0.7V 3.3V ≤1.4V 0.7V

21 Konstant-strom LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V VCE = 0.6V
IB = 5mA 270 Ohm 0.7V 3.3V ≤1.4V 0.7V R2 = 7 Ohm Vcc = ??

22 Konstant-strom LED BC548 100mA 2.8V hFE > 125 VBE = 0.7V VCE = 0.6V
IB = 5mA 270 Ohm ≥0.6V 0.7V 3.3V ≤1.4V 0.7V R2 = 7 Ohm Vcc ∈(4.1; ??)

23 Festspannung Dimensionierung von R1 abhängig vom Spannungs-bereich Vcc
UBE UOUT UZ

24 Darlington-Schaltung
β ≈ β1 β2

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

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

27 Kühlung: Junction to Ambient
Hitze (W) Foto: Datenblatt Datenblatt Aus Ohm'sches Gesetz: RθJA = 200°C/W TJ = TA + RθJAP TJ = 25°C + 200°C/W * 0.625W = 150°C TJ Umgebungs- temperatur TA KRITISCHER WERT Leistung[W] ≙ Strom Thermischer Widerstand [°C/W] ≙ Widerstand Temperatur [°C] ≙ Spannung Anmerkung: Stationärer Zustand, sonst müssen Kapazitäten berücksichtigt werden

28 Kühlung: Kühlrippe Junction to Case
Foto: Datenblatt Kühlung: Kühlrippe Junction to Case Hitze (W) Aus Ohm'sches Gesetz: TJ = TA + RθJCP + RθCHP + RθHAP TJ = 25°C + (83°C/W + 53°C/W) * 0.625W = 110°C RθJC = 83°C/W NAJA TJ [RθCH = NA] KRITISCHER WERT RθHA = 53°C/W TH 58°C Umgebungs- temperatur TA Daumenregel: Punkterhitzung des Kühl- körpers mit Faktor 1.33 kompensieren

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

30 Mosfet Operationsmodi
Sperrbereich (cut-off): UGS < Uth IDS = 0 Wie ein Schalter (ausgeschalten) Lineare Region: UGS > Uth und UDS < UGS - Uth Variabler Widerstand kontrolliert durch UGS Sättigung: UGS > Uth und UDS > UGS – Uth Konstantstrom

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

32 Funktion + Wichtige Parameter
Uth Schwellenspannung RDS Innenwiderstand Wichtig für Hitzeentwicklung P = RDS ID2 (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 3.3V-12V
P= 3.3V: UGS = -8.7V < Uth P= 0V: UGS = -12V < Uth P-Kanal

34 P-Kanal Schalten uC Pin: 0 oder 3.3V
R2 bestimmt Schaltgeschw. (Daumenregel: Q2 an, sollten einige mA fließen) P= 3.3V: UGS = -12V < Uth →An P= 0V: UGS = -0V > Uth →Aus P-Kanal N-Kanal

35 Nächstes mal bei DIY Operationsverstärker Spannungsanpassung Batterien
Schaltungsentwurf