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

Ätz- und Löt-Tutorial 26.11. Übung: Layout mit Eagle (Cadsoft) 3.12. 3 Slots: 12-14, 14-16 und 16-18Uhr st!!! Blink(1) Clone Notification RGB Led Kostenlos für DIY`ler Foto: wiki.jenkins-ci.org

Speiseplan Dioden Transistoren Konstantstrom Kühlung Mosfets

Halbleiter: Silicium (Si) Element der 4. Hauptgruppe (4 Außen-e-) Si-Kristall keine freien Elektronen (e-) Nicht leitfähig @ 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

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“

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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 = ??

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; ??)

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

Darlington-Schaltung β ≈ β1 β2

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 = 9.75V @150 °C (kurz vor Magic Smoke) Magic Smoke / Blue Smoke rctech.net

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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