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OSZ – LISE MEITNER SCHULE




 ABSCHLUSS PROTOKOLL
Erstellung einer mit elektronischen Bauteile bestückten
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Fach       : Elektrotechnik                                         Name : Shepherd, Sebastian
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  1. 1. OSZ – LISE MEITNER SCHULE ABSCHLUSS PROTOKOLL Erstellung einer mit elektronischen Bauteile bestückten Leiterplatte Sebastian Shepherd Ein Projekt im Rahmen: Der Ausbildung zum Physikalisch Technischen Assistenten Des Faches Elektrotechnik der 1. & 2. Fachstufe Datum Unterschrift des Fachlehrers Unterschrift des Praktikanten
  2. 2. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Auf den Folgenden Seiten ist die Erstellung und Ausmessung einer Platine, im Rahmen des Praktischen Elektrotechnik Unterrichtes protokolliert. Das Protokoll enthält das Schritt für Schritt Aufbauen und Ausmessen eines Regelbaren Stabilisiertem Netzgerätes. Die Ausgangsspannung wird auf der Platine zur Ansteuerung von Kippstufen und Erklärung von Schaltungen bzw. Verhalten von Bauteilen benutzt. Inhaltsverzeichnis Abschnitt 1:Layout- & Leiterbahnenerstellung 3 Abschnitt 2:Regelbares stabilisiertes Netzgerät o Einweggleichrichter 4 o Brückengleichrichterschaltung 6 o Glättungsglied 7 o Siebglied 9 o Zener-Diode 13 o Transistor als verstellbarer Widerstand 15 o Stabilisierung 17 o Regelung 18 Abschnitt 3:Transistor als Schalter 20 Abschnitt 4:Kippstufen Bistabil 21 o Monostabil 22 o Astabil 23 o 24 Abschnitt 5:Schmitt-Trigger Abschnitt 6:Temperaturempfindliche Bauelemente als Schalter 25 Abschnitt 7:Lichtempfindliche Bauelemente als Schalter 26 Seite 2 von 29
  3. 3. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 1 Layout & Leiterbahnen Herstellung mit Hilfe von Lithographische Verfahren: Zuerst wurde ein Leitungsbahnenlayout mit Hilfe des Programmes SprintLayout, für die eine Maske der Platine erstellt. Durch Lithographische Verfahren wurde die Leiterbahn erstellt:  Photolack auf die mit Kupfer beschichtete Platte auftragen (Photolack ist Lichtempfindlich daher muss in einem Abgedunkelten Raum unter Sonder Licht gearbeitet werden) Fixieren der Maske auf der Kupfer-Photolackschicht   Platte nun mit Ultraviolettem Licht belichten (Belichtungsgerät nur im Ausgeschaltetem Zustand öffnen UV-Licht kann Augenschäden verursachen) Nichtbelichteten Photolack entfernen   Leiterbahnen mit Eisen(III)Chlorid Freiätzen (Verwendung von Handschuhe & Vermeidung von Hautkontakt) Hierbei mussten Sicherheitsmaßnahmen beim benutzten der Säure wie, tragen von Handschuhen, kein direkter Kontakt mit der Haut, etc. beachtet werden! Danach wurden die Löcher zur Bauteilbestückung mit einem Handbohrer durchgebohrt. Die für die Wechselspannung vorgesehenen Bannansteckerbuchsen und eine Sicherungshalterung wurden an ihre vorgesehenen Plätze eingelötet. Damit ist die Platine bereit zur Bestückung. Seite 3 von 29
  4. 4. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Einweggleichrichter: Die Diode ist ein Halbleiterbauelement die Bau-typen 1N4001 & 1N4006 basieren auf die Dotierten Halbleiterkristallen. Bei der Dotierung werden fremd Atome in die Gitterstruktur eingelagert. Durch die Ladungsdifferenz der Dotierten Atome bilden sich zwei Ladungsträgerzonen. Die eine Zone nennt sich P für Positive Ladungen, da sie mit Atome der 4. Hauptgruppe dotiert ist und sich dadurch „Ladungslöcher“ für Elektronen bilden. Die andere Zone nennt sich N für Negative Zone, da sie mit Atome der 5. Hauptgruppe dotiert ist, herrscht ein Elektronen Überschuss. Diese zwei Schichten (Elektronen und im übertragenden Sinne auch die „Elektronenlöcher“), besitzen das bestreben zu Rekombinieren. Dies passiert zum teil an dem Übergang der zwei Schichten zueinander. Durch die Rekombinierung befinden sich in dem Bereich jedoch keine weiteren Ladungsträger mehr um den weiteren Austausch der Ladungen zu ermöglichen. Es bildet sich eine Ladungsträgerneutralen Zone, die Sperrschicht genannt wird. Diese Sperrschicht wird nun durch eine von außen an die Diode angelegte Spannung, vergrößert (in Sperrrichtung geschaltet). Oder so verkleinert das sie bei einer Spezifischen Spannung, durchsteuert und einen Stromfluss erlaubt (in Durchlassrichtung geschaltet). Diese Spannung wird auch als Schwellspannung bezeichnet. Eine Diode ist Wärmeabhängig und verändert ihren Wiederstand bei Abbildung 1 Kennlinienverlauf einer 1N4001 Temperaturschwankungen leicht. Diode Abbildung 2 Schaltbild Einweggleichrichter Die Schaltung einer Diode in einen Wechselstromkreis (Abbildung 2), hat das Blocken einer des Periodisch verlaufenden Eingangssignals zur Folge. Es wird die Halbwelle geblockt die in Sperrrichtung durch die Diode fließt. (Abbildung 3) Seite 4 von 29
  5. 5. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Einweggleichrichter: Messwerte der Schaltung: M1 UDC = 4,8V (Multimeter) UAC = 6,1V (Multimeter) M3 Û = 16,4V (Oszilloskop) M4 f = 50,1 Hz (Oszilloskop) Abbildung 3 M2 gleichgerichteter Spannungsverlauf Formel 1 Welligkeit der Einweggleichrichtung Bei der Messung der Spannung über R1 mit einem Multimeter in Stellung DC (Direct Current eng. =Gleichstrom), wird der arithmetischer Mittelwert der Funktion gebildet. Formel 2 Arithmetischer Mittelwert einer Einwegschlatung Das heißt der gesamte Flächeninhalt einer Periode wird gemittelt und als Spannung gemessen. Nicht der Spitzenwert einer Periode! In Stellung DC sollte man daher nur Gleichspannungen/ -ströme messen. AC (Alternating Current eng. = Wechselstrom) misst den Effektivwert. Formel 3 Effektivwert des Wechselspannungsanteils Seite 5 von 29
  6. 6. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Brücken-/Zweiweggleichrichter: Abbildung 4 Schaltbild Zweiweggleichrichtung Durch die Schaltung der Dioden, nach Abbildung 3 wird eine Gleichrichtung einer Wechselspannung realisiert. Hierbei wird das Sperrverhalten der Dioden in einem Wechselstromkreis ausgenutzt. Bei dem die gesperrten Halbwellen hochgeklappt dem Ausgang also dem Lastwiderstand zur Verfügung gestellt werden. Dabei ergibt sich eine pulsierende Gleichspannung, dessen Frequenz um den Faktor 2 der Eingangswechselspannung erhöht ist. Messwerte der Schaltung: M1 UDC = 9,2V (Multimeter) UAC = 4,8V (Multimeter) M3 Û = 15,6V (Oszilloskop) M4 f = 100 Hz Es ergibt sich eine Welligkeit von: Abbildung 5 M2 Pulsierende gleichgerichtete Spannung Seite 6 von 29
  7. 7. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Glättungsglied: Abbildung 6 Schaltbild Glättungsglied M1 Die parallel Schaltung eines Kondensators vor dem Lastwiderstand verursacht eine Glättung der pulsierenden gleichgerichteten Ausgangsspannung. Beim ansteigenden Stromverlauf einer Periodenwelle lädt sich der Kondensator auf und speichert die Energie. Bis die Periodenwelle abfällt. Dann entlädt der geladene Kondensator sich in Richtung des Lastwiederstandes. Je nach Bauart gibt er seine Energie schnell bzw. langsam wieder ab. Umso Langsammer er die Energie abgibt umso flacher werden die Berge und Täler der pulsierenden Spannung. Eine sehr gute Entladung ist dann erreicht, wenn er seine Energie so abgibt das es durch die Entladung zum Widerstand keinen Spannungsabfall des eigentlichen Spannungsverlaufes gibt. Die Differenz der Spitzenwerte, der Ausgangsspannung, nennt sich Brummspannung USS=UBr. Messwerte der Schaltung: a) UDC = 15,5V (Multimeter) b) UAC = 103mV (Multimeter) c) Û = 15,2V (Oszilloskop) UDC=14,8V (Multimeter) USS=1V (Oszilloskop) f = 100 Hz (Multimeter) AC/DC X Y Abbildung 7 Brummspannungsanteil Einweggleichrichter: k=4,8 Zweiweggleichrichter: k=1,8 Formel 4 Brummspannungsabhängigkeit Seite 7 von 29
  8. 8. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Glättungsglied: M2 Durch das Ablöten des Lastwiderstands, kann sich der Kondensator im Zweiweggleichrichter nicht entladen und bleibt so dauerhaft geladen. Sobald er geladen ist sperrt er den Stromkreislauf. Messwerte der Schaltung: Û0 = 15,4V (Oszilloskop) UDC0=1V (Multimeter) USS0=0V (Oszilloskop) f = 0 Hz (Multimeter) Abbildung 8 Glättungsleerlauf M3 Bei der Schaltung eines Kondensators in einem Einweggleichrichter verhält er sich durch das aufladen in einer Periode und der danach nicht loswerdenden Energie genauso. Er sperrt nach dem Aufladen den Stromkreis Messwerte der Schaltung: Û0 = 15,4V (Oszilloskop) UDC0=1V (Multimeter) USS0=0V (Oszilloskop) f = 0 Hz (Multimeter) Abbildung 9 Einweggleichrichtungs Glättung Seite 8 von 29
  9. 9. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Glättungsglied: M4 Durch das parallel Schalten eines Lastwiderstandes kann er sich wieder Entladen und es entsteht wieder ein Brummspannungsanteil. Messwerte der Schaltung: a) UDC = 15,5V (Multimeter) b) UAC = 0V (Multimeter) c) Û = 15,4V (Oszilloskop) UDC=1V (Multimeter) USS=1,70V (Oszilloskop) f = 50 Hz (Multimeter) Abbildung 10 Glättung mit Belastung Seite 9 von 29
  10. 10. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Siebglied: Abbildung 11 Schaltbild Siebglied Zur Verkleinerung der Brummspannung wird ein Siebglied nachgeschalteten. Das Siebglied besteht aus einem Widerstand RS und einem Kondensator CS. Das Siebglied ist nur für kleine Lastströme geeignet da sich bei steigendem Laststrom der Spannungsabfall über dem Siebwiderstand RS erhöht. Das Siebglied, in diesem Fall auch Tiefpass genannt, lässt nur niedrige Frequenzen passieren da mit steigender Ladung des Kondensators die Spannung über RS Abfällt. Wenn der Strom auf Null fällt, steigt die Spannung an C und damit die Ausgangsspannung auf den Spitzenwert der Wechselspannung. Formel 5 Widerstand eines Siebkondensator Die Ausgangsspannung wird über dem Siebkondensator, mit einem Spannungsteiler abgegriffen. Abbildung 12 Siebglied Spannungsteiler Seite 10 von 29
  11. 11. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Siebglied: M1 Messwerte der Schaltung: a) mit Last UBrSS= 20mV UDC = ___V (Multimeter) b) ohne Last UBrSS= 0V UDC = 0V (Multimeter) AC/DC X Y Abbildung 13 Spannungsverlauf am Siebkondensator M2 Messwerte der Schaltung a) mit Last UBrSS= 0,4V UDC = ___V (Multimeter) b) ohne Last UBrSS= ___V UDC = 0V (Multimeter) AC/DC X Y Abbildung 14 Spannungsverlauf am Ladekondensator Seite 11 von 29
  12. 12. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Siebglied: Der Siebfaktor S ist das Verhältnis der Brummspannung am Eingang zur Brummspannung am Ausgang. Formel 6 Siebfaktor mit Kondensator Es gilt: Je Größer RS und CS, desto größer ist der Siebfaktor und umso kleiner wird die Brummspannung am Ausgang. Formel 7 Spannungsteiler Siebglied mit Kondensator Da gilt Einwegschaltung fBrumm= 50 Hz Zweiwegschaltung fBrumm= 100 Hz Formel 8 Siebgliedfaktor mit Kondensator (Näherungsformel) Seite 12 von 29
  13. 13. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Zener-Diode: Abbildung 15 Schaltbild Zener-Diode Die Zener-Diode, auch Z-Diode genannt, wird in Sperrrichtung betrieben. Die Eigenschaft der Z-Diode besteht darin, dass sie in ihrem Sperrbereich bei einer spezifischen Spannung, der Z-Spannung, durchsteuert und einen steil ansteigenden Stromfluss zulässt. Aus diesem Grund muss aus Bauteilschutz ein Vorwiderstand geschaltet werden. Durch diese Eigenschaft wird die Ausgangsspannung Stabilisierter als mit einem Siebkondensator. Da die Diode unabhängig vom Laststrom und der Eingangsspannung eine Konstante Ausgangsspannung der Z-Spannung entsprechend zur Verfügung stellt. Es ist hierbei ein Vorwiderstand RV nötig, um den Stromfluss zur Z-Diode zu begrenzen und um PTOT zu verhindern. Abbildung 16 Durchbruchspannung von Z-Dioden Seite 13 von 29
  14. 14. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Zener-Diode: M1 Der Wiederstand der Z-Dioden in Durchlassrichtung beträgt RD=50kΩ und in Sperrrichtung RS=∞Ω. M2 UBRSS= 1,1V UDC= 15V mit Last, ohne Last UBRSS= 1,08V UDC= 15V UBRSS= 13,7mV UZ= 5,5V mit Last, ohne Last UBRSS= 8,03mV UDC= 5,5V M1 Messwerte der Schaltung: a) UBrSS(C1)=3,12V b) UBr(C1)=1V AC/DC X Y Abbildung 17 Spannungsverlauf am Ladekondensator M2 Messwerte der Schaltung: a) UBrSS(Z)=40,0mV b) UBr(Z)=0mV AC/DC X Y Formel 9 Siebfaktor mit Z-Diode Abbildung 18 Spannungsverlauf der Z-Diode Seite 14 von 29
  15. 15. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Transistor als verstellbaren Widerstand: Transistoren sind Halbleiter. Sie werden als NPN Typ, weitestgehend aus Silizium und als PNP Typ weitestgehend aus Germanium gefertigt. Beide Transistortypen besitzen die Eigenschaft den Strom von Kollektor zum Emitter erst dann durchzusteuern, wenn an der Basis ein ausreichender Strom bzw. eine Spannung anliegt. Der Name NPN kommt von den Dotierten Schichten, ähnlich denen von Dioden. Durch die Negativ-Positiv-Negativ Dotierten Schichten, bildet sich, jeweils eine Grenzschicht zwischen den Schichten. Daher lässt sich der Aufbau von einem NPN Transistor mit einem Ersatzschaltbild von zwei Dioden verdeutlichen. Diese zeigen von einander Weg. Zwischen ihnen liegt die Basis an. Bei einem PNP Transistor ist die Durchsteuerrichtung und damit das Dioden Ersatzschalbild umgedreht. Zusätzlich besitzen beide Transistortypen eine Stromverstärkung, bezeichnet als Stromverstärkungsfaktor B. Formel 10 Stromverstärkunsfaktor B Formel 11 Transistor Spannungsmache Abbildung 19 NPN Transistor Abbildung 20 NPN Transistor Ersatzschaltbild Seite 15 von 29
  16. 16. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Transistor als verstellbaren Widerstand: Abbildung 21 Schaltbild Transistor als verstellbarer Widerstand Nun wird der Transistor in einer Schaltung verwendet. Die Basis wird mit einem Spannungsteiler angesteuert. Über dem Trimmwiderstand kann nun die Basis mit verschiedenen Spannungen angesteuert werden. Wird die Spannung UB verändert, verändert sich damit auch U, da sich die Spannung UBE bei unterschiedlichen Lastströmen kaum verändert. Aus dem Dioden Ersatzschaltbild des Transistors lässt sich erklären das eine Schwellspannung, wie bei der Dioden Schwellspannung von 0,7V nötig sind um durchzusteuern. In den Messreihen M1, M2 und M3 wird das verhalten des Transistors bei veränderlichen Laststrom aufgezeigt. Nach einstellen von U=8V mit dem Trimmer1 und Messung der Brummspannung UBrSS=1,44V wird die Lampe als Laststrom eingeschraubt. Die Brummspannung ist aufgrund des fehlenden Siebgliedes wieder hoch. Die Ausgangsspannung sinkt auf U=6,3V und die Brummspannung steigt auf UBrSS=2,50V. Danach wird bei eingedrehtem Lämpchen die Spannung auf U=8V nachgeregelt. Die Brummspannung steigt weiter auf UBrSS=2,96V und ist damit ungefähr 2x größer als die Brummspannung ohne Last. Bei höheren Strömen ergibt sich über C1 eine größere Brummspannung da sich der Kondensator schneller entlädt und eine zusätzliche Belastung durch die Spannungsstabilisierung der Z-Diode erfährt. In den Messreihen M4 und M5 wird das ganze bei einem Kapazitiveren Glättungskondensator C1=1000µF durchgeführt. Die Brummspannung verändert sich nun im Millivolt Bereich und das nachregulieren der Lampenspannung ist nur noch mit ∆U=0,5V nötig. Seite 16 von 29
  17. 17. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Stabilisiertes Netzgerät: Abbildung 22 Schaltbild Stabilisiertes Netzgerät Der Spannungsteiler wird nun mit einem Vorwiderstand und einer Z-Diode anstatt des Trimmer realisiert. Dabei übernimmt die Z-Diode die Nachregulierung der Ausgangspannung bei veränderlichen Lastströmen. Da die Basis immer mit konstanten 5,6V angesteuert werden. Der Transistor zieht nun je nach Belastung den benötigten Strom. Die Z-Diode arbeitet mit dem Transistorals Veränderlichen Widerstand zur M1 UA in V UE inV Stabilisierung der Ausgangspannung bei unterschiedlichen Lasten. a) EIN 6,0 0,60 b) AUS 4,5 0,45 Tabelle 1 Stabilisiertes Netzgerät Formel 12 Stabilisiertes Netzgerät Arbeit des Transistor Spannung bei verschiedenen Lasten Wenn C und B den gleichen Strombeziehen und I steigt dann steigt auch IB. Wird dieser größer als dann kann die Z- Spannung nicht mehr aufrechterhalten werden und die Schaltung kann den höhren Ausgangsstrom nicht mehr Stabilisieren. In solch einem Fall wird eine Transistorkaskade eingebaut um die Stromverstärkung zu erhöhen. Die Kaskade kann als gesamten neuen Transistor angesehen werden. Formel 13Kaskaden Stromverstärkung Abbildung 23 Transistor Kaskadenschaltung Seite 17 von 29
  18. 18. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Geregeltes Netzgerät: Abbildung 24 Schaltbild Geregeltes Netzteil Abbildung 22 zeigt eine Schaltung in der die Ausgangsspannung über dem Potentiometer R4 reguliert werden kann. Der Spannungsteiler begrenzt dabei dem Bereich der Ausgangsspannung von +6V bis +12V. Durch die Regelung der Basisspannung an T2 wird der Strom durch R1 und damit der Basisspannung an T3 Reguliert. Steigt die Basisspannung an T2 steigt der Strom über R1 und damit wird die über ihn abfallende Spannung kleiner. Die Spannung an T3 & T1 bzw. dem C2 ebenso. Formel 14 Geregeltes Netzteil Ausgangsspannung Seite 18 von 29
  19. 19. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 2 Regelbares stabilisiertes Netzgerät: Geregeltes Netzgerät: Bei der vorliegenden Schaltung ist eine Regelung der Ausgangsspannung von +6Vbis +12V und ein Maximalstrom von 300mA vorgesehen. Die Ausgangsspannungen können durch die Toleranz der Bauelemente schwanken. Berechnung des Innenwiderstandes Ri U in V UBrSS in mV Ausgang U0 6,7 12,0 Leerlaufspannung Leerlaufspannung I0=0A Ladekondensator C1 14,5 12,0 U=6V U0=6V Z-Diode 5,5 - Ausgang U 6,7 12,0 I=100mA Ladekondensator C1 14,5 12,0 Z-Diode 5,5 - Ausgang U0 12,0 22,8 I0=0A Ladekondensator C1 14,0 200,0 U=12V U0=12V Z-Diode 5,5 - Ausgang U 11,5 60,2 I=100mA Ladekondensator C1 12,5 1,7 Formel 15 Innenwiederstand des Netzgerätes Z-Diode 5,5 - Tabelle 2 Geregeltes Netzgerät Spannungsmessung bei verschiedenen Lasten Das Realisierte Netzgerät besitzt bei UAusgang=6V nahezu keinen Innenwiederstand, sie ist trotz Laststrom stabil. Das gleiche Verhalten zeigt sich bei höherer Ausgangsspannung von UAusgang=12V, der Innenwiederstand steigt auf lediglich 5Ω an. Seite 19 von 29
  20. 20. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 3 Transistor als Schalter: Abbildung 25 Schaltbild Transistor als Schalter Da die Schaltung symmetrisch ist gilt die Ausführung für beide Zweige. Bei geöffnetem Taster wird der Transistor1 über R1 angesteuert. Da die Diodenschwellspannung am Transistor1 UBE=0,7V beträgt muss die Spannung UR1 höchstens 10,3V betragen. Formel 16 Transistorschwellspannung Wenn der Taster betätigt wird, wird der Strom vom der Basis des Transistors „weggezogen“ und zur Masse geleitet. Der Transistor sperrt und die LED geht aus. Seite 20 von 29
  21. 21. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 4 Kippstufe: Bistabile Kippstufe: Abbildung 26 Schaltbild Bistabile Kippstufe Jetzt können die Transistoren nicht mehr Unabhängig voneinander Schalten. Die Schaltung hat 2 Stabile Zustände. Aufgrund der Bauteiltoleranzen wird beim Anlegen der Betriebsspannung eine der beiden Transistoren als erster durchsteuern und das andere Signal damit sperren. Als Anfangszustand wird Transistor1 als durchgesteuert angesehen, LED1 leuchtet. Durch betätigen des Tasters1 wird der Basisstrom kurzgeschlossen, Transistor1 sperrt und LED1 geht aus. Der Leitungsast von LED1 steuert die Basis vom Transistor2 an. Dieser steuert durch und LED2 Leuchtet. Durch das abwechselnde Schalten in den anderen stabilen Zustand wird sie Bi-, für „zwei“ –stabile Kippstufe genannt. Das betätigen des Tasters auf der gegenüberliegenden Seite eines durchgesteuerten Transistors, hat keine Wirkung auf die veränderung der durchgesteuerten Seite. Die Schaltung ist nicht in der Lage sich selber zurück zusetzen oder in den anderen Zustand zu gelangen. Sie kann nur von Externen Signalen (S1 / S2) gekippt werden. Beim durchsteuern liegt eine Spannung von UBE1=0,68V an einem Transistor an, diese entspricht der Schwellspannung von Dioden. Im gesperrten Zustand beträgt die Spannung nur noch UBE2=0,34V, nicht genügend um durchzusteuern. Seite 21 von 29
  22. 22. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 4 Kippstufe: Monostabile Kippstufe: Abbildung 27 Schaltbild Monostabile Kippstufe Im gegensatz zu der Bistabilen Kippstufe besitzt die Monostabile Kippstufe zwar auch 2 Zustände jedoch ist nur eine der beiden Stabil. Beim einschalten wird der Transistor1 durchsteuern und die LED1 leuchten. Durch betätigen des Tasters wird der Transistor2 durchgesteuert und die LED2 leuchtet. Das vorher anliegende Potential von +12V an dem Kollektor fällt auf 0V. Ebenso springt das Potential an dem Kondensator rechts von +12V auf 0V. Da die Spannung links von ihm vorher 0V war muss durch den Potentialabfall dort das Potential auf -12V fallen. Der Kondensator fängt an sich aufzuladen. Ab einer bestimmten Ladung ist die Spannung dann wieder groß genug über ihm um die Basis von Transistor1 anzusteuen. Die Schaltung kippt aus dem instabilen Zustand in den stabilen Zustand zurück. LED2 Die Zeit in der sich die Schaltung nach betätigen des Schalters in dem Instabilen Zustand befindet hängt alleine von der Ladezeit des Kondensators ab. Die Lade zeit Τ hängt von der Kapazität und dem Vorwiderstand ab. Da er sich nicht zu 100% auflädt kommt ein Faktor von 0,69 hinzu. Formel 17 Kondensator Ladezeit Seite 22 von 29
  23. 23. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 4 Kippstufe: Astabile Kippstufe: Abbildung 28 Schaltbild Astabile Kippstufe Verglichen mit der Bi-bzw. Monostabilen Kippstufe besitzt die Astabile Kippstufe kein Externes Signal. Hier wird das verhalten des Instabilen Zustandes der Monostabilen Kippstufe, auch auf die andere Seite der Schaltung angewendet. Durch das abwechselnde Laden und Entladen der Kondensatoren Kippt die Schaltung Regelmäßig, zwischen ihrer zwei Zustände, also zwischen durchsteuern und sperren der beiden Transistoren hin und her. Bsp.: Transistor1 steuert durch, die LED1 leuchtet und Kondensator1 fängt an sich aufzuladen. Dabei ist Transistor2 gesperrt. Nun ist Kondensator1 geladen genug und sperrt. Der Strom steuert nun die Basis von Transistor2 an. Transistor2 steuert durch und fängt an Kondensator2 zu laden. Wenn Kondensator2 geladen genug ist wird wieder die Basis von Transistor2 gesperrt LED2 geht aus und die Basis von Transistor1 angesteuert. M1 Transistor 2 steuert durch: M2 Transistor1 steuert durch: M3 Frequenz der Schaltung: Seite 23 von 29
  24. 24. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 5 Schmitt-Trigger: Abbildung 29 Schaltbild Schmitt-Trigger Die Besonderheit des Schmitt-Triggers ist das beide Transistoren den gleichen Emitterwiderstand. Der Schmitt- Trigger besitzt wie die Bistabile Kippstufe zwei stabile Zustände. Durch Veränderung der Basis Emitter Spannung werden diese zwei zustände jeweils ausgelöst. Wenn UE größer ist als Spannung über dem gemeinsam genutzten Emitterwiderstandes dann steuert Transistor1 durch und sperrt Transistor2. Wenn UE kleiner ist tritt der umgekehrte Fall ein. Beim Ein und Ausschalten der Zustände gibt es eine Verzögerung. Der Ausschaltvorgang tritt nicht bei der gleichen Spannungsschwelle, wie bei dem Einschaltvorgang ein. Diese Spannungsdifferenz nennt man Hysterese des Schmitt-Triggers. M1 Die Spannung am Ausgang liegt bei UA=+12V und soll nun mit dem Trimmer verringert werden. Beim runter schleifen der Spannung UE springt die Eingangsspannung auf UE=0V und die Ausgangsspannung folgt mit dem Sprung auf UA=4,5V. M2 Wenn jetzt der Trimmer wieder hochdreht wird, springt die Eingangsspannung auf UE=4,5V und die Ausgangsspannung wieder auf UA=+12V. Seite 24 von 29
  25. 25. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 6 Temperaturempfindliche Bauelemente als Schalter: Abbildung 30 Schaltbild Schmitt-Trigger mit Lampenverstärker An die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers wird nun eine Lampenverstärkung hinzugefügt. Mit einer Z-Diode an seiner Basis und der Lampe im Kollektorstrom wird die Verstärkung mit einem Transistor realisiert. Die Lampe wird nun durch Regeln des Schmitt-Triggers entweder Ein M1 UA in V UE inV oder Aus schalten. Da die Spannung UE für den Transistor3 nur beim a) EIN 6,0 0,60 Einschalten des Schmitt-Triggers großgenug ist um durchzusteurn. b) AUS 4,5 0,45 Tabelle 3 Schaltzustände der Lampenverstärkung Durch einsetzen eines Temperaturempfindlichen Widerstandes PTC (Positiven Temperatur Koeffizient) an der Stelle R7 wird der Schmitt-Trigger-Regelung ein Glied hinzugefügt, welcher bei Erhöhung seiner Temperatun seinen Widerstand erhöht. Damit wird die gesamte Schaltung Temperatur empfindlich. Beim vorsichtigen Erwärmen des PTCs, erhöht sich sein Widerstand und der Schmitt-Trigger wird Eingeschaltet. Die Lampe schalte sich an. Beim abkühlen Abbildung 31 Spannungsteiler mit PTC Widerstand des PTC erlischt die Lampe wieder. Seite 25 von 29
  26. 26. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abschnitt 7 Lichtempfindliche Bauelemente als Schalter: Abbildung 32 Schaltbild Lichtempfindlicher Schmitt-Trigger mit Lampenverstärkung Jetzt wird die Basis des Transistors1 mit einem Fototransistor. Ein Fototransistor verhält sich beim Schalten ähnlich dem normalen Transistors. Nur beim einfallen von Licht auf die Basis steuert der Transistor durch. Die Wirkung auf den Schmitt-Trigger ist umgekehrt der Wirkung eines PTC´s, da sein Wiederstand mit einfallendem Licht abnimmt und dadurch den Schmitt-Trig Tabelle 4 Lichtempfindliches Schalten des Schmitt-Triggers Abbildung 33 Spannungsteiler Fototransistor Seite 26 von 29
  27. 27. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 1 KENNLINIENVERLAUF EINER 1N4001 DIODE (WIKIPEDIA.DE)............................................................................................. Abbildung 1 Kennlinienverlauf einer 1N4001 Diode...................................................................................4 Abbildung 2 Schaltbild Einweggleichrichter................................................................................................4 Abbildung 3 M2 gleichgerichteter Spannungsverlauf.................................................................................5 Abbildung 4 Schaltbild Zweiweggleichrichtung...........................................................................................6 Abbildung 5 M2 Pulsierende gleichgerichtete Spannung............................................................................6 Abbildung 6 Schaltbild Glättungsglied.........................................................................................................7 Abbildung 7 Brummspannungsanteil..........................................................................................................7 Abbildung 8 Glättungsleerlauf.....................................................................................................................8 Abbildung 9 Einweggleichrichtungs Glättung..............................................................................................8 Abbildung 10 Glättung mit Belastung..........................................................................................................9 Abbildung 11 Schaltbild Siebglied..............................................................................................................10 Abbildung 12 Siebglied Spannungsteiler...................................................................................................10 Abbildung 13 Spannungsverlauf am Siebkondensator..............................................................................11 Abbildung 14 Spannungsverlauf am Ladekondensator.............................................................................11 Abbildung 15 Schaltbild Zener-Diode........................................................................................................13 Abbildung 16 Durchbruchspannung von Z-Dioden....................................................................................13 Abbildung 17 Spannungsverlauf am Ladekondensator.............................................................................14 Abbildung 18 Spannungsverlauf der Z-Diode............................................................................................14 Abbildung 19 NPN Transistor.....................................................................................................................15 Abbildung 20 NPN Transistor Ersatzschaltbild...........................................................................................15 Abbildung 21 Schaltbild Transistor als verstellbarer Widerstand.............................................................16 Abbildung 22 Schaltbild Stabilisiertes Netzgerät.......................................................................................17 Abbildung 23 Transistor Kaskadenschaltung.............................................................................................17 Abbildung 24 Schaltbild Geregeltes Netzteil.............................................................................................18 Abbildung 25 Schaltbild Transistor als Schalter.........................................................................................20 Abbildung 26 Schaltbild Bistabile Kippstufe..............................................................................................21 Abbildung 27 Schaltbild Monostabile Kippstufe........................................................................................22 Abbildung 28 Schaltbild Astabile Kippstufe...............................................................................................23 Abbildung 29 Schaltbild Schmitt-Trigger...................................................................................................24 Abbildung 30 Schaltbild Schmitt-Trigger mit Lampenverstärker...............................................................25 Abbildung 31 Spannungsteiler mit PTC Widerstand..................................................................................25 Seite 27 von 29
  28. 28. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Abbildung 32 Schaltbild Lichtempfindlicher Schmitt-Trigger mit Lampenverstärkung.............................26 Abbildung 33 Spannungsteiler Fototransistor...........................................................................................26 Seite 28 von 29
  29. 29. Fach : Elektrotechnik Name : Shepherd, Sebastian Fachgebiet : Praktische Elektronik Klasse : 22.51 Formelverzeichnis Formel 1 Welligkeit der Einweggleichrichtung............................................................................................5 Formel 2 Arithmetischer Mittelwert einer Einwegschlatung......................................................................5 Formel 3 Effektivwert des Wechselspannungsanteils.................................................................................5 Formel 4 Brummspannungsabhängigkeit....................................................................................................7 Formel 5 Widerstand eines Siebkondensator...........................................................................................10 Formel 6 Siebfaktor mit Kondensator........................................................................................................12 Formel 7 Spannungsteiler Siebglied mit Kondensator..............................................................................12 Formel 8 Siebgliedfaktor mit Kondensator (Näherungsformel)................................................................12 Formel 9 Siebfaktor mit Z-Diode................................................................................................................14 Formel 10 Stromverstärkunsfaktor B....................................................................15 Formel 11 Transistor Spannungsmache......................................................................15 Formel 12 Stabilisiertes Netzgerät Arbeit des Transistor..........................................................................17 Formel 13Kaskaden Stromverstärkung......................................................................................................17 Formel 14 Geregeltes Netzteil Ausgangsspannung...................................................................................18 Formel 15 Innenwiederstand des Netzgerätes..........................................................................................19 Formel 16 Transistorschwellspannung......................................................................................................20 Formel 17 Kondensator Ladezeit...............................................................................................................22 Tabellenve rzeichnis Tabelle 1 Stabilisiertes Netzgerät Spannung bei verschiedenen Lasten...................................................17 Tabelle 2 Geregeltes Netzgerät ................................................................................................................19 Tabelle 3 Schaltzustände der Lampenverstärkung....................................................................................25 Tabelle 4 Lichtempfindliches Schalten des Schmitt-Triggers.....................................................................26 Softwareve rzeichnis MICROSOFT OFFICE 2007 - WORD - EXCEL MICROSOFT PICTURE IT SPLAN 6.0 Seite 29 von 29

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