Transformatoren - FH Münster · Zener - Diode Schutz einer V.24 Schnittstelle Wahl von UZ: Nach Norm liegen die Spannungspegel der V.24-Verbindung bei -12 V und +12 V. Deshalb Zener

06 / Teil D2 / Seite 01

06.002.14

Teil D2:

Spannungsversorgungen

Transformatoren

Dioden

Gleichrichter

Spannungsregler / Zener-Dioden

PC - Netzteile

DC - DC - Wandler

06.021.02

Transformatoren

Symbol:

Bezeichnungen:

Primär-seite

Eingangs-leistung: 57,5W

Wirkungsgrad 50/57,5*100 = 87%

Ausgangs-leistung: 50W

Sekundär-seite

230V ~250mA

5V ~10A

06.021.01

Transformatoren

Aufgaben:

Veränderung der Amplitude einer Wechselspannung;

Galvanische Trennung, Erhöhung der Sicherheit

Aufbau:

Zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern

Eisenkern

Spule 1viele Wind.dünner Draht

Spule 2wenige Wind.dicker Draht

06.021.03

Transformatoren

Wichtige Kenngrößen aus Anwendersicht:

Betriebsspannung Primärseite

Leerlaufspannung Sekundärseite

Kurzschlussstrom Sekundärseite

übertragbare Leistung

Wirkungsgrad

Baugröße


06.021.04

TransformatorenEinfluss der Netzfrequenz

Wirkungsgrad:

hohe Wirkungsgrade erfordern hohe Frequenzen

Baugröße:

hohe Frequenz - geringe Baugröße

Eisenbahn mit 16,6 Hz NetzfrequenzTransformatoren sind 3x so groß

Schaltnetzteile mit 20 kHz Arbeitsfrequenz:Transformatoren sind äußerst kompakt

06.021.05

Pulsierende Gleichspannung

Entstehung:

Technische Umsetzung:

Von der Vollwelle wird eine Hälfte unterdrückt.

Diode

06.010.01

Dioden: Wirkprinzip

Leitfähigkeit einer Diodehängt ab von:

- der Höhe

- der Polarität

der anliegenden Spannung.

Dioden haben in Bezugauf die Spannung einasymmetrisches Verhalten.

Dioden sind nicht-lineare Bauelemente.

U

I

06.010.02

Dioden: Aufbau

Halbleitermaterial, z.B. Silizium,mit Fremdatomen gezielt leitendgemacht (dotiert). Grundwerkstoffallein ist praktisch ein Isolator.

Fremdatome (z.B. Bor,Gallium, Indium) führenzu Elektronenmangel(Löchern) bei den Kristall-bindungen (p-dotiert).

Jede Hälftefür sich istelektrischneutral.

Fremdatome (z.B. Phosphor,Arsen, Antimon) führen zuElektronenüberschuss beiden Kristallbindungen(n-dotiert).


06.010.06

Diode, Flüssigkeitsmodell

Diode:

Ventil’Ladung’ Feder

2. An-schluss2. An-schluss

1. An-schluss

Diode, Sperrrichtung:

06.010.03

Dioden: Ruhezustand

- ++++++++

-------

Elektronen wandern überdie Grenzschicht, um dieLöcher in den Kristallver-bindungen zu schließen.Das Gebiet wird damitnegativ aufgeladen.

Das elektrische Gleich-gewicht ist gestört, esbleibt eine positiv ge-ladene Zone (Zone mitLöchern) zurück.

Es entsteht ein dynamisches Gleichgewicht. 06.010.04

Dioden: Sperrrichtung

--- ++++++++++++++++++++++++

--- --- --- --- --- --- ---

Die Sperrschicht wirdvergrößert, es kann keinStrom fließen.

+-

Elektronenwerden vomPluspol ange-zogen

EinfließendeElektronenkönnen Sperr-schicht nichtüberwinden, daLöcher besetztsind.

06.010.05

Dioden: Durchlassrichtung

- ++++++++

-------

Die Sperrschicht wirdverkleinert, elektrischesFeld begünstigt Elek-tronenfluss.

+ -I

Elek-tronen-strom

EinfließendeElektronenfüllen vonhinten Löcherauf.

Elektronenwerden vomPluspol ange-zogen


06.010.07

Diode, Flüssigkeitsmodell

Diode:

Ventil’Ladung’ Feder

2. An-schluss2. An-schluss

1. An-schluss

Diode, Durchlassrichtung:

06.010.08

Bezeichnungen der Kennlinie

UD

ID

Imax

USperr max

Durchlass-spannung

Durchlass-strom

max. zulässigeStromstärke

max. Sperr-spannung

U

I

UD

USperr max ID

Imax

Imax

06.010.09

Schaltdioden

Eigenschaften:

Kurze Schaltzeiten.In Durchlassrichtung geringer Widerstand.In Sperrichtung nur sehr kleiner Reststrom.Preisgünstiger Massenartikel.

Bildliche Darstellung:

Universaldiode zum Schalten, Begrenzen, Entkoppelnund für Logikschaltungen.

A A = Anode, K = KatodeStromfluss: A K

K

06.010.10

Schaltdioden

UD 0.72 V

ID 5 mA

300 mA

USperr max 75 V

Durchlass-spannung

Durchlass-strom


max. Sperr-spannung

Beispiel: Universaldiode 1N4148

Imax


06.010.11

Schaltdioden

Beispiel: Universaldiode 1N4148S

pann

ung

U [m

V]

Strom I [mA]0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 5 10

500

550

600

650

700

750 Ta = 25 °C

Strom steigtexponentiell

06.010.17

Gleichrichterdioden

Eigenschaften:

Geringe Durchlassspannung.Hohe zulässige Verlustleistung.Hohe zulässige Stromstoßfestigkeit.In Sperrrichtung sehr kleiner Reststrom.

Bildliche Darstellungen:

Einsatz in Gleichrichterschaltungen

A = Anode,K = Katode

A KA K

Stromfluss: A K

06.010.18

UD 1,25 V

ID

Imax

50 mA

2 A

USperr max 350 V

Durchlass-spannung

Durchlass-strom


max. Sperr-spannung

Beispiel: Gleichrichterdiode BYX 55/350

Gleichrichterdioden

7,5

mm

06.010.51

Schaltdioden

Beschränkungen der Dioden-Logik:

Jede Stufe verliert 0,7 V, d.h. das Signal nähertsich der verbotenen Zone zwischen logisch ’0’und logisch ’1’;

mehrstufige Schaltungen mit gemischten UND-und ODER-Funktionen sind nicht möglich;

es gibt keine NICHT-Funktion.


RUa=

I

06.010.67

Gleichrichterdioden

Erzeugung pulsierender Gleichspannung

Ue~Ver-braucher

06.021.06


Glättung

Ansatz:


Nutzung eines Speichers mit Einlassventil

Diode und Kondensator

zum Ver-braucher

06.010.68

Gleichrichterdioden

Glättung durch einen Kondensator

Glättung erreicht nie 100%, sondern hängt ab von- der Kapazität des Kondensators;- derHöhe des Verbraucherstroms.

RUa=

I

Ue~Ver-braucher

06.021.07


Nutzung der zweiten Halbwelle

Ansatz:


Zweite Halbwelle spiegeln, um sie nutzbar zu machen.

Brückengleichrichter

zum Ver-braucher

Spiegel


06.010.19

Gleichrichterdioden

Anwendung: Brückengleichrichter

R

Ue~

Ua=

I

C+

06.010.20

Gleichrichterdioden


RUa

I

I

II

I

C+

t

Ue

06.010.21

Gleichrichterdioden


RUa

I

I

II

I

C+

t

Ue

06.021.08

Spannungsregler

Problem:

Lösung:

Unter Last reicht die Glättung durch Kondensatorennicht aus.

Spannungsregler

Masse

Ue: 7-12V Ua: 5V

Typ 7805

Typ

7805

78S05LT1003CK

7812

Ua

5V

5V5V

12V

Imax

1A

2A5A

1A

Kühlblech erforderlich!


06.010.69

Spannungsregler

Stabilisierung von 5V Gleichspannung

Ue~9V

Ua=5V

I

C1+

C3+

C2

7805

06.010.22

Zener - Dioden

Eigenschaften:

Wird in Sperrichtung betrieben.Leitet ab einer genau spezifizierten Spannung UZ

auch in Sperrrichtung.Durchbruch in Sperrrichtung führt nicht zur Zerstörung.

Bildliche Darstellung:

Einsatz zur Spannungsbegrenzung und -stabilisierung.

A = Anode, K = KatodeA KStromfluss: K A

06.010.23

Zener - Dioden

UD

ID

Imax

UZ

Durchlass-spannung

Durchlass-strom


Zener-Spannung

U

I

UD

UZ ID

Imax

Imax

UZ ist genau spezifiziert.

06.021.09

Überspannungsbegrenzer

Problem:

Lösung:

Bauelemente oder Baugruppen müssen vor Über-spannungen geschützt werden:

- statische Aufladungen

- Verpolung

- Blitzschlag

Zenerdioden


06.010.24

UZ 8,5 - 9,1V

IZ

Pmax

5 mA

250 mW

IZmax 36 mA

Zener-spannung

Strom IZbei UZ

zul. Gesamt-verlustleistung

max. Zener-strom

Beispiel: Zener - Diode SZX 21/9,1

Zener - Dioden

06.010.25

Zener - Spannungen unterschiedlicher Dioden

U [V]

I [mA]-1-2

-20

-40

-60

-80

-4-6-8-10-12-14

06.010.26

Zener - Diode als Spannungsbegrenzer

RVRLUe Ua

+-

Schaltung

Ue

UaUZ

UZ

Kennlinie

Ue > Uz: Diode leitet, Ua = UZ

RV: Vorwiderstand

RL: Lastwiderstand

Ue < Uz: Diode sperrt, Ua = Ue

06.010.70

Wirkung der Zener - Dioden

Ud = -Ua [V]

Id [mA]-1-2-4-6-8-10-12-14

RV RL10V UaId

+-

Kennlinie be-schreibt deneinzig möglichenZusammenhangzwischen Udund Id.

10Ω

1kΩ

-100

-20

-40

-60

-80


06.010.71


Ud = -Ua [V]

Id [mA]-1-2-4-6-8-10-12-14

RV

10Ω

1kΩRL Ua

IdIv IL

+- Kennlinie be-

schreibt deneinzig möglichenZusammenhangzwischen Udund Id.

10V

Spng über Rv: 10V - UaStrom Iv=(10V - Ua)/10ΩStrom IL=Ua/1000ΩSummenstrom: Iv = Id + ILDiodenstrom: Id = (10V-Ua)/10Ω - Ua/1000Ω

-100

-20

-40

-60

-80

06.010.72


Ud = -Ua [V]

Id [mA]-1-2-4-6-8-10-12-14

RV

10Ω

1kΩRL Ua

IdIv IL

+-

Schnittpunkt lieferteinzig möglichenArbeitspunkt desSystems.

10V

-100

-20

-40

-60

-80Ua wird in diesemBeispiel auf 9.1Vgeregelt.

06.010.73


Ud = -Ua [V]

Id [mA]-1-2-4-6-8-10-12-14

RV

10Ω

1kΩRL Ua

IdIv IL

+-

Schnittpunkt lieferteinzig möglichenArbeitspunkt desSystems.

10V

-100

-20

-40

-60

-80Ue wird auf 11Verhöht. Ua erhöhtsich auf 9.6V

06.010.74


Je steiler die Kennlinie der Diode, desto besser dieStabilisierung.

Gefahr für die Diode: Überlastung durch Überschreitenvon Imax.

Rv soll die Diode schützen. Auch Rv darf nicht über-lastet werden.

Die Ein-/Ausgänge vieler ICs werden mit Zenerdiodengeschützt.


06.010.44

Zener - DiodeSchutz einer V.24 Schnittstelle

Wahl von UZ:

Nach Norm liegen die Spannungspegel der V.24-Verbindung bei -12 V und +12 V.

Deshalb Zener - Diode mit UZ > 12 V wählen.Ausschnitt Händlerliste:

Typ

11ZS21N 759A

ZF1385C13

1N 5353B

UZ

11 V12 V13 V13 V16 V

max. Leistung

0,5 W0,5 W0,5 W1,3 W5 W

Gehäuse

DO 35DO 35DO 35DO 41T 18

06.010.42


12

34

5

67

89

Sendedaten

Empfangsdaten

Betriebserde

06.021.10

PC - Netzteile

PC-Netzteile werden in der ATX-Spezifikation voll-ständig beschrieben:

- Bauform und -größe- Befestigungen- elektrische Anschlüsse- Farben der Adern- elektrische Mindestdaten

+5V: 30A; +12V:12A-5V: 0.3A; -12V: 1.0A+3.3V: 14A;+5V Stand-by: 0.85APrimär: 230V, 3A

06.010.43


Kennlinie des Diodenpaares:

U

I

UZ

-UZU

I

Wie groß ist UZ zu wählen?


06.021.12

PC - Leistungsbilanz

Komponente

AGP-Grafikkarte

PCI-Karte

SCSI-Hostadapter

IDE-Platte

typ. Leistung

20 - 30W

5W

20 - 25W

Floppylaufwerk 5W

Netzwerkkarte 4W

5 - 15W

Mainboard 20 - 30W

CPU 30 - 60W

06.021.13

Leistungsoptimierte Systeme

Der hohe Leistungsbedarf und die entspechendeAbwärme eines PC-Systems ist häufig nicht zu-lässig:

- Akkubetrieb;

- Kühlprobleme durch dichtes Gehäuse;

- . . .

Alternative:

National Semiconducture Geode GX1-333- PC-on-a-chip- vollständige PC-Funktionalität bei 5W

06.021.15

DC - DC - Wandler

Hauptspannung der digitalen Elektronik: 5V=.

Häufig werden auch andere Spannungen benötigt:

+12V, -12V der V.24-Schnittstelle;

+24V in der Automatisierungstechnik;

+12V Programmierspannung Flash-Speicher;

+3.3V für hochintegrierte Schaltungen.

Ziel:

Ableiten der anderen Spannungen aus 5V=.

06.021.11

PC - Netzteile

Die vorgegebene Baugröße kann nur mit kleinstenTransformatoren erreicht werden.

Zur Übertragung der geforderten Leistung muss derTransformator hochfrequent angesteuert werden.

Leistungsstarke Halbleiterschalter schalten diezugeführte Spannung mit ca. 20kHz an und aus,

Schaltnetzteil.

Lebensgefahr! Netzteile sollten nicht geöffnet werden.Sie enthalten keine Bauteile, die gewartet oder repa-riert werden könnten.


06.021.19

Spannung verkleinern

Veränderlicher ohmscher Spannungsteiler

Ue

UaR1

R2

+

+Ia

I1

I2

Ue

UaR1

R2

8 B

it

+

+Ia

I1

I2

analoges Potentiometer digitales Potentiometer

Vor-gabe-wert

06.021.16


Ohmscher Spannungsteiler

Ua = Ue * R1 / (R1 + R2)

unter der Voraussetzung,dass kein Ausgangs-strom Ia fließt.

I.d.R. muss am Ausgangeine Leistung Pa = Ua * Iabereitgestellt werden.

Ia > 0.

Ue

UaR1

R2

+

+Ia

06.021.17


Ohmscher Spannungsteiler, Ia konstant

Ue gegeben

I2 = I1 + Ia

Ua, Ia gegeben

I1 = Ua / R1

I2 = (Ue - Ua) / R2

(Ue - Ua) / R2 = Ia + Ua / R1

R2 = (Ue - Ua) / (Ia + Ua / R1)

Ue

UaR1

R2

+

+Ia

I1

I2

06.021.18


Ohmscher Spannungsteiler, Ia veränderlich

Abhängigkeit der Spannung Ua von Ia

Ue = 10V, R1 = R2

Ue

UaR1

R2

+

+Ia

I1

I2

Ia [mA]2

R1 = 1000Ω

R1 = 100Ω

R1 = 10Ω

1

5

4

3

2

4 6 8 10

Ua [V]

R1, R2 kleinerUa stabiler


06.021.14

DC - DC - Wandler

Eine Reihe wichtiger Anwendungen benötigen fürkurze Zeit eine erhöhte Gleichspannung, z.B. dasLöschen des Flash-Speichers des BIOS.

DC - DC - Wandler können Transformator ersetzen.

Bedeutender Hersteller: Maxim

DC-DC-Wandler

5V=+

Eingang Ausgang

+12V=

www.maxim-ic.com06.021.20

Beispiel: ZM534, Quad 8 Bit DAC DIGITRIMZentrum Mikroelektronik Dresden GmbHhttp://www.zmd.de

Digitales, elektronisches Potentiometer- digitale Einstellung von Arbeitspunkten;- mikroprozessorkompatibles Potentiometer.

ZMD

ZM534

OUTBOUTAREFHUPOPDE

/LDAC/CLR

DOUT

OUTCOUTDREFLVddDGNDDINSCLK/CS

Analog-teil

Digital-teil

OUT.

REFH REFL

digital


Documents

Transformatoren - FH Münster · Zener - Diode Schutz einer V.24 Schnittstelle Wahl von UZ: Nach Norm liegen die Spannungspegel der V.24-Verbindung bei -12 V und +12 V. Deshalb Zener