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 / Teil D2 / Seite 02
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 / Teil D2 / Seite 03
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 / Teil D2 / Seite 04
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. zulässigeStromstärke
max. Sperr-spannung
Beispiel: Universaldiode 1N4148
Imax
06 / Teil D2 / Seite 05
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. zulässigeStromstärke
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.
06 / Teil D2 / Seite 06
RUa=
I
06.010.67
Gleichrichterdioden
Erzeugung pulsierender Gleichspannung
Ue~Ver-braucher
06.021.06
Pulsierende Gleichspannung
Glättung
Ansatz:
Technische Umsetzung:
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
Pulsierende Gleichspannung
Nutzung der zweiten Halbwelle
Ansatz:
Technische Umsetzung:
Zweite Halbwelle spiegeln, um sie nutzbar zu machen.
Brückengleichrichter
zum Ver-braucher
Spiegel
06 / Teil D2 / Seite 07
06.010.19
Gleichrichterdioden
Anwendung: Brückengleichrichter
R
Ue~
Ua=
I
C+
06.010.20
Gleichrichterdioden
Anwendung: Brückengleichrichter
RUa
I
I
II
I
C+
t
Ue
06.010.21
Gleichrichterdioden
Anwendung: Brückengleichrichter
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 / Teil D2 / Seite 08
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
max. zulässigeStromstärke
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 / Teil D2 / Seite 09
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 / Teil D2 / Seite 10
06.010.71
Wirkung der Zener - Dioden
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
Wirkung der Zener - Dioden
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
Wirkung der Zener - Dioden
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
Wirkung der Zener - Dioden
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 / Teil D2 / Seite 11
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
Zener - DiodeSchutz einer V.24 Schnittstelle
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
Zener - DiodeSchutz einer V.24 Schnittstelle
Kennlinie des Diodenpaares:
U
I
UZ
-UZU
I
Wie groß ist UZ zu wählen?
06 / Teil D2 / Seite 12
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 / Teil D2 / Seite 13
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
Spannung verkleinern
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
Spannung verkleinern
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
Spannung verkleinern
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 / Teil D2 / Seite 14
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
Spannung verkleinern