Unterschiede

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--- elektronische_schaltungstechnik:2_transistoren [2020/04/23 23:17]
tfischer
+++ elektronische_schaltungstechnik:2_transistoren [2023/09/19 23:09] (aktuell)
mexleadmin
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-====== 2. Dioden und Transistoren ======
+====== 2 Dioden und Transistoren ======
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-Eine schöne Einführung ist im [[https://lx3.mint-kolleg.kit.edu/onlinekursphysik/html/1.3.3/xcontent5.html|KIT Brückenkurs - 3.3.6 Dioden und Transistoren (*)]] zu finden. \\ Aus dieser Einführung sind einige der folgenden Passagen, Videos und Bilder entnommen.
+Eine schöne Einführung ist im [[https://lx3.mint-kolleg.kit.edu/onlinekursphysik/html/1.5.3/xcontent5.html|KIT Brückenkurs - 1.5.3 Dioden und Transistoren (*)]] zu finden. \\ Aus dieser Einführung sind einige der folgenden Passagen, Videos und Bilder entnommen.
 \\ \\
 Eine weitere Einführung finden Sie unter [[https://www.leifiphysik.de/elektronik|LEIFIphysik]].
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 <callout type="info" icon="true">
 === Einführendes Beispiel===
 Die Elektronik in PCs, Mobiltelefonen, elektrischen Zahnbürsten und wie allen anderen digitalen Begleitern basiert auf Transitorschaltungen (vgl. [[grundlagen_der_digitaltechnik:im Herzen eines Computers]]). In [[:Grundlagen der Digitaltechnik:start]] wurde bereits erläutert, dass alle logischen Schaltungen über konjunktive und disjunktive Normalform auf NAND bzw. NOR Gatter zurückgeführt werden kann. Diese wiederum bestehen aus Transistoren. In der unten stehenden Simulation ist die Struktur eines NAND-Gatters in der aktuellen CMOS-Struktur dargestellt. CMOS deutet hierbei auf die Struktur der Schaltung und der Halbleiter Struktur hin: **C**omplementary **m**etal-**o**xide-**s**emiconductor - eine gegensätzlich ergänzende Schaltung aus Halbleitern der Struktur Metall-Oxid-Halbleiter.
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 Diese zwei unterschiedliche Arten von MOS-Transistoren und weitere verwendete Arten sollen in diesem Kapitel erklärt werden.
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+0+0.0002+0.134+1+5+50%0Af+368+128+416+128+5+1.5+0.02%0Af+368+224+416+224+4+1.5+0.02%0Aw+416+144+416+176+0%0Aw+416+176+416+208+0%0AM+448+176+448+192+0+2.5%0Af+352+288+416+288+4+1.5+0.02%0Aw+416+240+416+272+0%0Ag+416+304+416+320+0%0Aw+368+128+368+224+0%0Af+288+128+336+128+5+1.5+0.02%0Aw+336+80+336+112+0%0Aw+336+80+416+80+0%0Aw+416+80+416+112+0%0AR+416+80+416+48+0+0+40+5+0+0+0.5%0Aw+288+128+288+288+0%0Aw+288+288+352+288+0%0Aw+336+144+336+176+0%0Aw+336+176+416+176+0%0AR+-112+272+-128+272+1+2+100+2.5+2.5+0+0.5%0AR+-112+288+-128+288+1+2+50+2.5+2.5+0+0.5%0A207+-112+272+-96+272+4+IN1%0A207+-112+288+-96+288+4+IN2%0A207+240+224+224+224+4+IN1%0A207+240+288+224+288+4+IN2%0AM+240+224+240+240+0+2.5%0Aw+240+224+368+224+0%0Aw+240+288+288+288+0%0AM+240+288+240+304+0+2.5%0Aw+416+176+448+176+0%0A207+448+176+464+176+4+OUT2%0A151+-144+128+-80+128+0+2+5+5%0A207+-160+112+-176+112+4+IN1%0A207+-160+144+-176+144+4+IN2%0A207+-64+128+-48+128+4+OUT1%0AM+-64+128+-64+144+0+2.5%0Aw+-80+128+-64+128+0%0Ab+192+32+507+341+0%0Ab+-209+32+-6+341+0%0Ax+-366+49+-224+79+4+24+NAND-Gatter%5C%5Cnals%5CsBlackbox%0Ax+36+50+178+80+4+24+NAND-Gatter%5C%5Cn%C3%BCber%5CsCMOS%0AM+-160+144+-160+160+0+2.5%0Aw+-160+144+-144+144+0%0Aw+-144+112+-160+112+0%0AM+-160+112+-160+128+0+2.5%0A403+32+224+160+256+0+33_1_0_4102_5_0.1_0_2_33_3%0A403+32+112+160+144+0+31_1_0_4102_5_0.1_0_2_31_3%0A403+32+144+160+176+0+32_1_0_4102_5_0.1_0_2_32_3%0A403+32+256+160+288+0+29_1_0_4102_5_0.1_0_2_29_3%0A 900,400 noborder}}
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 === Korrekte Verschaltung der Transistoren ===
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+<wrap #Transistor_im_Baendermodell />
 === Transistor im Bändermodell ===
 <imgcaption pic5|Transistor im Bändermodell>{{  https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/Bipolartransistor2.PNG?400|Transistor im Bändermodell}}</imgcaption>
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+<WRAP right><panel type="default">
+<imgcaption pic9|Funktion des npn-Bipolartransistors>
+</imgcaption>
+{{drawio>Funktion_des_bipolartransistor2}}
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 </WRAP>
 Um die Sperrschicht zwischen Kollektor und Basis aufzuheben, muss diese in Durchlassrichtung verschaltet werden. Bis zum Durchschalten des Transistors sind dies mehrere Schritte, die im Folgenden über <imgref pic9> beschrieben werden:
-  - Bild: Die Physik dazu spielt sich in der schmalen p-Schicht statt. Die folgenden Bilder beziehen sich auf den markierten Ausschnitt. Es soll dabei betrachtet werden,
+  - Bild: Die Physik dazu spielt sich in der schmalen p-Schicht ab. Die folgenden Bilder beziehen sich auf den markierten Ausschnitt.
   - Bild - Situation $U_{CE}=0V, U_{BE}=0V$: In diesem Bild ist der unbestromte Transistor dargestellt. Darin sind die freien Ladungsträger (Elektronen in blau, Löcher in rot) und die Sperrschichten zwischen Basis und Emitter, sowie Basis und Kollektor in gelb. Nur der Sperrschicht sind die ortsfesten Ladungsträger mit deren Vorzeichen skizziert. Wie im Bändermodell dargestellt sind die ortsfesten Ladungsträger überall in beiden dotierten Bereichen vorhanden.
   - Bild - Situation $U_{CE}=0V, 0V<U_{BE}<0,6V$: Zunächst soll eine kleine, positive Spannung $U_{BE}$ betrachtet werden. Dies stellt mit dem Strom $I_B$ Löcher in der Basis bereit. Dadurch wird der PN-Übergang zwischen Basis und Emitter in Durchlassrichtung betrieben. Im Bild ist mit schwarzen Kreisen angedeutet, dass die injizierten Löcher einige ortfeste negative Ladungsträger in beiden Sperrschichten kompensiert. Durch den Emitter fließen auch Elektronen in den n-Bereich nach, welche dort die Sperrschicht auf der anderen Seite abschwächen.
-  - Bild - Situation $U_{CE}=0V, U_{BE}>0,6V$: Wird die Durchlassspannung des PN-Übergang zwischen Basis und Emitter überschritten, so heben die injizierten Löcher und Elektronen die untere Sperrschicht auf. In der Simulation rechts ist zu sehen, dass die Verschaltung des Transistors in der Art ist, dass in der (physikalisch nicht ganz korrekten) Diodenschaltung die Diode zwischen Basis und Emitter leitend wird.
+  - Bild - Situation $U_{CE}=0V, U_{BE}>0,6V$: Wird die Durchlassspannung des PN-Übergang zwischen Basis und Emitter überschritten, so heben die injizierten Löcher und Elektronen die untere Sperrschicht auf. In der Simulation unten ist zu sehen, dass die Verschaltung des Transistors in der Art ist, dass in der (physikalisch nicht ganz korrekten) Diodenschaltung die Diode zwischen Basis und Emitter leitend wird.
   - Bild - Situation $U_{CE}>0V, U_{BE}>0,6V$: Mit dieser Spannung an der Basis soll nun der Arbeitskreis, also am Ausgang eine Spannung $U_{BE}>0$ anliegen. Im realen System ist die Basis im Vergleich zur mittleren freien Weglänge der Elektronen ("Weg bis zur Rekombination mit einem Loch") sehr klein. Damit ändert sich die Situation am oberen PN-Übergang. In einer klassischen Diode sind im p-dotierten Bereich keine Elektronen vorhanden. Die aber hier vorhandenen Elektronen können die Basis durchschreiten und in der oberen Sperrschicht die ortfesten positiven Ladungsträger kompensieren. Die in die Basis injizierten Löcher wiederum kompensieren die ortfesten negativen Ladungsträger. Damit wird auch diese Sperrschicht abgebaut. Dies ist möglich solange genügend Löcher in die Basis eingebracht werden.
   - Bild - Situation $U_{CE}>0V, U_{BE}>0,6V$: Beim NPN-Bipolartransistor tragen also sowohl Löcher (zum Aufheben der Sperrschichten), als auch Elektronen (als "Hauptverantwortliche" für den Ladungstransport, die sog. Majoritätsträgerladungen) zur Leitfähigkeit bei. Daher rührt der Name __Bipolar__transistor.
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-<imgcaption pic9|Funktion des npn-Bipolartransistors>
-</imgcaption>
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-{{drawio>Funktion_des_bipolartransistor2}}
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+17+0.00005+1.5642631884188172+61+1+50%0Ag+288+288+288+304+0%0Ar+128+240+208+240+0+1000%0Aw+288+288+288+272+0%0Av+112+288+112+240+0+0+40+0.8+0+0+0.5%0Aw+112+288+288+288+0%0Aw+112+240+128+240+0%0Ax+148+220+183+223+4+18+R_B%0Aw+208+240+256+240+0%0Ab+80+96+354+320+0%0Ax+91+52+296+82+4+24+gegens%C3%A4tzlich%5Cs%5C%5Cngeschaltete%5CsDioden%0Ax+380+86+612+89+4+24+NPN-Bipolartransistor%0Ab+368+96+642+320+0%0Ax+511+276+535+279+4+18+BE%0Ax+499+270+511+273+4+18+U%0Ax+535+273+555+276+4+40+%E2%86%93%0Ax+550+191+555+194+4+18+I%0Ax+554+199+566+202+4+18+C%0Ax+570+209+582+212+4+24+v%0Ax+511+223+516+226+4+18+I%0Ax+516+231+528+234+4+18+B%0Aw+496+240+544+240+0%0Ax+516+248+530+251+4+24+%3E%0Ax+436+220+471+223+4+18+R_B%0Ax+584+267+596+270+4+18+E%0Aw+400+240+416+240+0%0Aw+400+288+576+288+0%0Av+400+288+400+240+0+0+40+0.8+0+0+0.5%0Aw+576+224+576+192+0%0Aw+576+288+576+256+0%0Ar+416+240+496+240+0+1000%0At+544+240+576+240+0+1+-2.616752589633357+0.6632208486391654+100%0Ax+545+230+557+233+4+18+B%0Ax+585+228+597+231+4+18+C%0AR+576+144+576+112+0+0+50+5+0+0+0.5%0A181+576+144+576+192+0+312286.7367190998+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0Ag+576+288+576+304+0%0Ad+288+240+288+272+2+default%0Aw+256+240+288+240+0%0Ad+288+240+288+208+2+default%0A181+288+144+288+192+0+300.00000194873667+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0AR+288+144+288+112+0+0+50+5+0+0+0.5%0Aw+288+208+288+192+0%0A 600,400 noborder}}
-</panel></WRAP>
+</WRAP>
+Die Simulation rechts zeigt das vereinfachte Modell der entgegengesetzten Dioden. Der notwendige Eingangsstrom $I_C$ und die dazu entsprechende Eingangsspannung $U_{BE}$ gleicht den Verhältnissen der Diode zwischen Basis und Emitter. In <imgref picJ> ist ist das Funktionsprinzip dargestellt. Der Strom $I_B$ über die Diode zwischen Basis und Emitter regelt den Strom $I_C$ im Arbeitskreis. Diese Reglung geschieht über den veränderlichen Widerstand $R_{CE}$.
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+<WRAP right><imgcaption picJ|Funktion des npn-Bipolartransistors>
+{{elektronische_schaltungstechnik:jbt_funktionsweise.jpg?400}}
+</imgcaption></WRAP>
 === Kenngröße, Kennlinien, Kennfelder ===
-Im vorherigen Kapitel wurde bereits schon auf Kenngröße einer Blackbox eingegangen, dort speziell für einen Verstärker. Die Methodik kann hier ach angewandt werden. Im Video oben wurde bereits schon die erste Kenngröße beschrieben: Die **Stromverstärkung** $\beta=\frac{d I_C}{d I_B}$, bzw. in Form einer Grafik, die **Stromsteuerkennlinie** $I_C(I_B)$.[(Note1>In der Praxis wird noch zwischen der Kleinsignal-Stromverstärkung $\beta = h_{fe}$ und Großsignal-Stromverstärkung $B = h_{FE}$ unterschieden. Beim Kleinsignalverhalten wird eine relativ kleine Änderung um einen festen Arbeitspunkt (z.B. um bestimmte Werte I_C und U_{CE}) betrachtet. Beim Großsignalverhalten wird eine Änderung zwischen 0 und einem gegebenen Wert betrachtet. Bei nichtlinearen Kenngrößen können sich beide Größen unterscheiden. In diesem Kurs wird nur das Kleinsignalverhalten beschrieben. Das Großsignalverhalten und die Unterscheidung beider Betrachtungen wird in diesem Kurs nicht betrachtet.)]
+Im vorherigen Kapitel [[1 Grundlagen zu Verstärkern]] wurde bereits schon auf Kenngröße einer Blackbox eingegangen, dort speziell für einen Verstärker. Die Methodik kann hier auch angewandt werden. Im Video oben wurde bereits schon die erste Kenngröße beschrieben: Die **Stromverstärkung** $\beta=\frac{d I_C}{d I_B}$, bzw. in Form einer Grafik, die **Stromsteuerkennlinie** $I_C(I_B)$.[(Note1>In der Praxis wird noch zwischen der Kleinsignal-Stromverstärkung $\beta = h_{fe}$ und Großsignal-Stromverstärkung $B = h_{FE}$ unterschieden. Beim Kleinsignalverhalten wird eine relativ kleine Änderung um einen festen Arbeitspunkt (z.B. um bestimmte Werte $I_C$ und $U_{CE}$) betrachtet. Beim Großsignalverhalten wird eine Änderung zwischen 0 und einem gegebenen Wert betrachtet. Bei nichtlinearen Kenngrößen können sich beide Größen unterscheiden. In diesem Kurs wird nur das Kleinsignalverhalten beschrieben. Das Großsignalverhalten und die Unterscheidung beider Betrachtungen wird in diesem Kurs nicht betrachtet.)]
 Eine weitere Kennlinie ist das **Eingangskennlinienfeld** $U_{BE}({I_B})$ bzw. als differentielle Kenngröße (=Steigung in der Kennlinie) der **differentielle Eingangswiderstand** $r_{BE}=\frac{d U_{BE}}{d I_B}$. Wie bereits beschrieben, gleicht der Aufbau zwischen Basis und Emitter einer Diode. Das Eingangskennlinienfeld gleicht dementsprechend dem einer Diode. Da der Stromfluss $I_B$ sehr klein ist (wenige Mikroampere oder kleiner), ist der Eingangswiderstand $r_{BE}$ groß.
 Die folgende Simulation zeigt die Stromsteuerkennlinie $I_C(I_B)$ und Eingangskennlinie(nfeld) $U_{BE}({I_B})$ durch Variation von $U_{BE}$ (bzw. $I_B$).
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+1.56+61+1+50%0Ag+288+320+288+336+0%0A181+288+144+288+192+0+330.5+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0AR+288+144+288+128+0+0+50+5+0+0+0.5%0Ax+295+246+307+249+4+18+C%0Ax+257+262+269+265+4+18+B%0At+256+272+288+272+0+1+-4.45+0.547+100%0Ar+128+272+208+272+0+1000%0Aw+288+320+288+288+0%0Aw+288+256+288+192+0%0Av+112+320+112+272+0+3+40+0.6+0.4+0+0.5%0Aw+112+320+288+320+0%0Aw+112+272+128+272+0%0Ax+296+299+308+302+4+18+E%0Ax+148+252+183+255+4+18+R_B%0A403+368+160+592+320+0+1_256_3_4289_5e-16_8e-17_0_2_6_3%0Ax+491+168+496+171+4+18+I%0Ax+587+232+592+235+4+18+I%0Ax+495+176+507+179+4+18+C%0Ax+592+240+604+243+4+18+B%0A403+640+160+864+320+0+9_512_0_4161_5e-24_5e-26_1_2_9_3%0Ax+771+172+795+175+4+18+BE%0Ax+759+166+771+169+4+18+U%0Ax+856+236+868+239+4+18+B%0Ax+852+228+857+231+4+18+I%0Ax+228+280+242+283+4+24+%3E%0Aw+208+272+256+272+0%0Ax+228+263+240+266+4+18+B%0Ax+223+255+228+258+4+18+I%0Ax+282+221+294+224+4+24+v%0Ax+269+214+281+217+4+18+C%0Ax+265+206+270+209+4+18+I%0Ax+247+305+267+308+4+40+%E2%86%93%0Ax+211+302+223+305+4+18+U%0Ax+223+308+247+311+4+18+BE%0Ax+682+136+828+139+4+18+Eingangskennlinie%0Ax+400+136+574+139+4+18+Stromsteuerkennlinie%5Cs%0Ao+5+512+6+4097+5+0.8+0+1%0A 1100,400 noborder}}
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 </WRAP>
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   * Ausgangswiderstand $h_{oe}=r_{CE}(I_B, U_{BE})=\frac{U_{CE}}{I_C}$
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00002+2.0086+61+1+50%0Ag+160+320+160+336+0%0AR+160+144+160+128+0+3+80+1+1+0+0.5%0Ax+168+262+180+265+4+18+C%0Ax+129+262+141+265+4+18+B%0At+128+272+160+272+0+1+-1.1+0.617+100%0Ar+32+272+112+272+0+1000%0Aw+160+320+160+304+0%0Aw+160+240+160+192+0%0Av+-16+320+-16+272+0+2+40+0.02+0.66+0+0.5%0Aw+-16+320+160+320+0%0Ax+168+299+180+302+4+18+E%0Ax+47+251+82+254+4+18+R_B%0Ax+108+280+122+283+4+24+%3E%0Aw+112+272+128+272+0%0Ax+106+259+118+262+4+18+B%0Ax+101+251+106+254+4+18+I%0Ax+154+221+166+224+4+24+v%0Ax+141+214+153+217+4+18+C%0Ax+137+206+142+209+4+18+I%0A403+218+150+656+352+0+4_1024_6_4163_1.5e-8_1e-8_0_2_4_2%0Av+-16+272+-16+224+0+2+20+0.04+0+0+0.5%0Aw+-16+224+32+224+0%0Aw+32+224+32+272+0%0Ax+671+278+696+281+4+18+CE%0Ax+659+269+671+272+4+18+U%0Ax+437+138+442+141+4+18+I%0Ax+441+146+453+149+4+18+C%0Ax+511+167+645+170+4+12+U%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs720mV,%5CsI%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs70%CE%BCA%0Ax+522+174+538+177+4+12+BE%0Ax+591+202+662+205+4+12+680mV,%5Cs45%CE%BCA%0Ax+620+225+691+228+4+12+640mV,%5Cs23%CE%BCA%0Ax+634+239+709+242+4+12+600mV,%5Cs8,5%CE%BCA%0A181+160+144+160+192+0+9915+0.00012+0.1+0.0001+0.0001%0Ab+437+168+460+250+0%0Ax+420+267+480+285+4+12+S%C3%A4ttigungs-%5C%5Cnbereich%0Ab+461+248+628+250+0%0Ax+496+267+535+285+4+12+Sperr-%5C%5Cnbereich%0Aw+160+240+160+256+0%0Aw+160+288+160+304+0%0Ax+202+278+214+281+4+18+U%0Ax+214+287+239+290+4+18+CE%0Ax+185+284+205+287+4+40+%E2%86%93%0Ax+86+304+98+307+4+18+U%0Ax+98+310+122+313+4+18+BE%0Ax+121+307+141+310+4+40+%E2%86%93%0Ax+598+174+606+177+4+12+B%0Ax+326+112+516+115+4+18+Ausgangskennlinienfeld%0Ao+5+1024+0+12289+0.0001+0.0001+0+1%0A 1100,400 noborder}}
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+17+0.00002+2.0086+61+1+50%0Ag+160+320+160+336+0%0AR+160+144+160+128+0+3+80+1+1+0+0.5%0Ax+168+262+180+265+4+18+C%0Ax+129+262+141+265+4+18+B%0At+128+272+160+272+0+1+-1.1+0.617+100%0Ar+32+272+112+272+0+1000%0Aw+160+320+160+304+0%0Aw+160+240+160+192+0%0Av+-16+320+-16+272+0+2+40+0.02+0.66+0+0.5%0Aw+-16+320+160+320+0%0Ax+168+299+180+302+4+18+E%0Ax+47+251+82+254+4+18+R_B%0Ax+108+280+122+283+4+24+%3E%0Aw+112+272+128+272+0%0Ax+106+259+118+262+4+18+B%0Ax+101+251+106+254+4+18+I%0Ax+154+221+166+224+4+24+v%0Ax+141+214+153+217+4+18+C%0Ax+137+206+142+209+4+18+I%0A403+218+150+656+352+0+4_1024_6_4163_1.5e-8_1e-8_0_2_4_2%0Av+-16+272+-16+224+0+2+20+0.04+0+0+0.5%0Aw+-16+224+32+224+0%0Aw+32+224+32+272+0%0Ax+671+278+696+281+4+18+CE%0Ax+659+269+671+272+4+18+U%0Ax+437+138+442+141+4+18+I%0Ax+441+146+453+149+4+18+C%0Ax+511+167+645+170+4+12+U%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs720mV,%5CsI%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs70%CE%BCA%0Ax+522+174+538+177+4+12+BE%0Ax+591+202+662+205+4+12+680mV,%5Cs45%CE%BCA%0Ax+620+225+691+228+4+12+640mV,%5Cs23%CE%BCA%0Ax+634+239+709+242+4+12+600mV,%5Cs8,5%CE%BCA%0A181+160+144+160+192+0+9915+0.00012+0.1+0.0001+0.0001%0Ab+437+168+460+250+0%0Ax+420+267+480+285+4+12+S%C3%A4ttigungs-%5C%5Cnbereich%0Ab+461+248+628+250+0%0Ax+496+267+535+285+4+12+Sperr-%5C%5Cnbereich%0Aw+160+240+160+256+0%0Aw+160+288+160+304+0%0Ax+202+278+214+281+4+18+U%0Ax+214+287+239+290+4+18+CE%0Ax+185+284+205+287+4+40+%E2%86%93%0Ax+86+304+98+307+4+18+U%0Ax+98+310+122+313+4+18+BE%0Ax+121+307+141+310+4+40+%E2%86%93%0Ax+598+174+606+177+4+12+B%0Ax+326+112+516+115+4+18+Ausgangskennlinienfeld%0Ao+5+1024+0+12289+0.0001+0.0001+0+1%0A 1000,400 noborder}}
 </WRAP>
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 Es gibt 2 verschiedene Arten von Bipolartransistoren.
 Diese unterscheiden sich in der Art der Schichtenaufbaus, bzw. der Majoritätsträgerladungen:
-  * **npn-Bipolartransistoren**: Die hauptsächliche Leitung geschieht über Elektronen. Diese können ohne Strom $I_B$ über die Basis den p-dotierten Bereich nicht durchlaufen. Durch $I_B<0$ werden Löchern in die Basis eingebracht, welche Sperrschichten abbauen.
+  * **npn-Bipolartransistoren**: Die hauptsächliche Leitung geschieht über Elektronen. Diese können ohne Strom $I_B$ über die Basis den p-dotierten Bereich nicht durchlaufen. Durch $I_B>0$ werden Löchern in die Basis eingebracht, welche Sperrschichten abbauen.
-  * **pnp-Bipolartransistoren**: Die hauptsächliche Leitung geschieht über Löcher. Diese können ohne Strom $I_B$ über die Basis den n-dotierten Bereich nicht durchlaufen. Durch $I_B>0$ werden Elektronen in die Basis eingebracht, welche Sperrschichten abbauen.
+  * **pnp-Bipolartransistoren**: Die hauptsächliche Leitung geschieht über Löcher. Diese können ohne Strom $I_B$ über die Basis den n-dotierten Bereich nicht durchlaufen. Durch $I_B<0$ werden Elektronen in die Basis eingebracht, welche Sperrschichten abbauen.
 Beim __Bipolar__transistor sind __beide Ladungsträgertypen am Transport beteiligt__.
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- ===== 2.7 Funktionsprinzip eines Feldeffekt-Transistors =====
+===== 2.7 Funktionsprinzip eines Feldeffekt-Transistors =====
+<WRAP right><imgcaption picP|Funktion des MOSFETs>
+{{elektronische_schaltungstechnik:mosfet-front-final-test_jpg_project-body.jpg?400}}
+</imgcaption></WRAP>
 <WRAP right><panel type="default">
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 </imgcaption>
 {{drawio>FET_Prinzip}}
-</panel>
+</panel></WRAP>
-</WRAP>
 Auch ein Feldeffekt-Transistor (FET) besteht aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden, die eine gemeinsame n- bzw. p-Schicht besitzen. Die Leitfähigkeit des Feldeffekt-Transistors wird jedoch nicht durch das Anlegen einer Steuer__stroms__, sondern allein durch eine Steuer__spannung__ erzeugt. Auch beim Bipolartransistor wurde der Steuerstrom durch eine Steuerspannung generiert. Der Steuerstrom muss jedoch zum Ansteuern des Bipolartransistors dauerhaft fließen, da die über die Basis eingetragenen Ladungsträger intern rekombinieren.
-In <imgref pic6> ist ein spezieller Feldeffekt-Transistor gezeichnet, dem sogenannten "Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistor". Dieser soll im Folgenden näher erklärt werden.
+In <imgref pic6> ist ein spezieller Feldeffekt-Transistor gezeichnet, dem sogenannten "Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistor". Dieser soll im Folgenden näher erklärt werden. Die <imgref picP> skizziert das Funktionsprinzip: Die Steuerspannung $U_{GS}$ (im englischen $V_{GS}$) regelt im Arbeitskreis den Strom $I_D$. Dies geschieht durch den Widerstand zwischen $R_{DS}$.
-Um die Transistortypen zu unterscheiden, und die dahinterliegende Physik zu betonen, werden die Anschlüsse beim Feldeffekt-Transistor anders bezeichnet:
+Um die Transistortypen zu unterscheiden, und die dahinterliegende Physik zu betonen, sind die Anschlüsse beim Feldeffekt-Transistor anders bezeichnet:
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-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00002+2.008553692318767+61+1+50%0Ag+160+320+160+336+0%0AR+160+144+160+128+0+3+80+0.3+0.2+0+0.5%0Ax+173+253+185+256+4+18+D%0Ax+116+254+130+257+4+18+G%0Ar+32+272+112+272+0+1000%0Aw+160+320+160+304+0%0Aw+160+240+160+192+0%0Av+32+320+32+272+0+2+40+2+0+0.22689280275926285+0.5%0Aw+32+320+160+320+0%0Ax+174+304+186+307+4+18+S%0Aw+112+272+128+272+0%0Ax+154+221+166+224+4+24+v%0Ax+141+214+153+217+4+18+D%0Ax+137+206+142+209+4+18+I%0A181+160+144+160+192+0+300.0142864547762+0.00011999999999999999+0.001+0.00009999999999999999+0.00009999999999999999%0Aw+160+240+160+256+0%0Aw+160+288+160+304+0%0Ax+202+278+214+281+4+18+U%0Ax+214+287+239+290+4+18+DS%0Ax+185+284+205+287+4+40+%E2%86%93%0Ax+86+304+98+307+4+18+U%0Ax+98+310+124+313+4+18+GS%0Ax+121+307+141+310+4+40+%E2%86%93%0Af+128+272+160+272+32+1.5+0.02%0A403+240+160+544+352+0+23_1024_0_4161_5.000000000000001e-72_1e-73_0_2_23_3%0Ax+474+235+513+253+4+12+Sperr-%5C%5Cnbereich%0Ab+406+256+541+242+0%0Ax+403+154+463+172+4+12+S%C3%A4ttigungs-%5C%5Cnbereich%0Ab+391+173+414+255+0%0Ax+371+163+383+166+4+18+D%0Ax+367+155+372+158+4+18+I%0Ax+525+273+537+276+4+18+U%0Ax+537+282+562+285+4+18+DS%0Ax+121+3+141+6+4+40+%E2%86%93%0Ax+98+6+124+9+4+18+GS%0Ax+86+0+98+3+4+18+U%0Aw+160+-16+160+0+0%0Aw+160+-64+160+-48+0%0A181+160+-160+160+-112+0+300.52984489667176+0.00011999999999999999+0.001+0.00009999999999999999+0.00009999999999999999%0Ax+137+-98+142+-95+4+18+I%0Ax+141+-90+153+-87+4+18+D%0Aw+112+-32+144+-32+0%0Aw+32+16+160+16+0%0Av+32+16+32+-32+0+2+40+5+0+0.22689280275926285+0.5%0Aw+160+16+160+0+0%0Ar+32+-32+112+-32+0+1000%0AR+160+-160+160+-176+0+3+80+0.3+0.2+0+0.5%0Ag+160+16+160+32+0%0A159+160+-48+160+-16+0+20+10000000000%0A207+160+-64+192+-64+4+U%0A370+160+-112+160+-64+1+0%0A403+240+-144+544+48+0+49_1024_0_4162_1.2500000000000001e-40_1.0000000000000001e-41_0_2_50_3%0Ax+66+-52+80+-49+4+18+G%0Ax+53+-58+65+-55+4+18+R%0Ax+67+252+81+255+4+18+G%0Ax+54+246+66+249+4+18+R%0Ax+366+-154+371+-151+4+18+I%0Ax+370+-146+382+-143+4+18+D%0Ax+581+-22+606+-19+4+18+DS%0Ax+569+-31+581+-28+4+18+U%0A 700,600 noborder}}
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 In der Simulation rechts ist zu sehen, dass sich der Feldeffekt-Transistor so ähnlich wie ein Schalter verhält, welcher über eine Spannung gesteuert wird. Auf das Gate scheint kein Strom zu fließen, aber wenn sich die Spannung am Gate ändert, so ändert sich das Verhalten von "leitfähig" in "offen".
-=== Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ===
+==== Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ====
 <WRAP right><panel type="default">
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 Das Schaltsymbol (<imgref pic3>, Bild (4)) lässt sich auch folgendermaßen beschreiben: Es bilden sich im ausgeschalteten Zustand jeweils Kondensatoren zwischen Gate und Source, zwischen Gate und Basis und zwischen Gate und Drain wegen der Oxidschicht (im Bild (1) violett) aus.[(Note2>Bei den Feldeffekt-Transistoren bildet sich zusätzlich ein Kondensator zwischen Source und Drain aus, welcher insbesondere beim schnellen Schalten von Induktivitäten zu Überspannungen am MOSFET führen kann.)] Um den MOSFET anzusteuern, muss die Spannung am Gate $U_{GS}$ so geartet sein, dass sich ein PN-Übergang im Bulk bildet, angedeutet durch das weiß ausgefüllte Dreieck im Bild (4). Da die Spitze des Dreiecks (bzw. des damit skizzierten Diodensymbols) in Richtung des Gates zeigt, ist klar, dass es sich um einen n-Kanal MOSFET handelt.
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 </WRAP>
 In der Simulation rechts sind die gleichen Spannungsverhältnisse wie in <imgref pic3> (1)...(3) dargestellt. Durch den Wechselschalter links ist es möglich die Spannung $U_{DS}$ über den Transistor zu invertieren. Wird diese negativ, so stellt sich eine etwas andere Situation ein: Der MOSFET scheint leitfähig zu werden, unabhängig davon, welche Spannung $U_{GS}$ annimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich im Schichtenaufbau eine weitere Diode versteckt hat: zwischen Bulk (p) und Drain (n) hat sich eine Sperrschicht ausgebildet, welche bei $U_{DS}<0$ und mit der Anbindung von Bulk und Source in Durchlassrichtung betrieben wird. Diese sogenannte Body-Diode ist in der Simulation bei (3b) explizit eingebaut.
+Beim realen MOSFET als Bauteil begrenzt die Dicke des Kanals den Stromfluss. Um den maximalen Stromfluss zu erhöhen, wird der dargestellte Schichtaufbau mehrfach nebeneinandergelegt. Eine Variante davon ist der ist der HEXFET (Markenname von IR), welche in {{elektronische_schaltungstechnik:an-1005_powermosfet_designguidelines.pdf#page=6|dieser Application Note}} zu finden ist.
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 </WRAP>
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 \\
-=== Ausgangskennlinienfeld ===
+==== Ausgangskennlinienfeld des MOSFET ====
 Auch beim MOSFET soll das **Ausgangskennlinienfeld** $U_{DS}({I_D})$ betrachtet werden. Auch dieses ähnelt dem Bipolartransistor, jedoch sind nun die verschiedenen Kennlinien durch unterschiedliche Steuerspannungen $U_{GS}$ und nicht durch einen Steuerstrom einstellbar.
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-=== Varianten von Feldeffekt-Transistoren ===
+==== Varianten von MOSFETs ====
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-</WRAP>
+\\
+<panel type="default">
-Der bisher betrachtete (und auch am häufigsten genutzte) Feldeffekt-Transistor ist der sogenannte "**n-Kanal Anreicherungstyp MOSFET**". Dabei rührt der Teil "n-Kanal" vom Typ des Strom-bildenden Ladungsträgers und wurde bereits weiter oben gegeben. Der Teil "Anreicherungstyp" (engl. enhancement) stellt dar, dass die Ladungsträger zunächst nicht vorhanden sind und zur Leitfähigkeit erst mittels des der Spannung $U_{GS}$ im Bulk angehäuft werden müssen.
-Bei einigen Schaltungen (insbesondere Digitalschaltungen) werden auch "**p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET**" verwendet, bei dem Löcher die Strom-bildenden Ladungsträger sind. In der Simulation rechts ist diese Art des MOSFET gezeigt. Am deutlichsten ist, dass bei der Verschaltung des p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET in der Regel Drain und Source vertauscht wird. Damit werden die Zahlenwerte von $U_{DS}$ und $I_D$ im Ausgangskennlinienfeld negativ. Um Löcher im p-Kanal anzureichern muss eine negative Spannung am Gate $U_{DS}<0$ anliegen.
-<WRAP right><panel type="default">
 <imgcaption pic2|FET Schaltsymbole>
 </imgcaption>
 {{drawio>FET_Schaltsymbol}}
 </panel>
 </WRAP>
+Der bisher betrachtete (und auch am häufigsten genutzte) Feldeffekt-Transistor ist der sogenannte "**n-Kanal Anreicherungstyp MOSFET**". Dabei rührt der Teil "n-Kanal" vom Typ des Strom-bildenden Ladungsträgers und wurde bereits weiter oben gegeben. Der Teil "Anreicherungstyp" (engl. enhancement) stellt dar, dass die Ladungsträger zunächst nicht vorhanden sind und zur Leitfähigkeit erst mittels des der Spannung $U_{GS}$ im Bulk angehäuft werden müssen.
+Bei einigen Schaltungen (insbesondere Digitalschaltungen) werden auch "**p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET**" verwendet, bei dem Löcher die Strom-bildenden Ladungsträger sind. In der Simulation rechts ist diese Art des MOSFET gezeigt. Am deutlichsten ist, dass bei der Verschaltung des p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET in der Regel Drain und Source vertauscht wird. Damit werden die Zahlenwerte von $U_{DS}$ und $I_D$ im Ausgangskennlinienfeld negativ. Um Löcher im p-Kanal anzureichern muss eine negative Spannung am Gate $U_{DS}<0$ anliegen.
 In der <imgref pic2> sind die Schaltsymbole verschiedener Varianten von MOSFETs dargestellt. In den MOSFETs der oberen Zeile wird ein n-Kanal zum Ladungstransport ausgebildet, in der unteren ein p-Kanal.
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-===== 2.8 Anwendungen =====
+===== 2.8 Anwendungen für Bipolartransistoren  =====
-==== Bipolartransistoren ====
+====Darlington-Transistor====
-===Darlington-Transistor===
+<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUIosgCgAXEbBFEFPPJwz9zycEAFoU0SpDKRChbABYiKGZBlRohBDLzSZ2QmASTiM5WDi0ATkyXgMVXMpQKoXSQloBnS-cd22HJ-wAzAEMAGzcAU3MQI04wMFYYtkd+MFoAd2iNJjRMzmw8YwZosFsrRJ8UoWxoFD08WXFiBBtiZlYYLDlsNvqwYkgWJBM6DJ0eDFYxpOURrh5HRIcZ9Nzp1d4oFbbfPKsN1IAlVbiErLx+C+j+JEuYVwBzVfzlRMUL2kf4vILwdiv3o5fcDxX6cc7+K7UW6iFZApagnabRjgnxAioCQTVBzNBAmOTaAgTcgdDBdbBgbp4DCQbBoYymDJonJon6pCxAk4I+EpdzgKgKFKlGZOYJhSLsqh9VglNiKJxyETNWjYal8zwgFFWCAAtVS3WEW6Qm7+GFHVE2dVgIwQuXGi4wlX8KY+GQy1H+WgAD18SBY0TUFCQ9mUABEgmYQgBLAB293oAHto4IAMrhegAVwADrQgA 800,500 noborder}}
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 </WRAP>
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-===Innenleben eines Operationsverstärkers ===
+====Innenleben eines Operationsverstärkers ====
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 </WRAP>
 Der Operationsverstärker als "fast idealer" Differenzspannungsverstärker stellt ab dem nächsten Kapitel eine zentrale Komponente der elektronischen Schaltungstechnik dar. Im Kapitel [[elektronische_schaltungstechnik:1_grundlagen_zu_verstaerkern#rueckkopplung|Grundlagen zu Verstärkern - Rückkopplung]] wurde bereits ein idealer Differenzspannungsverstärker genutzt. In der Simulation rechts ist der Kern des Differenzspannungsverstärker vereinfacht dargestellt. Dementsprechend ist auch keine Differenzspannung am Eingang zu sehen, sondern eine kleine sinusförmige Spannung. Diese liegt zunächst an der Basis des ersten Bipolartransistor, welche eine hochohmige Eingangsverstärkerstufe darstellt. Der dadurch geregelte Strom $I_C$ führt wiederum auf eine Basis eines weiteren Bipolartransistors und danach auf die Ausgangsverstärkerstufe. In der Simulation erreicht dieser Aufbau eine Differenzverstärkung von etwa $A_D=10'000'000$. In realen Differenzspannungsverstärker liegt dieser eher im Bereich $A_D ≈100'000$. Details sind in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker#Herk%C3%B6mmlicher_Operationsverst%C3%A4rker_(VV-OP)|Wikipedia unter Operationsverstärker]] zu finden.
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+===== 2.9 Anwendungen für Feldeffekttransistoren =====
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+==== NOT Gatter ====
-==== Feldeffekttransistoren ====
+So gut wie alle Consumer-Elektronik Produkte sind im Kern aus Feldeffekttransistoren aufgebaut. In Detail wird dabei auf die [[https://de.wikipedia.org/wiki/Complementary_metal-oxide-semiconductor|CMOS-Technologie]] (CMOS: Complementary metal-oxide-semiconductor) zurückgegriffen. Dabei verhalten sich die MOSFETs auf der Seite zu Masse und die MOSFETs auf der Seite zur Spannungsversorgung gerade gegensätzlich, also komplementär. In der Simulation rechts ist das einfachste Gatter, das NOT-Gatter, dargestellt. Ein weiteres Gatter wurde einführend betrachtet.
-=== NOT Gatter ===
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.000005+10.20027730826997+63+5+43%0Af+144+448+176+448+32+1.5+0.02%0Af+144+352+176+352+33+1.5+0.02%0Ar+128+400+48+400+0+1000%0Ag+176+496+176+512+0%0AR+176+304+176+272+0+0+80+5+0+0+0.5%0Aw+128+448+144+448+0%0Av+48+496+48+400+4+5+40+5+0+0+0.33%0Aw+176+496+48+496+0%0Aw+176+496+176+464+0%0Aw+176+400+176+432+0%0Aw+128+448+128+400+0%0Aw+128+400+128+352+0%0Aw+128+352+144+352+0%0A207+176+400+208+400+4+OUT%0Aw+176+304+176+336+0%0Aw+176+368+176+400+0%0A207+48+400+16+400+4+IN%0A403+48+560+176+592+0+16_64_0_4098_5_0.1_0_2_16_3%0A403+48+608+176+640+0+13_64_0_4098_5_0.1_0_2_13_3%0Ax+18+581+30+584+4+12+IN%0Ax+5+626+30+629+4+12+OUT%0A 500,600 noborder}}
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-Sogut wie alle Consumer-Elektronik Produkte sind im Kern aus Feldeffekttransistoren aufgebaut. In Detail wird dabei auf die [[https://de.wikipedia.org/wiki/Complementary_metal-oxide-semiconductor|CMOS-Technologie]] (CMOS: Complementary metal-oxide-semiconductor) zurückgegriffen. Dabei verhalten sich die MOSFETs auf der Seite zu Masse und die MOSFETs auf der Seite zur Spannungsversorgung gerade gegensätzlich, also komplementär. In der Simulation rechts ist das einfachste Gatter, das NOT-Gatter, dargestellt. Ein weiteres Gatter wurde einführend betrachtet.
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-=== Verpolschutz ===
+==== Verpolschutz ====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.0005+0.575460267600573+50+5+50%0Af+400+144+400+96+33+1.5+0.02%0Ag+400+192+400+208+0%0Aw+384+96+272+96+0%0Aw+448+96+512+96+0%0A368+512+96+560+96+0+0%0AR+272+96+224+96+0+2+40+5+0+0+0.5%0A368+272+96+272+64+0+0%0Ag+512+176+512+208+0%0Ab+330+48+450+230+0%0Ab+196+46+306+230+0%0Ax+202+256+308+259+4+12+Externe%5CsVersorgung%0Ax+358+257+426+260+4+12+Verpolschutz%0Ax+482+258+591+261+4+12+interner%5CsVerbraucher%0Ab+472+49+578+231+0%0Ax+200+271+294+289+4+12+(richtig%5Csund%5Csfalsch%5C%5Cn%5Csverpolt)%0A403+208+-48+288+48+0+6_1_0_4098_5_6.4_0_2_6_3%0A403+464+-48+560+0+0+4_1_0_4098_5_6.4_0_2_4_3%0Aw+416+96+448+96+0%0Ar+400+144+400+192+0+10000%0Ar+512+176+512+96+0+1000%0A 600,500 noborder}}
+Viele Chips (wie z.B. Microcontroller) können durch eine falsch gepolte Spannungsversorgung zerstört werden. Eine batteriebetriebene Elektronik sollte dafür eine aktive Schutzschaltung haben. Eine Diode ist bei der Spannungsversorgung nicht praktikabel (warum?). Stattdessen kann ein MOSFET genutzt werden, der negative Spannungen nicht durchlässt. Details sind auf der [[http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz|Seite von Lothar Miller]] gut erklärt.
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-Viele Chips (wie z.B. Microcontroller) können durch eine falsch gepolte Spannungsversorgung zerstört werden. Eine batteriebetriebene Elektronik sollte dafür eine aktive Schutzschaltung haben. Eine Diode ist bei der Spannungsversorgung nicht praktikabel (warum?). Stattdessen kann ein MOSFET genutzt werden, der negative Spannungen nicht durchlässt. Details sind auf der [[http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz|Seite von Lothar Miller]] gut erklärt.
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-=== Pegelwandler ===
+==== Pegelwandler ====
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-</WRAP>
 Bei der Elektronikentwicklung kann es vorkommen, dass mehrere integrierte Schaltkreise (z.B. intelligenter Lichtsensor, Mikrocontroller, intelligente LED) unterschiedliche Spannungsniveaus benötigen. Dies kann insbesondere beim Datenaustausch zu Problemen führen, wenn logic High in einem bestimmte Spannungsbereich liegen muss. Dieses Problem kann ein Pegelwandler lösen.
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 Für den Levelconverter kann jeder n-Kanal enhancement MOSFET genutzt werden, dessen Schwellspannung unter $1,8…2,0 V$ liegt. Diese Grenze ist auf den Mindestlogikpegel von $2,0 V$ für logisch High zurückzuführen. Der Einfachheit halber werden "logic level enhancement mode MOSFET" eingesetzt, welche gerade für die Logikspannung von $3,3V$ optimiert sind.
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+</WRAP>
 Die Funktionsweise ist auf [[https://de.wikipedia.org/wiki/Pegelumsetzer|Wikipedia]] gut erklärt und kann sich mit der Simulation hergeleitet werden.
@@ Zeile 362: / Zeile 379: @@
-=== Spannungsverdoppler/-invertierer ===
+==== Spannungsverdoppler/-invertierer ====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.0000020000000000000003+0.3638846248353525+43+2+50%0AR+416+176+480+176+0+0+40+1+0+0+0.5%0Ac+112+128+112+208+0+0.00001+0.5541124934439857%0AR+336+96+336+48+1+2+10000+5+0+0+0.5%0Aw+368+240+416+240+0%0Aw+112+208+112+224+0%0Aw+112+112+112+128+0%0Aw+368+176+416+176+0%0Aw+368+176+368+128+0%0Aw+368+176+368+208+0%0Aw+288+112+304+112+0%0Aw+288+224+304+224+0%0Ac+544+96+544+144+0+0.00001+1.2750510362212901%0Ag+544+144+544+160+0%0Ar+704+96+704+144+0+50000%0Ag+704+144+704+160+0%0Aw+112+112+176+112+0%0Aw+176+112+224+112+0%0Aw+224+224+176+224+0%0Aw+176+224+112+224+0%0Ap+608+96+608+144+1+0%0Ag+608+144+608+160+0%0Aw+480+96+544+96+0%0Aw+544+96+592+96+0%0Aw+592+96+608+96+0%0Aw+608+96+672+96+0%0Aw+672+96+704+96+0%0Aw+272+112+288+112+0%0Aw+272+224+288+224+0%0Aw+368+96+480+96+0%0AR+416+240+480+240+0+0+40+0+0+0+0.5%0Ab+263+26+400+283+0%0Aw+224+224+272+224+0%0Aw+224+112+272+112+0%0Ax+274+309+397+312+4+18+voltage%5Csdoubler%0Ap+176+112+176+224+1+0%0Ap+176+112+176+224+1+0%0Ax+503+125+526+128+4+18+C2%0Ax+71+173+94+176+4+18+C1%0Ax+669+127+692+130+4+18+RL%0Ax+439+173+462+176+4+18+U1%0Ax+439+237+462+240+4+18+U2%0A160+304+224+368+224+0+20+10000000000%0A160+304+112+368+112+0+20+10000000000%0Aw+336+96+304+96+0%0Aw+304+96+304+208+0%0Aw+304+208+336+208+0%0A403+528+16+656+80+0+19_1_0_4098_1.992_0.0001_1_1%0Ao+35+1+0+4098+2.5+0.1+0+3+19+0+19+0%0A 800,400 noborder}}
+Als Energieversorgung für Elektronik wird häufig $5V$ oder $3,3V$ verwendet. Im folgenden Kapitel werden wir sehen, dass für Operationsverstärkerschaltungen häufig eine bipolare Spannungsversorgung genutzt wird. Um aus einer Versorgung mit $5V$ auch $-5V$ bei geringen Strömen erzeugen zu können, werden häufig [[https://de.wikipedia.org/wiki/Ladungspumpe#Spannungsverdopplung|Ladungspumpen]] genutzt. Eine solche ist rechts in der Simulation zu sehen. Im Oszilloskop (in der Simulation unten) wird die Spannung $U_{C1}$ am Eingangskondensator C1 und $U_{C2}$ am Speicherkondensator C1 angezeigt. Diese Schaltung ist z.B. im IC [[https://www.renesas.com/eu/en/www/doc/datasheet/icl7660.pdf|ICL7660]] (Renesas), [[https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmc7660.pdf|LMC7660]] (TI), [[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21465C.pdf|TC7660]] (Microchip) integriert. Details zur Funktionsweise sind z.B. in [[https://www.youtube.com/watch?v=85CCafHIbA4|diesem Video]] zu finden.
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.0000020000000000000003+0.3638846248353525+43+2+50%0AR+416+176+480+176+0+0+40+1+0+0+0.5%0Ac+112+128+112+208+0+0.00001+0.5541124934439857%0AR+336+96+336+48+1+2+10000+5+0+0+0.5%0Aw+368+240+416+240+0%0Aw+112+208+112+224+0%0Aw+112+112+112+128+0%0Aw+368+176+416+176+0%0Aw+368+176+368+128+0%0Aw+368+176+368+208+0%0Aw+288+112+304+112+0%0Aw+288+224+304+224+0%0Ac+544+96+544+144+0+0.00001+1.2750510362212901%0Ag+544+144+544+160+0%0Ar+704+96+704+144+0+50000%0Ag+704+144+704+160+0%0Aw+112+112+176+112+0%0Aw+176+112+224+112+0%0Aw+224+224+176+224+0%0Aw+176+224+112+224+0%0Ap+608+96+608+144+1+0%0Ag+608+144+608+160+0%0Aw+480+96+544+96+0%0Aw+544+96+592+96+0%0Aw+592+96+608+96+0%0Aw+608+96+672+96+0%0Aw+672+96+704+96+0%0Aw+272+112+288+112+0%0Aw+272+224+288+224+0%0Aw+368+96+480+96+0%0AR+416+240+480+240+0+0+40+0+0+0+0.5%0Ab+263+26+400+283+0%0Aw+224+224+272+224+0%0Aw+224+112+272+112+0%0Ax+274+309+397+312+4+18+voltage%5Csdoubler%0Ap+176+112+176+224+1+0%0Ap+176+112+176+224+1+0%0Ax+503+125+526+128+4+18+C2%0Ax+71+173+94+176+4+18+C1%0Ax+669+127+692+130+4+18+RL%0Ax+439+173+462+176+4+18+U1%0Ax+439+237+462+240+4+18+U2%0A160+304+224+368+224+0+20+10000000000%0A160+304+112+368+112+0+20+10000000000%0Aw+336+96+304+96+0%0Aw+304+96+304+208+0%0Aw+304+208+336+208+0%0A403+528+16+656+80+0+19_1_0_4098_1.992_0.0001_1_1%0Ao+35+1+0+4098+2.5+0.1+0+3+19+0+19+0%0A 800,400 noborder}}
 </WRAP>
-Im Oszilloskop (in der Simulation unten) wird die Spannung $U_{C1}$ am Eingangskondensator C1 und $U_{C2}$ am Speicherkondensator C1 angezeigt. Deatils dazu sind z.B. in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Ladungspumpe#Spannungsverdopplung| Wikipedia zur Ladungspumpe]] zu finden.\\
 Lernfragen:
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-=== Spannungsinvertierer im Mikrocontroller ===
+==== Spannungsinvertierer im Mikrocontroller ====
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-</WRAP>
 In manchen Mikrocontrollern wird intern eine negative Spannung (z.B. für Operationsverstärker) benötigt.
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 In der Simulation rechts ist eine Schaltung dargestellt, die so in einen Mikrocontroller integrierbar ist. Der Ringoszillator generiert dabei eine hochfrequentes Taktsignal, welches eine Inverterstufe (logisches NOT-Gatter) ansteuert. Über die beiden Kondensatoren kann dann die Ladung so heruntergeschaufelt werden, dass der Kondensator am Ausgang eine negative Spannung bereitstellt. Weiterführende Informationen sind in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Ladungspumpe#Spannungsinvertierung|Wikipedia unter Ladungspumpe]] und unter "[[http://www.righto.com/2018/08/inside-die-of-intels-8087-coprocessor.html|Inside the 8087's substrate bias circuit]]" zu finden.
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+</WRAP>
 ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-=== Vierquadrantensteller ===
+==== Step-Down-Converter ====
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+Bisher wurde eine Spannungserhöhung über das gepulste Laden von Kondensatoren beschrieben. Es gibt auch Anwendungen, bei denen Leistung von einer höherer Spannung auf eine geringere Spannung transferiert werden muss. Ein Beispiel hierbei ist ein System mit einem Microcontroller, welcher $5V$ benötigt um schnell rechnen zu können und einem Sensor, welcher mit $3.3V$ versorgt werden muss.
+Eine Lösung dafür ist die Verwendung einer Halbbrücke und einem Tiefpassfilter 2. Ordnung (LC-Filter). Diese Schaltung wird Tiefsetzsteller (engl. Step-Down-Converter oder Buck-Converter) genannt. Für die praktische Anwendung gibt es ICs (z.B. die [[https://www.diodes.com/assets/Datasheets/AP62200_AP62201_AP62200T.pdf|AP62xxx]]-Reihe oder [[https://www.mouser.de/datasheet/2/802/dimi_s_a0009242596_1-2295138.pdf|DIO6012B]]) in denen bereits die Leistungselektronik (Transistoren) mit der Steuerelektronik verbaut ist. Es müssen für eine Anwendung nur noch die Passivkomponenten (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten) ausgelegt werden.
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 </WRAP>
+Lernfragen:
+  * Warum kann hier nicht einfach ein Spannungsteiler genutzt werden?
+  * Warum wird kein RC- oder RL-Filter genutzt?
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+==== Vierquadrantensteller ====
 Bei vielen Anwendungen müssen Strom und Spannung unabhängig voneinander gesteuert werden. Dies ist beispielsweise bei einem Motor (= ohmsch-induktive Last) der Fall. Dort ist der Strom im wesentlichen proportional zum Drehmoment und die Spannung von der Drehzahl. Sollen hierbei Spannung und Strom bipolar ausgegeben werden (bzw. in der Anwendung: Drehmoment und Drehzahl in beide Richtungen geregelt werden), so bietet sich ein Vierquadrantensteller aus Transistoren an. In modernen integrierten Schaltkreisen sind diese aus MOSFETs aufgebaut, direkt mit dem MOSFET-Treiber versehen und mehrere Vierquadrantensteller nebeneinander zu finden (z.B. dem Schrittmotortreiber[[http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8835.pdf#page=9|DRV8835]]).
 Details sind auf [[https://de.wikipedia.org/wiki/Vierquadrantensteller|Wikipedia unter Vierquadrantensteller]] zu finden.
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCBMCmC0DsIAMA6SA2J8DMAWek8Y2SAnBvIgKxIhV1IBQAZlFelASCbp5MuBT1USSIwBK3JLzCYpMsP1q1ctYQNRVGAd3nhyeyJF5NdPKMcPtkjAOaGAHA73ZsHJpMhPu-Y7Wz8EIFIISFQQuHqqLiMbs7mRrx+FiY2AJJQ3gHcbj4aKKJ0sejO7LSJIOiqKRp2dHJepXKu7jr15ZZlbK26XWAGXRUe7eByfYoaINVRyEIsdAaE-INctGARImIANlNhFbi4zkOzIfywm4RuuIpU8Og0B2BaAE5ThzVUE8dgjAAmORxGgDulAQL9oMwAIYAVy2ABc-nQvPplsjZOUwRCYfDEVRkUC8UdrPxwVDYQjeg1vITMs5TCNINYaYyeiN+qjnOybJS1mM0XJ6Z9fJ0GpZ6S0QQlrOLckCEt5BYsuJgjqtYvAVHtLBKKhBlIxIFhgdk4nleABLAB2ADcADoAZwAKpCANYU2l5IFVbke70BWjepiGxAqviVapLKYgZ1ug1G-3h7h4xO8GMI4MgyOG1X8C02h1ptoJbWysXzFngO56MBV1yCYQFMQZis1wFITlVvN2p2uhGsUOttm17D1k5No0DqtVNad6O9ou5LnmLkyjjo6sCxESpeLhqYsk4gD2lXAAlUpE5AZQqV4dNPa24jGPhHvu1IiDAygK9CCnEfQA 800,500 noborder}}
+</WRAP>
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+==== Rückkoppelschaltungen mit Transistoren ====
-====== Aufgaben ======
+Mit zwei Transistoren kann eine sogenannte **Astabile Kippstufe** erstellt werden (siehe folgende Schaltung). Bei dieser sind zunächst beide Kondensatoren entladen. Um die Schaltung zu verstehen wurde durch den offenen Schalter $S$ die Kopplung beider Teile der Schaltung getrennt. Wird nun die Simulation gestartet, so geschieht diese Abfolge:
+  - Es fließt ein Basis-Strom $I_B$ über $Q1$, da $U_{BE}$ im Bereich $0.6V$ liegt.
+  - Damit wird $C2$ auf ca. $5V-0.6V$ aufgeladen.
+  - In dieser Situation nähert sich die Spannung am Knoten $K2$ $5V$ und am Knoten $K1$ $0V$.
+  - $C1$ ist damit auf $5V$ aufgeladen.
-  * TFT-Bildschirm
+Wird nun der Schalter $S$, dann stellt der Kondensator $C1$ Strom für die Basis von $Q2$ bereit. Damit schaltet $Q2$ durch, womit die Spannung in Knoten $K2$ abrupt fällt. Durch den aufgeladene Kondensator $C2$ wird damit auch die Spannung an der Basis von $Q1$ nach unten gezogen, womit der Transistor $Q1$ öffnet. Damit sind nun die Situationen 1. und 2. in der obigen Abfolge für den Transistor $Q2$ wahr. D.h. die Situation hat sich gerade umgedreht. Da jeweils durch den durchgeschalteten Transistor dessen Kondensator an der Basis entladen wird und der entgegengesetzte aufgeladen wird, wechseln sich die Transistoren beim Durchschalten ab.
+<WRAP>
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWEAOaAmZYCcB2BzkcBmLUhJBSECqhAUwFowwAoAJ3DDRCwDZPuYHPypEikdiDSRkPftNlCR4SNMkZZfKQXDCoKtRyLIALHJDGzS-UTUBjAbvkyn+mPEhhZ7z1FieWB0tXDVcqHzgvP0jogIB3C1NXYLQTcJYAF21ZNAR+FLz9CHCVKgATOgAzAEMAVwAbDJYE1KoFbKlCiRada3bckUypFwHHUapiorgQCpqGpoTmQT0lqTSoFgAlRy1Vk299daQSmAQWAHMxnEEuC0gzdMuU68SzcQeNgA9wBCwpW6EfzQYCQVn4AGFWN8iEJ-kQLEQcP9+GCQOC0CxvsgkGheBNIPJePDUQBFKEWLBtX4gEzMKS8bikjFpeHYbj9VJrEpYAD6Ax5kB5tNUPLA6AQAugYB5TD5PN5RBYLKkL3a7y5+mQfLyAqFYBFMBhuUlJhl0rQPK1iuVtgmGAsCEEeP0Eq4WsFwotEpgptlXp51sgrJMVnt1jAzqoprdus9PO9UrNctNiu27S07X2bhptGzpy2HQzOizJSOeegZ22wS0wRLh1zJwrLAAzsNFHpWm2iiAavVm3RMVJxLogesvIzwPwAMqDnBI5hIZgTKKozZi8lCG5maSL2GrsUY765G447GcWSrtDoQdEEx-ZhvZA3JGXqWD-Wss9cCBeC9rEAAPI3jgVhJCQgiEDS-5Ad8c7gGeuzFpOIAANLkiQ86YDSEbwWYqIoRiAD2KggLwZgopApAoNApiUQgRrSHehDeP4vhtCASK8CwxF-GR9ZUVexywLk4BSDwFgsEAA 800,500 noborder}}
+</WRAP>
+Diese eher abstrakte Schaltung hat diverse Anwendungen. Eine besondere ist in der folgenden Simulation dargestellt und wird gelegentlich im Internet referenziert (z.B. auf [[https://www.mikrocontroller.net/topic/325889|Mikrocontroller.net]]. Hierbei handelt es sich um eine Schaltung, mit welcher per Ultraschallsender und -empfänger der Abstand zu einem Ultraschall-reflektierenden Gegenstand ermittelt werden kann. Auf der linken Seite ist der Ultraschall-Empfänger zu sehen, welcher über einen Schwingkreis repräsentiert werden kann. Gleiches gilt für den Empfänger auf der rechten Seite. Beide Transistoren sind durch einen Kondensator verbunden, dessen eines Potential über ein Potentiometer eingestellt werden kann (siehe auch Slider "Spannungsteiler"). Zunächst scheint die Schaltung nicht vollständig mit der obigen Schaltung übereinzustimmen. Jedoch gibt der Sender auch Energie an den Empfänger und koppelt so mit diesem. Damit wirkt auch wieder eine Gegenkopplung - in der Simulation kann über das Schließen des Schalters $S$ die Kopplung aktiviert werden.
+Hinweis: Die Kopplung über Luft, Sender und Empfänger sind nur rudimentär umgesetzt (speziell die Übertragung, Dämpfung und die Impedanzen von Sender und Empfänger).
+<WRAP>
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCBMCmC0Ac4AMA6SSmQOxYMxPkgDYBOErEAViSpABZcq4wwAoAFxBKKgPCJrpENCDREYQAZwAOASwDGcACbQAZgEMArgBt2rAO78RAo+BKQQSA6bAnupq-K48hzqHTFQ0GH77+44EksULAtUUNYAczdsC3tIeGFLKNNISDpUxMtkgCVTe1saIgzPD1pPVEpWACcYvgKTGlwSH1YwLAzCtzBzcDpOqGoJVDSEv3GkRgBlaXUAOznNOcjJdmhZbWhq1icei1d0wT5BbwnxmAQQXBRcCmvbjncjxASX4-Bs8RoZBWU1LV01leZn2WS6VkMwK6hwcNSeqTKrholAErVqUJMwPsgnQVjyWJcWWKn3oyJJlRSwLSGSpWTEOyuuB4e0ZLnS2UgpzOvgCsCC10QAusuAsHia+2OwoliHikuiuCZUFCrKgdOSkLBvQVzN6jlMYrcBpEzAg11NKDYtW1pOeNuyYFahgNLINRuszq1ipZVgARiA8FBbOB2kqgr6rmBKGY7pQgtgeOHYERBSiqEgMnRKKJWAAPehxsjgW5XSCMTqIACqUwAOpJq9W5gBRAC20lUABPlltc1ckHcelcSFGRaLwJWa5IptA5iptnmkxZmvseHQg+WQAARdut1RLSK1+szzTVeQAC1rABlNKo9LcRL0wAkQbxEKJkug7tL+M+Mo3ZMt5n3SQWzbTtIm7D87RdIN2hXEAAEFNEkSJANrKcZ27DxGFgOhX0fEB4BELAE0ZAB9YpSKQUic3gfAwGgSiUBRXA6BIWiPH6LN4CISBGJ8MBSNgATeNQATYFxUiFUkvifFYsh5IUxSiEo1gsKuZNg1FApiOyFjyLoSjqNopB6NIygmMwLNV0oXBqDADx4BkkzBOE0iRMkgzcCc9NFN8hTlKsSQVVdCQjQ+DRtEkaAe1sig6DSdSgniqN1ymd0JBdApdVYP0syjSgLCTYdmmSedKDuEUoEYBUUrHEApjPdRdD3VgWJAVR9CUaoAHtpGrABHVATI+IbfDfMAbjIUs6GKEhbMSAgkjYJQXygkwDQsDqut6gahrYbQYjKeJlRoeAUG5Px6NgChOSGC6MDoOAbos+6Hqe1gDutakVVibIztejArooUaMGB86fCwOFKoNewwodDAodFCRoeJL5WnlUViWhwjPlal5GAAMXGnw0xJoTN23Ns90va89CAA 800,500 noborder}}
+</WRAP>
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+===== Weiterführendes =====
+==== realer Aufbau von (Bipolar)Transistoren ====
+Die konzeptionelle Darstellung eines modernen Bipolartransistors ist z.B. in [[https://web.eecs.utk.edu/~azeumaul/courses/ee531/fall2019/lecturenotes/ECE531-Fall-19-Lecture-15-BJT%20Temporal%20Response.pdf#page=2|diesem]] Skript der University of Tennessee zu sehen. Dort ist in der Skizze eine einzelne Transistorzelle abgebildet, welche durch sog. Trenches (zu deutsch {{wpde>Grabenisolation|Graben}}) abgetrennt ist. Ein Querschnitt eines realen Transistor ist in [[https://www.ihp-microelectronics.com/php_scripts/publications/full_text_final_files/ruecker_sige-hbt-book-11-2018.pdf#page=13|diesem]] Paper des Leibniz Institut zu finden.
+Typische Vertreter von Bipolartransistoren sind BC857 (PNP) und BC846 (NPN).
+==== Weitere MOSFET Anwendungen====
+MOSFETs werden nicht nur zum reinen Schalten von Strömen genutzt. Weitere Anwendungen sind auch:
+  - als Anzeige-Element in TFT-Bildschirmen ({{wpde>Dünnschichttransistor|TFT ... Thin Film Transistor}})
+  - als Speicherelement z.B. in SD-Karten ({{wpde>Floating-Gate-Transistor}}, oder auch neue Ansätze, wie {{wpde>Ferroelectric_Random_Access_Memory}})
+  - als integriertes "Vorschaltelement" für Leistungs-Bipolartransistoren, speziell im {{wpde>Bipolartransistor_mit_isolierter_Gate-Elektrode}} (IGBT)
+  - als chemischer Sensor für diverse Materialien (siehe {{wpde>Chemisch_sensitiver_Feldeffekttransistor}})
+  - als Bindeglied zwischen Photonik/Optoelektronik und klassischer Elektronik
+==== Andere Arten von elektronischen Schaltern ====
+Um größere Ströme steuern zu können werden häufig MOSFET und Bipolartransistor kombiniert: der Bipolartransistor kann dabei die großen Ströme schalten und der MOSFET stellt den Steuerstrom für den Bipolartransistor bereit. Prinzipiell ähnelt die Schaltung dann einem Darlingtontransistor, bei dem ein MOSFET einen Bipolartransistor steuert. In der praktischen Umsetzung sind beide Transistoren auf dem gleichen Substrat ineinander verschachtelt. Dieser Transistortyp wird [[https://de.wikipedia.org/wiki/Bipolartransistor_mit_isolierter_Gate-Elektrode|IGBT]] genannt. Einige Automobilhersteller nutzen diesen in Elektrofahrzeugen zur Wandlung der Batterie-Gleichspannung in eine Wechselspannung für den Motor. Dazu werden Halbbrücken verwendet; ein Beispiel für eine solche ist die von Bosch entwickelte IGBT-Halbbrücke:
+{{elektronische_schaltungstechnik:bosch_automotive_electronics_-_igbt_half_bridge_for_h_ev_inverters.mp4}}
+Neben den IGBTs kommen mit neuen Materialien wie {{wpde>Galliumnitrid#Einsatzgebiete|GalliumNitrid}} und {{wpde>Siliciumcarbid#Halbleitermaterial|Siliciumcarbid}} auch neue Komponenten in den Fokus. Dabei wird der MOSFET zum {{wpde>Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor}} (MESFET) abgewandelt: Bei diesem wird ein leitfähiger Bereich (Kanal) durch eine Sperrschicht eingeschnürt. Die Sperrschicht entsteht hier direkt durch Kontakt des metallischen Gate Anschlusses mit dem Halbleiter. Der Kontakt entspricht gerade einer Schottky-Diode. In der Praxis wird das Konzept zum {{wpde>High-electron-mobility transistor}} weiterentwickelt, da diese sowohl hohe Spannungsfestigkeit, als auch hohe Stromtragfähigkeit versprechen.
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+====== Übungen ======
+<panel type="info" title="Aufgabe 2.8.1: Strom-/Spannungs-/Leistungsbegrenzung"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+Stellen Sie sich von, Sie arbeiten in der Firma "Mechatronics and Robotics" und versichen ein IoT Gerät für Fahrzeuge zu entwickeln. \\
+Dieses Gerät soll die Energie aus einer $12V$-Batterie beziehen um zyklisch Informantionen über WLAN zu übermitteln. Der WLAN Chip benötigt $3.3V$ Versorgungsspannung und zieht bis zu $800mA$ an Strom sobald er Daten überträgt.
+Für die Versorgung soll ein Linearregler genutzt werden. Konkret soll ein LM317 Regler verwendet werden. Ein Linearregler agiert als geregelter Widerstand, welcher seinen Spannungsabfall gerade so einregelt, dass eine vorgegebene, konstante Spannung an seinem Ausgang entsteht. Diese Ausgangsspannung kann über einen Spannungsteiler eingestellt werden.
+  - Analysieren Sie das [[https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf|LM317 Datenblatt]] um herauszufinden, ob der LM317 für folgenden Arbeitspunkt geeignet ist:
+    - Eingangsspannung $V_{I,max}=14V$,
+    - Ausgangspannung $V_{O}=3.3V$ und
+    - Ausgansstrom $I_O=0.8A$.
+  - Wenn der Linearregler als Vorwiderstand agiert: wie kann dann die Verlustleistung $P_{loss}$ berechnet werden?
+  - Durch die Verlustleistung $P_{loss}$ steigt die Temperatur des ICs. Die Verlustleistung wird sich im PN-Übergang generiert. Dadurch entsteht ein Temperaturgefälle $T_{Jx}$ zwischen dem Übergang (engl. **__j__**unction) und der Umgebung. Der IC wird auf eine Platine gelötet, entsprechend ist das Temperaturgefälle $T_{JB}$ zwischen Übergang und der Platine (engl. **__B__**oard) hier am wichtigsten. Dieses Temperaturgefälle kann wiefolgt berechnet werden:  $\Delta T_{JB}= T_{J} - T_{B} =R_{\theta JB}\cdot P_{loss}$, wobei $R_{\theta JB}$  der thermischen Widerstand (= Hemmung des Wärmeflusses) zwischen PN-Übergang und der Platine darstellt.
+    - Suchen Sie die thermischen Informationen des LM317 in im Datenblatt und berechnen Sie die maximale Temperatur des PN-Übergangs $T_{J}$, wenn die Platinentemperatur $T_{B}=30°C$ vorgegeben ist.
+    - Welcher Chipgehäusetype (engl. package) des ICs kann genutzt werden, damit die Betriebstemperatur am PN-Übergang $T_J$ nicht über die empfohlenen Betriebsbedingungen (engl. recommended operating condition, siehe Datenblatt) hinausläuft?
+</WRAP></WRAP></panel>
+<panel type="info" title="Aufgabe 2.10.1: Betafaktor eines BJT"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+  - Ein Bipolartransistor (engl. bipolar junction transitor, BJT) regelt den Strom durch eine Last. Es ergibt sich ein Kollektorstrom $I_C = 398 mA$ und ein Basisstrom $I_B= 2 mA$. Welchen Wert hat die Stromverstärkung $\beta$?
+  - Ein häufig genutzter Bipolartransistor ist der BC847, welcher von verschiedenen Herstellern gekauft werden kann. Es soll das Datenblatt {{circuit_design:bc847_ser.pdf|BC847 - Nexperia}} verwendet werden. Was ist der benötigte Basisstrom $I_B$, wenn ein Kollektorstrom $I_C=2mA$ über den Transistor fließen soll? Berechnen Sie $I_B$ für alle 3 Arten des BC847 Transistors im Datenblatt.
+</WRAP></WRAP></panel>
+<panel type="info" title="Aufgabe 2.10.2: Spannungsberechnung"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+Es soll untenstehende Schaltung (zunächst mit den darin angegebenen Werten) gegeben sein.
+  - In Fall $1$ ist der Basisstrom mit $I_{B,1}=50\mu A$ und die Stromverstärkung $\beta_1=150$ gegeben. \\ Berechnen Sie den Spannungsabfall $U_{L,1}$ an der Last $R_L$ und die Spannung $U_{CE,1}$.
+  - Im Fall $2$ wird ein Basisstrom $I_{B,2}=250\mu A$ benötigt.
+    - Berechnen Sie dafür als erstes $U_{BE,1}$ in der ersten Situation. $U_{BE}$ wird nun als konstant angenommen ($U_{BE}=U_{BE,1}=U_{BE,2}$).
+    - Berechnen Sie den benötigten Wert für $R_{B,2}$.
+    - Starten Sie die Simulation und setzen Sie $R_B$ zu dem berechneten Wert. Versuchen Sie $\beta_2$ zu ermitteln. Warum ist dies nun nicht mehr gleich $\beta_1 = 150$?
+<WRAP>
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&hideSidebar=true&ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUgpABZsKBTAWjDACgA3cQqlGqsDxB4qo2lSRiYCNgHduVESBR9houcowo1IbHho7IbAE679OvQbA0DVbDzYAXXQm1hi2y+A9RwvgZQgACYMAGYAhgCuADaOGoK8-GYGfOryXqnJyvhQbNgYdmjenq7FfmnKqu6eRdW5pioGSo0KvngFNBgaLc1ahmwA5q2ZCcoIhP55hHhZYBgTNILg85P2My11aDN16gAetJjgRTZWKPQpBgBKbPs2SGC4tAj32OfgMwAyNyA4yxB49wwBisMwAyt8ENtCG5sG5CEgLiAAKoAHQAziiAI7ohAANW+sPoc082EBCPeIAAQgSloJ6LC4QtlAYAJLdKo+DZCIz7FAIchgM6aU5M1TXfJ2czWAxeUYQCqyoSylY82iPMCBOgTDVvVRs275cAIYi0GgmwTaEEgADC30wAthyjw5tJtAp1KAA noborder}}
+</WRAP>
+</WRAP></WRAP></panel>
+<panel type="info" title="Aufgabe 2.10.3: Low Side Switch und High Side Switch"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+Es sei die Schaltung in der Simulation unten gegeben. Die Transistoren hier werden "High Side Switch" bzw. "Low Side Switch" genannt, abhängig von der Spannung zu welcher diese schalten können. In den dargestellten Schaltungen kann jeder Transistor jeweils den Strom über einen Lastwiderstand von $10\Omega$ steuern. Als Eingangsspannung zur Basis / Gate soll ein logisches Signal mit den Spannungsniveaus von $0V$ und $5V$ genutzt werden.
+  - Erklären Sie die Vorteile von MOSFET im Vergleich zu Bipolartransistoren anhand dieser Anwendung.
+  - Ädern Sie die Spannung $VCC$ von $5V$ zu $15V$ durch den Schalter in der unteren linken Ecke. Sind die Transistoren immernoch fähig in allen Konfiguationen zwischen Kurzschluss und offener Leitung hin und her zu schalten?
+  - Wie könnte dieses Problem gelöst werden? Versuchen Sie die Bipolarschaltung des Low Side Switch als Treiberschaltung für den FET High Side Switch zu nutzen. Erweitern Sie dazu die Schaltung in der Simulation.
+<WRAP>
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsDMCBMAOAbNymwAWBTTQzAThBUxCUJToFMBaMMAKABdwx0R0hSOEKEBQqOGqwEuXJBRgUFAOwUCrPshUZ8mdPgpDIYFWLBwQAEyYAzAIYBXADZdu1FNnAqvn2qa9hNhBCaApwiPDCNTVwkBYEaAt4SEJ0MFUSCnRWKmTrOydXDgAnEXM8coFBSQsOAHMq9FkmlX5hSA4AJRBsMUFhFH4BqX4EeAFoJHQpyRgEUt7+iXZhiWFkzrKsfx8PLwDa+G6BUm8vZoO9iDGJmenZjqmG6mxaS9f3trnFv3Bsz4CFobTp-Ij9GoZYY1DocP5ggGEMAHAGw+FvEJDELIzHtKBwjHgkJ9f78Qgk2FlP4MfjUiiBcCdRp03wYhBaWE9FCebG+VK80Z0O6ze5zZ49VYhTDCaVSjYCIWWUWip4LRpEwj0qrsvFbKrGfUUxkcWy8MmyjWyrFgWbSk37AXUnHc8C2zoADxCSC16HSIDiyxAABkAPYAdwAOgBnADKAEsbNGY2G41wAMYACw4nvQ2AgWtE-AD4hAAAk4-UM0mE0wkyn01nPWwUOZRPEeaYxIGAEJxgAOIec9hKEYjADsuCV7GOo3Go1wQyVs-ElLT9O3GDR6CWALIAeRjADEAKIAFROLALJLYWGJYg6IQ2SAf8w4BhUVWRGzbfFoYgAagAwoBb6QB+YKVGCt4AcBoHgRiBron+IBASB776pYRLUihsHoSwJLkEEWKESEOEgT0l5eJqXg3n+WoPhIz5igsMbxARsqUXKcwgA4zhRkwkjoBwaSMCMZjiMICAIPewnoIwFggOJClSTJInEkg4nkkgKn4mpbAIFQmnYBpqlySuBmMsIWmWbpZn6VQQxWcZ1AGLZjD2XQ0nqZ5pnuWAFniR5OmdEAA noborder}}
+</WRAP>
+</WRAP></WRAP></panel>
+<wrap #EST_Aufgabe2104 />
+<panel type="info" title="Aufgabe 2.10.4: Einfacher Temperaturdetektor"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+Es soll die Schaltung unten gegeben sein. $R_2$ ist ein NTC Widerstand, der als Sensor das Überschreiten einer Grenztemperatur detektierbar machen soll. In der Schaltung kann die Temperatur über den Regler ''Temperature'' rechts geändert werden.
+  - Als Erstes soll der Reihenwiderstand vor der LED berechnet werden. Dazu kann der Spannungsabfall $U_{CE}$ am Bipolartransistor zunächst vernachlässigt werden. Die LED soll bei $10mA$ hell leuchten (das Leuchten startet etwa bei  $1mA$). Die Versorgungsspannung sei $U_S=5.0V$ und die Kniespannung der LED $U_{LED}=1.7V$.
+    - Was ist der ideale Wert für $R_D$?
+    - In der Simulation ist der Wert nicht korrekt. Welchen Effekt hat dies?
+  - Als Zweites soll das System für einen Detektion der Grenztemperatur von $T_0=50°C$ konzeptioniert werden.
+    - Die $R(T)$-Kennlinie des NTC $R_2$ ist im Diagramm unten dargestellt. Was ist der Wert von $R_2(T_0)$?
+    - Der Bipolartransistor soll für $U_{BC}=0.6V$ voll leitfähig sein. Welchen Wert muss $R_1$ haben?
+{{drawio>diagramtemperaturesensor}}
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsDMCBMAOAbNymwAWBTTQzAThARWpENoQFMBaMMAKADcQ2x0QKMr3YCwFAZCj0pSKfOgIOAJ0FiJakOgTZpYeJBXgs4Df0xbC88PA5hsYk+ivGLWNyAAmTAGYBDAFcAGwAXFiCmT3BpBUhOEJAKXRRIQldBVL1kHQB2dBQKGgRCbFIwTBzkbBTCijAchFT0Il19KW9-YJCOAHcRfkFhFAEhNMM+4cG08ymoXvTRhfR5eZnxEfVJecn1-s25vqSMtMmUse2RzNPlg80zzW1dQxRSu8y2ZMyVtClr35HhFI2nBBHg5DYFNptCAACpMAC2AAcmMo-CEAsomBwAB4ibBpdAUCxsQiVFIQAlpACqOJEpIyujYaAyVGmFgAyrTygSULRxLp8ro2SAACJc7CVdDQ7laEyUkAAJVpbElKWk+Vo8qVuKk+Qs+ksFPA+tpv1wNlBrONWmV9UEJGkLyNzkVHCAA noborder}}
+</WRAP></WRAP></panel>
 ====== Lernfragen ======
+=== zum Selbststudium ===
   * Beschreiben sie die Funktion eines Transistors
     * Skizzieren Sie den Schichtenaufbau eines Bipolartransistors. Erklären Sie das Durchschalten eines PNP-Bipolartransistors mit Hilfe der gezeichneten Skizze.
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     * Was ist ein Pegelwandler?
     * Warum werden heutzutage bevorzugt Feldeffekt-Transistoren und nicht Bipolartransistoren verwendet?
+=== mit Antworten ===
+{{elektronische_schaltungstechnik:transistor_frage.png}}
+<quizlib id="quiz" rightanswers="[['a2'],['a1','a2'], ['a0','a1']]" submit="Antworten überprüfen">
+<question title="Welche der folgenden Aussage(n) ist/sind mit Blick auf das Bild oben richtig?" type="checkbox">
+Der Transistor hat intern eine npn-Struktur.|
+Der Kollektoranschluss ist unten.|
+Es handelt sich um einen Bipolartransistor.|
+Um I_C fließen zu lassen, muss die  Spannung U_BE positiv werden.
+</question>
+<question title="Welche Aussage(n) zur Bipolartransistoren ist/sind korrekt?" type="checkbox">
+Der Strom I_C bzw. die Spannung  U_BC regelt den Stromfluss I_B.|
+Die Eingangskennlinie eines Bipolartransistors entpricht der einer Diode.|
+Nachteil des Bipolartransistors ist der kontinuierlich notwendige Stromfluss, im leitfähigen Zustand.|
+VCC steht für Voltage Common Connector.
+</question>
+<question title="Welche Aussage(n) zur MOSFETs ist/sind korrekt?" type="checkbox">
+MOSFET steht für den Aufbau des Feldeffekttransistors aus Metalloxid und Halbleiter.|
+Durch die Bodydiode wirkt der MOSFET in eine Richtung wie eine Diode.|
+Anreicherungstyp MOSFET sind mit $U_{GS} =0V$ leitfähig.|
+Bei n-Kanal MOSFETs sind Löcher die Strom-führenden Ladungsträger.
+</question>
+</quizlib>
+====== Bildreferenzen ======
 --> Referenzen zu den genutzten Medien #
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 ^ Element                                                       ^ Lizenz                                                                     ^ Link                                                                       ^
 | Video: Stromkreiselemente - Dioden und Transistoren - Teil 4  | [[https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/legalcode|CC-BY (Youtube)]]  | https://www.youtube.com/watch?v=KjyHta5p9WE                                |
+| <imgref picJ>: Funktion des npn-Bipolartransistors  | (c) Open Music Lab, mit Genehmigung der Weiterverwendung   | Quelle: Mail des Illustrators                               |
+| <imgref picP>: Funktion des MOSFETs  | (c) Open Music Lab, mit Genehmigung der Weiterverwendung   | [[https://www.crowdsupply.com/open-music-labs/mosfet-girl|CrowdSupply]]                               |
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