Unterschiede

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--- elektronische_schaltungstechnik:2_transistoren [2021/04/15 12:05]
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/1.4.3/xcontent5.html|KIT Brückenkurs - 4.3.6 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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-{{anchor:Transistor_im_Baendermodell}}
+<wrap #Transistor_im_Baendermodell />
 === Transistor im Bändermodell ===
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 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 right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.0002+0.25+60+5+43%0Af+144+624+176+624+33+1.5+0.02%0AR+176+576+176+544+0+3+80+1+1+0+0.5%0Ag+176+688+176+704+0%0Aw+176+656+176+640+0%0Aw+112+672+48+672+0%0Aw+176+576+48+576+0%0Av+48+672+48+624+0+2+40+0.05+1.8+0+0.5%0Aw+112+624+144+624+0%0Av+48+624+48+576+0+2+20+0.1+0+0+0.5%0Ar+112+624+112+672+0+1000%0Ap+336+608+336+576+1+0%0A370+176+608+176+576+1+0%0A207+176+608+192+608+4+S%0A207+176+640+192+640+4+D%0A207+336+608+320+608+4+D%0A207+336+576+320+576+4+S%0A403+272+528+608+720+0+10_64_0_4162_5e-16_1e-17_0_2_11_3%0Ax+117+609+137+612+4+40+%E2%86%91%0Ax+92+613+118+616+4+18+GS%0Ax+78+603+90+606+4+18+U%0Ax+591+648+616+651+4+18+DS%0Ax+580+640+592+643+4+18+U%0Ax+423+536+435+539+4+18+S%0Ax+419+527+424+530+4+18+I%0Ax+284+717+310+720+4+18+GS%0Ax+272+710+403+713+4+18+U%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs-1950%5CsmV%0Ax+199+626+211+629+4+18+U%0Ax+213+636+238+639+4+18+DS%0Ax+186+628+196+631+4+20+%E2%86%91%0Ax+325+680+403+683+4+18+-1900%5CsmV%0Ax+325+659+403+662+4+18+-1850%5CsmV%0Ax+327+626+405+629+4+18+-1800%5CsmV%0Ax+418+619+486+622+4+12+Sperrbereich%0Ax+318+750+414+753+4+12+S%C3%A4ttigungsbereich%0Ab+267+628+404+733+0%0A181+176+656+176+688+0+1440+3e-7+0.001+0.001+0.001%0Ax+-13+517+356+520+4+24+p-Channel%5Csenhancement%5CsMOSFET%0Ax+-13+516+356+519+4+24+p-Channel%5Csenhancement%5CsMOSFET%0A 700,300 noborder}}
+\\
+<panel type="default">
+<imgcaption pic2|FET Schaltsymbole>
+</imgcaption>
+{{drawio>FET_Schaltsymbol}}
+</panel>
 </WRAP>
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 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>
 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 für Feldeffekttransistoren =====
+===== 2.9 Anwendungen für Feldeffekttransistoren =====
 ==== NOT Gatter ====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.000005+10.20027730826997+63+5+43%0Af+144+448+176+448+32+1.5+0.02%0Af+144+352+176+352+33+1.5+0.02%0Ar+128+400+48+400+0+1000%0Ag+176+496+176+512+0%0AR+176+304+176+272+0+0+80+5+0+0+0.5%0Aw+128+448+144+448+0%0Av+48+496+48+400+4+5+40+5+0+0+0.33%0Aw+176+496+48+496+0%0Aw+176+496+176+464+0%0Aw+176+400+176+432+0%0Aw+128+448+128+400+0%0Aw+128+400+128+352+0%0Aw+128+352+144+352+0%0A207+176+400+208+400+4+OUT%0Aw+176+304+176+336+0%0Aw+176+368+176+400+0%0A207+48+400+16+400+4+IN%0A403+48+560+176+592+0+16_64_0_4098_5_0.1_0_2_16_3%0A403+48+608+176+640+0+13_64_0_4098_5_0.1_0_2_13_3%0Ax+18+581+30+584+4+12+IN%0Ax+5+626+30+629+4+12+OUT%0A 500,600 noborder}}
-</WRAP>
 So gut wie alle Consumer-Elektronik Produkte sind im Kern aus Feldeffekttransistoren aufgebaut. In Detail wird dabei auf die [[https://de.wikipedia.org/wiki/Complementary_metal-oxide-semiconductor|CMOS-Technologie]] (CMOS: Complementary metal-oxide-semiconductor) zurückgegriffen. Dabei verhalten sich die MOSFETs auf der Seite zu Masse und die MOSFETs auf der Seite zur Spannungsversorgung gerade gegensätzlich, also komplementär. In der Simulation rechts ist das einfachste Gatter, das NOT-Gatter, dargestellt. Ein weiteres Gatter wurde einführend betrachtet.
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+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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 ==== Verpolschutz ====
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-</WRAP>
 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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+</WRAP>
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 ==== Pegelwandler ====
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 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.
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 ==== Spannungsverdoppler/-invertierer ====
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 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>
 Lernfragen:
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 ==== Spannungsinvertierer im Mikrocontroller ====
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 In manchen Mikrocontrollern wird intern eine negative Spannung (z.B. für Operationsverstärker) benötigt.
@@ Zeile 400: / Zeile 400: @@
 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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-==== 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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+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.
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+==== Rückkoppelschaltungen mit Transistoren ====
+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.
+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====
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   - 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 ======
@@ Zeile 459: / Zeile 585: @@
 {{elektronische_schaltungstechnik:transistor_frage.png}}
-<quizlib id="quiz" rightanswers="[['a2'],['a1','a2'], ['a1']]" submit="Antworten überprüfen">
+<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 Transistor hat intern eine npn-Struktur.|
-Der Kollektoranschluss ist unten|
+Der Kollektoranschluss ist unten.|
-Es handelt sich um einen Bipolartransistor|
+Es handelt sich um einen Bipolartransistor.|
-Um I_C fließen zu lassen, muss die  Spannung U_BE positiv werden
+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|
+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
+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 |
+MOSFET steht für den Aufbau des Feldeffekttransistors aus Metalloxid und Halbleiter.|
-Durch die Bodydiode wirkt der MOSFET in eine Richtung wie eine Diode|
+Durch die Bodydiode wirkt der MOSFET in eine Richtung wie eine Diode.|
-Anreicherungstyp MOSFET sind mit $U_{GS} =0V$ leitfähig|
+Anreicherungstyp MOSFET sind mit $U_{GS} =0V$ leitfähig.|
-Bei n-Kanal MOSFETs sind Löcher die Strom-führenden Ladungsträger
+Bei n-Kanal MOSFETs sind Löcher die Strom-führenden Ladungsträger.
 </question>
 </quizlib>
 ====== Bildreferenzen ======