Hier stehen die Punkte, um die es in diesem Teil geht. Es geht nicht darum, was du dir zutraust, sondern darum, wo dir das schon begegnet ist: im Betrieb, privat oder in einem früheren Lernfeld. Das ist keine Bewertung. Es hilft dir bei der Planung, und am Ende des Teils siehst du in deinem Kompetenzmodell, was sich verschoben hat.

• Steckbrett für den Steuerteil, der Lastkreis wird direkt verdrahtet
• Meldeleuchte 12 V0,5 A, Relais 12 V, Lüfter 12 V1,5 A, Labornetzgerät 12 V2 A
• Die Lernangebote Aufgabe 4.1 und Aufgabe 4.2
• Die Datenblätter IRLZ44N, IRF540N, BD139, BC337, 1N4007, PC817 und das Datenblatt des ESP32-WROOM-32, Abschnitt „DC Characteristics“
• Einen Kühlkörperkatalog mit R_th-Angaben
• Oszilloskop, Multimeter und den NTC aus Teil 2 als Temperaturfühler
• Die Wissensspeicher-Vorlage

1. Lastanforderungen zusammenstellen
   Stelle für Meldeleuchte, Relais und Lüfter Spannung, Strom, Einschaltstrom und Lastart zusammen. Halte fest, was ein Ausgang des ESP32 laut Datenblatt liefern kann, und wie weit das von den Lasten entfernt ist. Rechne zusätzlich die Anlagenwerte mit 24 V.
2. Steckbrett bewerten
   Bestimme aus dem Datenblatt des Steckbretts oder durch Messung den Übergangswiderstand einer Kontaktfeder. Leg danach fest, welche Ströme du über das Brett führst und welche nicht.
3. Kennlinienfeld lesen
   Werte das Ausgangskennlinienfeld eines Bipolartransistors aus dem Datenblatt aus. Trag die Widerstandsgerade der Meldeleuchte ein und bestimme den Arbeitspunkt im Schalt- und im Verstärkerbetrieb.
4. Bipolarstufe dimensionieren
   Dimensioniere eine Bipolarstufe für den Lüfter: Basisstrom aus der Stromverstärkung mit Übersteuerungsfaktor, Basiswiderstand, Verlustleistung. Prüfe, ob der ESP32-Pin den Basisstrom liefern kann.
5. MOSFET-Stufe dimensionieren
   Wähle einen Logic-Level-MOSFET. Such im Datenblatt, bis zu welcher Gate-Spannung R_DS(on) garantiert ist, und lies den Wert für 3,3 V aus den Ausgangskennlinien ab, zwischen den Kurven für 3,0 V und 4,0 V. Berechne die Durchlassverlustleistung für alle drei Lasten.
6. Wärme rechnen
   Berechne für beide Varianten die Sperrschichttemperatur, im Labor und im Schaltschrank. Nutze R_th,JA ohne Kühlkörper und wähle, falls nötig, aus dem Katalog einen Kühlkörper aus. Gib den erforderlichen R_th,KA an.
7. Aufbauen und messen
   Bau beide Stufen auf. Miss im eingeschalteten Zustand die Spannung über dem Schalttransistor und den Laststrom. Berechne daraus die tatsächliche Verlustleistung und vergleiche sie mit der Rechnung.
8. Erwärmung mit dem eigenen Gerät messen
   Kleb den NTC an das Transistorgehäuse und lass den ESP32 die Temperatur über zehn Minuten aufzeichnen. Vergleiche den Verlauf mit deiner Rechnung und erkläre die Abweichung. Das MSM-1 misst hier zum ersten Mal sich selbst.
9. Schaltflanken messen
   Miss Ein- und Ausschaltflanke am Oszilloskop. Bestimme die Schaltzeiten und schätze die Schaltverluste ab. Warum spielen sie hier fast keine Rolle, und wann würden sie es tun?
10. Abschaltüberspannung sichtbar machen
    Schalte das Relais ohne Freilaufdiode ab und zeichne die Spannung zwischen Drain und Source auf. Wiederhole mit Diode. Dokumentiere beide Oszillogramme und beziffere den Unterschied.
11. Gate sicher machen
    Ergänze Gate-Vorwiderstand und Pull-down. Weise nach, was ohne Pull-down beim Einschalten passiert, solange der ESP32 noch startet.
12. Potenzialtrennung bewerten
    Bau eine Variante mit Optokoppler auf. Vergleiche beide Lösungen nach Störfestigkeit, Bauteilaufwand, Geschwindigkeit und Alterung. Empfiehl eine Variante für das MSM-1.
13. Ergebnis sichern
    Wissensspeicher-Blatt ausfüllen, Rechenwege, Oszillogramme und Temperaturverläufe in die Projektakte, Bauteilauswahl mit Verweis auf das Datenblatt begründen.

Die Lernschritte 1, 3, 7, 8, 9 und 12 haben kein eigenes Lernangebot. Sie werden im Messprotokoll und in der Projektakte dokumentiert und in der Abnahme geprüft.

Verstärkerbetrieb statt Schaltbetrieb. Betreib denselben Transistor im linearen Bereich und stell den Lüfter auf halbe Drehzahl ein. Miss die Verlustleistung und vergleiche sie mit der Pulsweitenmodulation, die der ESP32 ebenfalls erzeugen kann. Berechne, wie viel Wärme bei beiden Verfahren entsteht, und wie sich die Störabstrahlung unterscheidet.

Der Teil gilt erst als fertig, wenn der Auftraggeber alle Punkte abnimmt:

• Alle drei Lasten sind mit Spannung, Strom, Einschaltstrom und Lastart erfasst; die Anlagenwerte mit 24 V sind gegengerechnet.
• Der Übergangswiderstand der Steckbrettkontakte ist bestimmt und die Stromführung daraus begründet festgelegt.
• Der Arbeitspunkt ist im Kennlinienfeld konstruiert, für Schalt- und Verstärkerbetrieb.
• Die Bipolarstufe ist vollständig dimensioniert; der erforderliche Basisstrom ist gegen den Pinstrom des ESP32 geprüft.
• Die MOSFET-Stufe ist dimensioniert; R_DS(on) ist für 3,3 V Gate-Spannung aus den Kennlinien des Datenblatts entnommen, nicht von der Titelseite.
• Die Sperrschichttemperatur ist für beide Varianten berechnet, im Labor und im Schaltschrank; die Kühlkörperentscheidung ist mit R_th begründet.
• Die tatsächliche Verlustleistung ist gemessen und mit der Rechnung verglichen.
• Der Temperaturverlauf ist mit dem eigenen Gerät aufgezeichnet und gegen die Rechnung bewertet.
• Die Schaltflanken sind aufgezeichnet und die Schaltzeiten angegeben.
• Die Abschaltüberspannung ist mit und ohne Freilaufdiode dokumentiert und beziffert.
• Gate-Vorwiderstand und Pull-down sind dimensioniert; das Verhalten während des Startvorgangs des ESP32 ist nachgewiesen.
• Die Optokopplervariante ist aufgebaut, und der Vergleich endet mit einer begründeten Empfehlung.
• Das Wissensspeicher-Blatt ist vollständig.

Ein Blatt „Transistor als Schalter“: Schaltbilder für Bipolar- und MOSFET-Stufe mit allen Bauteilen, das Rechenschema für Basisstrom und Basiswiderstand, das Rechenschema für R_DS(on) und Verlustleistung, das Wärmemodell T_j = T_U + P_V · R_th mit Zahlenbeispiel, eine Skizze der Abschaltüberspannung mit und ohne Freilaufdiode und eine Entscheidungstabelle Bipolartransistor, MOSFET, Optokoppler.

Zusätzlich: die Faustregel, ab welcher Verlustleistung ein TO-220-Gehäuse einen Kühlkörper braucht, und die Rechnung dazu.

• R_DS(on) wird von der Titelseite des Datenblatts übernommen. Der Wert dort gilt für 10 V Gate-Spannung. Such den Wert, der zu deiner Gate-Spannung gehört.
• Der NTC wird nur lose an das Transistorgehäuse gehalten. Ohne Wärmeleitpaste und feste Verbindung misst er die Luft daneben, und die Abweichung zur Rechnung ist dann ein Messfehler, kein Rechenfehler.
• Der Kühlkörper wird nach Größe statt nach R_th ausgewählt. Zwei gleich große Kühlkörper können sehr unterschiedliche Wärmewiderstände haben. Entscheidend ist die Angabe im Katalog.