Hier fällt die Bauteilentscheidung. Nimm die Datenblätter von BD139, IRLZ44N, 1N4007 und ESP32 dazu, nicht nur die Karte unten.

Schritt 2 von 3. Du vergleichst Bipolartransistor und MOSFET als Schalter für den Lüfter und rechnest, was Steckbrett und Relaisspule dir antun.

Danach: Rechenwege und Lösungen

Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Die Bauteilwahl fällt nicht nach Geschmack, sondern nach einer Rechnung, die jeder nachprüfen kann: Steuerstrom und Wärme.

Am Ende hast du: Auslegung der Schaltausgänge

Die Regeln für deinen Rechenweg

  • Ansatz vor Zahlen. Erst die Formel, dann einsetzen.
  • Einheiten mitführen. Milliohm, Mikrosekunden und Millijoule sind die häufigsten Stolpersteine dieses Teils.
  • Datenblattwert mit Bedingung. Zu jedem Wert, den du aus einem Datenblatt nimmst, gehört die Bedingung, unter der er gilt: Strom, Gate-Spannung, Temperatur.
  • Den ungünstigen Fall rechnen. Das Modul muss im warmen Schaltschrank funktionieren, nicht nur auf dem Labortisch.
Gegebene Werte · aufklappen, wenn du rechnest

Gegebene Werte

Lasten am Prüfstand
Meldeleuchte 12 V0,5 A · Relais 12 V, Spule 0,2 H, 70 mA · Lüfter 12 V1,5 A
Lasten an der Anlage
Meldeleuchte 24 V0,5 A · Relais 24 V, Spule 0,5 H, 50 mA · Lüfter 24 V1,5 A
Ausgang des ESP32
3,3 V. Laut Datenblatt liefert ein Pin typisch 40 mA bei höchster Treiberstärke (Pins der Versorgungsbereiche VDD3P3_CPU und VDD3P3_RTC; am Bereich VDD_SDIO typisch 20 mA); die Ausgangsspannung darf dabei bis auf 0,8 · 3,3 V = 2,64 V sinken. Ein garantierter Höchststrom je Pin steht nicht im Datenblatt, nur eine Grenze für alle Pins zusammen: 1100 mA.
BD139, Bipolartransistor im Gehäuse TO-126
IC höchstens 1,5 A · Stromverstärkung B mindestens 25 (Datenblatt, bei 0,5 A; für 1,5 A nennt es keinen Wert) · UCE,sat ≈ 0,7 V bei 1,5 A (Schätzwert; das Datenblatt garantiert 0,5 V bei 0,5 A) · UBE ≈ 1,0 V · Rth,JA = 100 K/W · Rth,JC = 10 K/W · Tj,max = 150 °C
Übersteuerungsfaktor
ü = 3
IRLZ44N, Logic-Level-MOSFET im Gehäuse TO-220
UDS höchstens 55 V · Schwellspannung UGS(th) = 1,0 V bis 2,0 V (bei 250 µA) · RDS(on) garantiert: 22 mΩ bei 10 V, 25 mΩ bei 5 V, 35 mΩ bei 4,0 V · bei UGS = 3,3 V aus den typischen Ausgangskennlinien abgelesen, mit Reserve: 40 mΩ · Rth,JA = 62 K/W · Tj,max = 175 °C · Gateladung QG höchstens 48 nC (bei 5 V) · EAR = 11 mJ (Datenblatt)
Wärmeübergang Gehäuse zu Kühlkörper
Rth,CS = 0,5 K/W mit Wärmeleitpaste (Annahme: Datenblattwert des IRLZ44N im TO-220; beim kleineren TO-126 eher etwas höher)
Umgebung
Labor 25 °C · Schaltschrank der Anlage bis 40 °C · Auslegungsgrenze Tj ≤ 0,8 · Tj,max
Gate-Beschaltung aus Abb. 1
Gate-Vorwiderstand RG = 100 Ω · Pull-down 10 kΩ
Steckbrett
Übergangswiderstand einer Kontaktfeder 20 mΩ bis 50 mΩ
Abschalten
Der MOSFET schaltet den Strom in etwa 1 µs ab
1N4007
Sperrspannung 1000 V · Dauergrenzstrom 1 A · UF ≈ 0,7 V bei kleinem Strom
Umsetzer des ESP32
1 Digit entspricht vereinfacht 3,3 V4096 = 0,806 mV
Dein Lernprodukt im Einzelnen

Dein Lernprodukt

Auslegung der Schaltausgänge

Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.

Es besteht aus

  • die dimensionierte Bipolarstufe mit Basisstrom, Basiswiderstand und Prüfung des ESP32-Pins
  • Verlustleistung und Sperrschichttemperatur beider Varianten, im Labor und im Schaltschrank
  • die begründete Entscheidung für eine Stufe mit zwei unabhängigen Gründen
  • die Begründung für Gatewiderstand und Pull-down mit gerechneten Werten
  • die Auslegung der Freilaufdiode mit Prüfung der 1N4007

Zur Dokumentation

Die Wärmerechnung gehört vollständig hin, einschließlich der angenommenen Umgebungstemperatur. Ohne sie ist die Aussage über den Kühlkörper wertlos.

Abgenommen wird es im Kreuzreview durch das andere Team und danach von der Projektleitung abgezeichnet.

Aufgabe 4.1 · Bipolarstufe oder MOSFET · Aufgabe 4.2 · Steckbrett und Abschaltüberspannung

Erst du, dann die anderen

Wie schaltet ein 3,3-V-Pin eine Last, die er nicht treiben kann? Der Auftrag nennt das Bauteil nicht.

So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
  • Bipolartransistor. Billig und unempfindlich. Braucht dauernd Basisstrom und setzt an der Sättigungsspannung Wärme um.
  • MOSFET. Kein Dauerstrom am Steuereingang, geringe Verluste im eingeschalteten Zustand. Die Gatespannung von 3,3 V reicht nur bei Logic-Level-Typen.
  • Relais oder Halbleiterrelais. Potentialgetrennt, schaltet auch Netzspannung. Langsam, teurer, und das Relais braucht selbst wieder eine Treiberstufe.

Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb. In deinem Betrieb hat sich vielleicht ein anderer durchgesetzt: dann schreib auch das dazu.

Aufgabe 4.1 a

Bipolarstufe oder MOSFET. Der Lüfter des Prüfstands soll vom ESP32 geschaltet werden.

Dimensioniere eine Bipolarstufe mit dem BD139:

  • Beginne mit dem Basisstrom, nicht mit dem Widerstand.
  • Berechne daraus den Basiswiderstand.
  • Prüfe, ob der Pin des ESP32 den Basisstrom liefern kann.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Stromverstärkung · Basiswiderstand · Sättigung

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 4.1 b

Rechne Verlustleistung und Sperrschichttemperatur für beide Varianten, jeweils im Labor und im Schaltschrank:

  • Berechne die Verlustleistung des Bipolartransistors. Durch ihn fließen zwei Ströme, berücksichtige beide.
  • Berechne die Verlustleistung des MOSFET für alle drei Lasten des Prüfstands.
  • Berechne je Fall die Sperrschichttemperatur, im Labor und im Schaltschrank.
  • Bestimme für jede Variante, die einen Kühlkörper braucht, den höchstens zulässigen Wärmewiderstand.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Verlustleistung · Wärmewiderstand · Sperrschichttemperatur

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 4.1 c

Entscheide dich begründet für eine der beiden Stufen:

  • Nenne den ersten Grund für deine Wahl.
  • Nenne den zweiten, davon unabhängigen Grund.
  • Begründe, wozu der Gate-Vorwiderstand RG in Abb. 1 da ist.
  • Begründe, wozu der Pull-down da ist.
  • Berechne, welchen Strom der Pull-down aus dem Pin zieht und um wie viel er die Gatespannung senkt.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Gatewiderstand · Pull-down · Schaltzeit

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Aufgabe 4.2 a

Steckbrett und Abschaltüberspannung. Auch ein Steckbrettkontakt ist ein Widerstand, den niemand ins Schaltbild zeichnet.

Rechne den Steckbrettkontakt durch, wenn der Lüfterstrom von 1,5 A über das Brett geführt würde:

  • Berechne den Spannungsabfall an einer Kontaktfeder. Rechne mit dem ungünstigen Wert.
  • Berechne die Verlustleistung an dieser Kontaktfeder.
  • Rechne den Spannungsabfall in Digit des Umsetzers um.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Übergangswiderstand · Kontaktwiderstand

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 4.2 b

Berechne, was beim Abschalten des Relais ohne Freilaufdiode geschieht:

  • Berechne die theoretische Spannungsspitze an der Spule des Prüfstandsrelais. Nimm vereinfacht an, dass der ganze Spulenstrom in der Abschaltzeit des MOSFET auf null geht.
  • Berechne die in der Spule gespeicherte Energie.
  • Rechne beides für das Relais der Anlage.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Induktivität · Selbstinduktion · Abschaltüberspannung

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 4.2 c

Beurteile die Spannungsspitze aus 4.2 b und wähle die Abhilfe:

  • Erkläre, was die Spitze in der Wirklichkeit begrenzt und wo die Energie der Spule bleibt.
  • Erkläre, weshalb das trotzdem ein Problem ist.
  • Nenne die zwei Kenngrößen, nach denen du eine Freilaufdiode wählst.
  • Prüfe, ob die 1N4007 am Prüfstand und an der Anlage reicht.
  • Berechne, welche Spannung mit Diode beim Abschalten am MOSFET liegt.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Freilaufdiode · Sperrspannung · Durchlassstrom

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Die Lage ändert sich

Der Schaltschrank der Anlage wird im Sommer nachweislich 55 °C warm, nicht 40 °C wie angenommen. Ein Kühlkörper passt aus Platzgründen nicht mehr hinein.

Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:

  • Berechne die Sperrschichttemperatur unter der neuen Annahme.
  • Prüfe, ob deine Wahl aus 4.1 c bestehen bleibt.
  • Nenne zwei Wege, die Verlustleistung ohne Kühlkörper zu senken.

Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.

ZurückWeiter