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Praktikum Prozessdatenverarbeitung II
Prof. Dr.-Ing. R. Welge
Björn-Helge Busch 2007
Praktikum Prozessdatenverarbeitung II
Versuch 1
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Praktikum Prozessdatenverarbeitung II
Prof. Dr.-Ing. R. Welge
Björn-Helge Busch 2007
Inhalt
Halbleiterdioden• Verpolungssicherheit• Gleichrichterdioden• Anwendungen von Gleichrichterdioden• Spannungsstabilisierung
Lumineszenzdioden• Funktionsprinzip einer LED• Ansteuerung• Anwendungen von LEDs
Spannungsregler• Positive Festspannungsregler• Negative Festspannungsregler• Applikationsbeispiele
• Und jetzt?
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Praktikum Prozessdatenverarbeitung II
Prof. Dr.-Ing. R. Welge
Björn-Helge Busch 2007
Für verschiedene Einsatzbereiche sind Spezialdioden erhältlich:
GleichrichterdiodenSchottkydioden
Varakterdioden
Esakidioden
Magnetdioden
Photodioden
LumineszenzdiodenThyristoren
Zenerdioden
DiacTriac PIN-Dioden
Backwarddioden
Halbleiterdioden:
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Praktikum Prozessdatenverarbeitung II
Prof. Dr.-Ing. R. Welge
Björn-Helge Busch 2007
Ich will meine Schaltung nicht versehentlich durch Verpolen der Versorgung zerstören. Was nun ?1. Einfach besser aufpassen !
Oder die bessere Variante:2. Ich sorge durch eine geeignete Gleichrichterdiode dafür, dass unsachgemäßes 2. Anschließen nicht zu Beschädigungen führt!
D1
1N4001V112 V
1 R1
330O2
C11uF
3
0
R1
330OC11uF
3
V112 V
0
1
Toll!
Halbleiterdioden: Verpolungssicherheit
Peng!
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Björn-Helge Busch 2007
Gleichrichterdioden sind für verschiedene Spitzenspannungen Vrrm und Nennströme erhältlich.
Wichtig hierbei:• Temperaturverhalten• Durchbruchspannung• Sperrrichtung• differenzieller Diodenwiderstand
Anode
Kathode
Halbleiterdioden: Gleichrichterdioden
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Gleichrichterdioden haben eine vielfältiges Einsatzspektrum• Schutz vor Verpolen• Gleichrichten von Wechselspannungen
• Einweggleichrichtung bzw. Einpulsmittelpunktschaltung• Brückengleichrichter bzw. Zweipulsbrückenschaltungen• Mehrphasengleichrichterschaltungen
• Verwendung als Schalter in Gattern• Spannungsverdopplerschaltungen
• Delon-Schaltung bzw. Zweipulsverdopplerschaltung D2• Villard-Schaltung bzw. Einpulsverdopplerschaltung D1
Viele Schaltungen sind als integrierte Bauteile erhältlich (z.B. Brückengleichrichter)
Wichtig hierbei : Spezielle Kennwerte beachten Datenblatt!
Halbleiterdioden: Anwendungen von Gleichrichterdioden
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Praktikum Prozessdatenverarbeitung II
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Björn-Helge Busch 2007
Schaltungsbeispiele: Einweggleichrichter und Brückengleichrichter
Bei der Verwendung von Gleichrichterschaltungen muss die Welligkeit der Ausgangsspannung beachtet werden!
Aussiebung der Wechselspannungsanteile durch eine Siebkette!
D1
1N4001
R110kO
2V1
30 Vrms 60 Hz 0°
IO1IO1
0
Einweggleichrichter
R1
10kO
V1
30 Vrms 60 Hz 0°
D2
MDA990-6
1
2
4
3
1
2
IO1IO1
0
Brückengleichrichter
Halbleiterdioden: Anwendungen von Gleichrichterdioden
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Praktikum Prozessdatenverarbeitung II
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Björn-Helge Busch 2007
Anwendung: Netzteil
V1
220 Vrms 60 Hz 0°
D2
MDA990-6
1
2
4
3
T10
1
2
3
1
2
3
4 R1
10kOC120uF
C220uF
R2
300O6
0
IO1IO1
Transformieren Gleichrichten Aussieben
Halbleiterdioden: Anwendungen von Gleichrichterdioden
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Anwendung: SpannungsvervielfacherschaltungenBei zu kleiner Speisespannung setzt man aus wirtschaftlichen Gründen (zu teurer Transformator) Spannungsvervielfacherschaltungen ein (u.a. in Messgeräten)
D1
1N4001
D2
1N4001
V1
10 Vrms 60 Hz 0° R1
10kO
C11uF
C21uF
34
1
0
Delon-Schaltung
4
5
1 3
0 IO1IO1
Villardschaltungen
Halbleiterdioden: Anwendungen von Gleichrichterdioden
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Anwendung: Dioden als Schalter
Bei Digitalschaltungen mit vielen Gattern und schnellen Zustandswechseln kommt es unter anderem auf die Schaltzeiten der verwendeten Halbleiterdioden an!
D1
1N4001
R110kO
D2
1N4001 0
IO1IO1
IO2IO2
IO3IO3
Oder-Verknüpfung
R1100kO
D2
1N4001
D1
1N4001
IO4
IO5
IO1IO1
IO4
IO5
0
VDD
5VVDD
Und-Verknüpfung
Halbleiterdioden: Anwendungen von Gleichrichterdioden
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Ich benötige eine Ausgangsspannung, die unabhängig von
• schnellen Laständerungen (->Transient) • Netzspannungsschwankungen• Betriebstemperatur
stabil einen definierten Wert beibehält
Sollwertschwankungen von 5% bis zu 10% führen in den meisten Fällen zu Funktionsstörungen der Gesamtschaltung
Ich benötige eine Ausgangsspannung, die unabhängig von
• schnellen Laständerungen (->Transient) • Netzspannungsschwankungen• Betriebstemperatur
stabil einen definierten Wert beibehält
Sollwertschwankungen von 5% bis zu 10% führen in den meisten Fällen zu Funktionsstörungen der Gesamtschaltung
Halbleiterdioden: Spannungsstabilisierung
Stabilisierung mittels Zenerdiode
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Abhilfe schafft die Verwendung von Zenerdioden
Zenerdioden sind für ein Spektrum an benötigten Ausgangsspannungen verfügbar.Wichtig hierbei: rz und Uz sowie der höchzulässige Diodenstrom
R1
1kOV112 V
2
D1
1N44610
IO5IO5 R11kO
V112 V D1
1N4461 50%
Q1BF240
2
14
0
IO1IO1
Z-Diodenstabilisierung Prinzip eines einstellbaren Spannungsreglers
Halbleiterdioden: Spannungsstabilisierung
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Durch Zufuhr von Strom werden Elektronen in der LED zu einer spontanen Lichtemission angeregt.Die Lichtemission ist proportional zur Stromstärke.
Bei der Beschaltung gilt:
• Spannungsbereich beachten• Maximalstrom ebenso, sonst wird die LED sich • in die ewigen Jagdgründe verabschieden
Für die Einstellung des Arbeitspunktes der LEDgibt es verschiedene Möglichkeiten
Anode
Kathode
Lumineszenzdioden: Funktionsprinzip
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1. Stromeinprägung:
Es wird zum Betrieb der LED ein bestimmter Strom eingestellt, der den höchstzulässigen Strom nicht übersteigt.
LED1
R1
100O
V15 V
1 2
0
Mit Vorwiderstand
LED1 V 15 V
Q 1
BC109BP
R1180O
1
3R2
1kOKe y= A 45%
4
0
2
Mit Transistor
Q1
BF245C
R150O
R2100O
2
LED1V112 V
0
5
6
1
Mit MOSFET
Lumineszenzdioden: Ansteuerung
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2. Treiberstufen:
Es existiert eine Vielzahl integrierter LED-Treiber, die mehrere LED‘s parallel ansteuern
V15 V &
IO1 IO1IO2 IO2
12
3 &
5
IO3IO4
IO3IO4
0
4
6
7SN75451
Lumineszenzdioden: Ansteuerung
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Björn-Helge Busch 2007
Der Einsatz von LED-Treiberstufen vermittelt den Schaltungsaufwand erheblich.Zudem lassen sich auch komplexere Schaltungen aufbauen, die über den Einsatz als einfache Signalleuchte hinausgehen.
Realisierung von Anzeigegeräten
• 7-Segment-Anzeigen zur Darstellung von Ziffern• 16-Segment-Anzeigen zur Darstellung alphanumerischer Zeichen
Für die Ansteuerung von 7-Segment-Anzeigen werden Decoderbausteine verwendet (Bsp. SN7444)
Realisierung von mehrstelligen Anzeigen durch die Verwendung von Multiplexern.
Lumineszenzdioden: Anwendungen von LEDs
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Beispiel Ansteuerung eines 7-Segmentbausteins
DP: DezimalpunktRBO: HelligkeitseinstellungRBI : Unterdrückung führender NullenLT : Lampentest
SN7447 TIL302
+5VSignal für DP
Datenleitung
ABCDRBIRBO
LT
abcdefg
GND+5V
Signal für LT
1100
Lumineszenzdioden: Anwendungen von LEDs
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Beispiel Ansteuerung eines 7-Segmentbausteins
DP: DezimalpunktRBO: HelligkeitseinstellungRBI : Unterdrückung führender NullenLT : Lampentest
SN7447 TIL302
+5VSignal für DP
Datenleitung
ABCDRBIRBO
LT
abcdefg
GND+5V
Signal für LT
1001
Lumineszenzdioden: Anwendungen von LEDs
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Beispiel Ansteuerung der 16-Segmentanzeige DL1414
M PMC
Anzeige
SegmentTreiber
StellenTreiberRAM
ROM
OszillatorStellenz.
Schreibadressen-Decoder
D0 D6
Datenbus
Stellenauswahl
CLK:Informationen an Adress- undDatenleiten bei falling edge
Lumineszenzdioden: Anwendungen von LEDs
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Ich möchte meine Eingangsspannung gerne auf ein bestimmtes Niveau heruntersetzen. Wie mache ich das?
Spannungsregler :
Nehmt doch einfach einen Spannungsteiler. Das ist
schön einfach!
Einfach schon,aber schön?
Hätten wir bloßHerrn Hinck
gefragt!
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Um Spannungen auf ein bestimmtes Niveau zu regeln, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
1. Festspannungsregler der 7800er-Serie
• Spannungsbereiche von 5V-18V bei 25V Eingangsspannung• Spannungsbereiche von 20V-24V bei bis zu 40V Ue• Spannungsbereiche von • erhältlich in TO220 und TO3 –Gehäusen• integrierter thermischer Überlastschutz• Interne Kurzschluss-Schutzschaltung
Spannungsregler : Positive Festspannungsregler
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Typenbezeichnung leitet sich aus der stabilisierten Ausgangsspannung ab.
Beispiel MC7805BT liefert stabilisierte 5V Ausgangsspannung
Typische Beschaltung:
V112 V C1
330nFC2330nF
U1MC7805BTLINE VREG
COMMON
VOLTAGE
0
1 IO1IO1
Spannungsregler : Positive Festspannungsregler
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Festspannungsregler der 7800er-Serie haben eine typspezifische Ausgangsspannung Ua. Ich möchte Ua aber einstellen können.
2. Spannungsregler der LM-Serie
• Vorteil einstellbarer Spannungen• Thermischer Überlastschutz• TO39-Gehäuse bis 200mA Laststrom• TO3-Gehäuse bis 1A
Beispiel: LM117Ua= 1,2V bis 37V
Spannungsregler : Positive Festspannungsregler
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Spannungregler LM117 als Festspannungsregler
Die Ausgangsspannung beträgt in dieser Beschaltung die kleinstmögliche Ausgangsspannung
U1LM117H
C21uF
V124 V
1
C11uF
IO1
IO1
0
Spannungsregler : Positive Festspannungsregler
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Spannungregler LM117 als einstellbarer Spannungsregler
Die Spannung Ua ergibt sich aus Ua ~ 1,25V (1+R2/R1)
U1LM117H
C2100nF
V124 V
1
C11uF
IO1
R1240OR2
1kOKey=A 70%
2
IO1
0
Spannungsregler : Positive Festspannungsregler
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Festspannungsregler der 7900er-Serie oder Spannungsregler der LM-Serie
Die Ausgangsspannung ergibt sich in Analogie zu dem LM117(hier -2,5V)
V112 V
Spannungsregler : Negative Festspannungsregler
C11uF C2
1uFR1330O
R2330O
U1LM137K/883
1
4
0
3
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Während des Semesters soll folgende Schaltung realisiert werden:
Und jetzt?
ARM7
12V5V
PegelwandlungAbstandssensor
Servomotor
Stepper Stepper Driver
LED & Taster
Pegelwandlung
Gabellichtschranke
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Versuch 1:
• Realisieren Sie eine verpolungssichere Schaltung, die 5V bereitstellt (inklusive einer• LED als Indikator).
• Realisieren Sie eine Ampelschaltung, die mit 3,3V-Spannung des ARM7-Boards läuft.
• Programmieren Sie eine Ampelsteuerung mittel GPIO unter Verwendung des • Treiberinterface und einer ISR
• Implementieren Sie einen Taster in dem 5V-Zweig mit nachgeschalteter LED
• Greifen Sie die Spannung Ud über GPIO ab
• Implementieren Sie den Taster als Triggerquelle für die Ampelsteuerung
Und jetzt?
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