Issuu

mb o TOUCHTECH

TouchTech – Techniek die je raakt Dit boek is onderdeel van TouchTech, een complete modulaire methode voor mbo Techniek niveau 3 en 4. Dit standaardboek is opgebouwd uit een aantal opeenvolgende leereenheden van één vakgebied. TouchTech is in boekvorm, als boek OpMaat en digitaal beschikbaar. TouchTech heeft een breed aanbod van circa 400 leereenheden voor de vele vakgebieden in de elektrotechniek, werktuigkunde en mechatronica.

Analoge techniek 1

TOUCHTECH

Analoge techniek 1 LEERWERKBOEK

Niet alleen de digitale elektronica, maar ook de analoge elektronica maakt dankzij goedkope geïntegreerde bouwstenen een sterke ontwikkeling door. Het boek Analoge techniek 1 bevat zeven leereenheden over analoge elektronica in elektronische apparatuur. In dit boek komen aan bod: diodes, transistors, JFET/MOSFET, op-amps, versterking en leds.

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

Learning by doing De serie TouchTech helpt de verbinding te maken tussen theorie en praktijk. Elke leereenheid start met kernvragen over het leerdoel, zodat je weet wat je gaat leren. Binnen elke leereenheid wordt beknopte theorie gekoppeld aan praktijkvoorbeelden. Na de theorie volgen korte verwerkings- en toepassingsopdrachten om de lesstof eigen te maken en de relatie met de praktijk te leggen. Anytime/anywhere Met deze nieuwe serie is de benodigde theorie anytime/anywhere beschikbaar. De theorie is beschikbaar in leereenheden op onderwerp, zodat je eenvoudig kunt beschikken over alleen de theorie die je op dat moment nodig hebt tijdens lessen, praktijkopdrachten en projecten. De leereenheden/onderwerpen zijn snel op te zoeken voor docent én student. Bewezen didactiek De didactische opbouw van elke leereenheid is gebaseerd op het zes-leerfasen model: na een introductie vanuit de praktijk volgt de theorie, verduidelijkt met praktijkvoorbeelden. In het tweede deel gaat de student aan de slag met verwerkingsvragen, toepassingsvragen en tenslotte de evaluatie en reflectie. Diversiteit aan leermiddelen TouchTech is leverbaar op papier of digitaal in een volgorde die jij wilt. De opzichzelfstaande leereenheden zijn samen te stellen tot maatwerkreaders, maar ook als standaardboek (leerwerkboek) met vaste volgorde per vakgebied te bestellen. Digitaal is de methode als licentie beschikbaar voor scholen, waarbij de docent zelf een curriculum kan samenstellen uit het brede aanbod van leereenheden. TouchTech bevat leereenheden die onder andere geschikt zijn voor de kwalificaties: - Human Technology - Middenkader Engineering - Werktuigkundige installaties - Elektrotechnische installaties - Mechatronica

Auteur: A. de Bruin Eindredactie: J. Gerrits

9 789006 701395

9006701395_omslag.indd All Pages

22/06/20 09:51

â€‚

Analoge techniek 1

9006701395_bw.indb 1

TOUCHTECH

22/06/20 09:47

Colofon Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficienter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 70139 5 1e druk, 1e oplage, 2020 � ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2020

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieen in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

9006701395_bw.indb 2

22/06/20 09:47

Inhoudsopgave 1 ATE01â€‚Diodes

Introductie 8 Theorie 9 Kernvragen 9 PN-overgangen 9 Opbouw en werking van een diode 10 Karakteristiek van een diode 12 Testen van een diode 12 Uitvoeringen van diodes 15 Toepassing van diodes 16 Zenerdiodes 18 Uitvoeringen van zenerdiodes 20 Toepassing van zenerdiodes 21 Fotodiodes 22 Samenvatting 24 Video 27 Begrippen 27 Theorieopdrachten 28 Opdrachten uit de praktijk 30 Evaluatie en reflectie 39 Checklist 39 Zelftoets 39

2 ATE02â€‚Transistors

Introductie 44 Theorie 45 Kernvragen 45 Opbouw van NPN- en PNP-transistors 45 Stroomversterkingsfactor 47 Spannings- en stroomverloop 48 Verzadigingsspanning en afknijpspanning 51 Spreiding van een transistor 53 Temperatuurgedrag van een transistor 54 Maxima van een transistor 55 Samenvatting 58 Video 61 Begrippen 61 Theorieopdrachten 62 Opdrachten uit de praktijk 63 Evaluatie en reflectie 68 Checklist 68 Zelftoets 68

9006701395_bw.indb 3

22/06/20 09:47

3 ATE03 Transistor-schakelingen 73 Introductie 74 Theorie 75 Kernvragen 75 Basis gelijkspanningsinstelling van een transistor 75 Het signaalverloop in een transistorschakeling 80 Darlington-schakeling 82 Samenvatting 84 Video 86 Begrippen 86 Theorieopdrachten 87 Opdrachten uit de praktijk 89 Evaluatie en reflectie 99 Checklist 99 Zelftoets 99

4 ATE04 JFET en MOSFET

107

Introductie 108 Theorie 109 Kernvragen 109 FET's 109 Schakelingen met JFET’s 113 MOSFET’s 120 Samenvatting 122 Video 124 Begrippen 124 Theorieopdrachten 125 Opdrachten uit de praktijk 127 Evaluatie en reflectie 135 Checklist 135 Zelftoets 135

5 ATE05 Op-amps

141

Introductie 142 Theorie 143 Kernvragen 143 Kenmerken van een op-amp 143 Terugkoppeling 146 Niet-inverterende versterker 147 Inverterende versterker 149 Optelversterker 152 Verschilversterker 152 Samenvatting 155 Video 156 Begrippen 156 Theorieopdrachten 157 Opdrachten uit de praktijk 158 Evaluatie en reflectie 164 Checklist 164 Zelftoets 164

9006701395_bw.indb 4

22/06/20 09:47

6 ATE06â€‚Versterking

169

Introductie 170 Theorie 171 Kernvragen 171 Spanningsversterking 171 Stroomversterking 175 Vermogensversterking 175 Versterking in decibel 177 Amplitude-karakteristiek 179 Samenvatting 181 Video 182 Begrippen 182 Theorieopdrachten 183 Opdrachten uit de praktijk 185 Evaluatie en reflectie 191 Checklist 191 Zelftoets 191

7 ATE07â€‚Leds

195

Introductie 196 Theorie 197 Kernvragen 197 Signaleringsleds 197 Uitvoeringen van signaleringsleds 201 High-powerleds 202 Ledschermen 204 Samenvatting 207 Video 209 Begrippen 210 Theorieopdrachten 211 Opdrachten uit de praktijk 212 Evaluatie en reflectie 215 Checklist 215 Zelftoets 215

9006701395_bw.indb 5

217

22/06/20 09:47

9006701395_bw.indb 6

22/06/20 09:47

ATE01

Diodes

Auteur A. de Bruin Eindredactie J. Gerrits

v1.0

9006701395_bw.indb 7

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Introductie

Introductie Een diode werkt als een fietsventiel Een diode is een component die veel wordt gebruikt in elektronische schakelingen. Je kunt de werking van een diode vergelijken met de werking van een fietsventiel. Als de ingeblazen lucht in het ventiel een hogere druk heeft dan de lucht in de band, dan wordt er lucht doorgelaten naar de band. Is de luchtdruk in de band hoger dan daarbuiten, dan spert het ventiel. Het fietsventiel laat dus maar in één richting lucht door. Een diode heeft dezelfde werking, maar dan voor elektrische stroom. In figuur 1b is de elektrische spanning op de positieve zijde van diode D hoger dan de spanning op de negatieve zijde. Dan geleidt de diode: hij laat de stroom door. De diode staat dan in de doorlaatrichting. In figuur 1c is de elektrische spanning op de negatieve zijde van de diode hoger dan die op de positieve zijde. Dan spert de diode: hij laat geen elektrische stroom door. De diode staat dan in de sperrichting.

a het fietsventiel laat in één richting lucht door

b diode in doorlaatrichting

c diode in sperrichting

Figuur 1 Een diode werkt als een fietsventiel (Bron: A. de Bruin)

Oriënterende vraag

•

Hoe noem je de positieve en de negatieve pool van een diode?

9006701395_bw.indb 8

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Theorie Kernvragen • Hoe werken diodes, zenerdiodes en fotodiodes? • Waarvoor worden diodes, zenerdiodes en fotodiodes gebruikt? • Hoe bepaal je de stroomrichting van een diode? • Hoe voer je berekeningen uit aan schakelingen met diodes en zenerdiodes? PN-overgangen Elektronische schakelingen bestaan uit diverse componenten, zoals weerstanden, condensators en diodes. Een diode is een halfgeleidercomponent of kortweg halfgeleider. In halfgeleiders komt de stroomgeleiding tot stand als aan bepaalde voorwaarden is voldaan. Andere halfgeleidercomponenten zijn bijvoorbeeld de led, de FET en de transistor. Halfgeleiders hebben een negatieve temperatuurcoëfficiënt. Dat wil zeggen dat de elektrische geleidbaarheid toeneemt bij een temperatuurverhoging.

PN-overgangen Het meest toegepaste halfgeleidermateriaal is silicium (Si). Door verontreiniging in het silicium aan te brengen, ontstaat P-silicium of N-silicium. De P staat voor positief, de N voor negatief. Halfgeleidercomponenten bestaan uit PN-overgangen. Een PN-overgang ontstaat door een stukje P-silicium met een stukje N-silicium te verbinden.

Figuur 2 Recombinatie in een PN-overgang (Bron: A. de Bruin)

Een overgang waarin twee materialen bij elkaar komen, noem je een junctie (of Engels: junction, knooppunt, overgang). In zo’n junctie vindt spontaan een uitwisseling plaats van vrije ladingdragers (zoals elektronen). Er ontstaat een grenslaag waarin de vrije ladingdragers met elkaar recombineren. Het P-gebied krijgt een negatieve lading, omdat het elektronen heeft opgenomen die door het N-gebied zijn afgestaan. Het N-gebied krijgt een positieve lading, omdat het elektronen kwijtraakt. Hierdoor ontstaat er een potentiaalverschil over de grenslaag. Dit noem je de diffusiespanning. In de grenslaag zijn vervolgens geen vrije ladingdragers meer. Deze laag gedraagt zich als een isolator.

9006701395_bw.indb 9

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Figuur 3 Potentiaalverschil (diffusiespanning) bij een PN-overgang (Bron: A. de Bruin)

Opbouw en werking van een diode Een diode bestaat uit een PN-overgang. De aansluiting op het P-materiaal noem je anode. De aansluiting op het N-materiaal heet kathode. De kathode is bij een diode vaak te herkennen aan een ring op de behuizing (zie figuur 4b).

Figuur 4 Diode (Bron: A. de Bruin/NXP)

9006701395_bw.indb 10

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Doorlaatrichting van een diode In figuur 1b brandt lampje L. De diode D laat de stroom dus door. Dit noem je de doorlaatrichting van de diode. De pijlrichting van het symbool geeft de richting van de doorlaatstroom IF  aan (de Fstaat voor forward). Er is een elektrische spanning nodig om een diode in geleiding te brengen. Deze spanning noem je de doorlaatspanning UF  . Deze spanning is nodig om de diffusiespanning in de pn-overgang te overwinnen. De doorlaatspanning van een diode voor algemeen gebruik (‘general purpose’) is ongeveer 0,7 V. De spanning over de lamp is dan: 4,5 V- 0,7 V = 3,8 V.

Sperrichting van een diode In figuur 1c brandt lampje L niet. De diode laat geen stroom door. Dit noem je de sperrichting van de diode. Er loopt wel een zeer kleine lekstroom of sperstroom (orde van grootte μAof nA). Deze stroom is te klein om de lamp te laten branden. De lekstroom van een diode geef je aan met IR  (de Rkomt van het woord reverse). De spanning over de diode in de sperrichting geef je aan met UR  . In het schema van figuur 1c is de spanning UR  gelijk aan de batterijspanning van 4,5 V.

Praktijkvoorbeeld: De werking van een diode In figuur 5 zie je schakelingen waarin diodes zijn opgenomen. In schakeling 1 staat diode D1  in de doorlaatrichting, dus lamp L1  brandt. Diode D2  staat in de sperrichting, waardoor er door deze diode geen stroom vloeit. Lamp L 2  brandt niet. In schakeling 2 staat diode D1  in de doorlaatrichting, waardoor lamp L3  brandt. Diode D2  staat in de doorlaatrichting, maar lamp L4  brandt niet. Diode D3  staat namelijk in de sperrichting. In schakeling 3 brandt lamp L5  . De stroom door deze lamp gaat vanaf de plus van voeding   . UV   , door diode D1  , door lamp L5  en via diode D4  naar de min van voeding UV

a schakeling 1

b schakeling 2

c schakeling 3

Figuur 5 Schakelingen met diodes (Bron: A. de Bruin)

9006701395_bw.indb 11

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Karakteristiek van een diode De eigenschappen van een diode kunnen worden weergegeven in een karakteristiek. In figuur 6 zie je in het eerste kwadrant van de karakteristiek de eigenschappen van de diode in de doorlaatrichting. In het derde kwadrant zie je de eigenschappen in de sperrichting.

Figuur 6 Karakteristiek van een diode (Bron: A. de Bruin)

Gedrag in het eerste kwadrant Uit de karakteristiek blijkt dat als de doorlaatstroom IF  toeneemt, de doorlaatspanning UF  ook toeneemt. Het gebied waarin je de diode in doorlaatrichting toepast noem je ook wel het werkgebied.

Gedrag in het derde kwadrant Als een diode in de sperrichting wordt aangesloten, vloeit er een zeer kleine lekstroom IR  (µAof nA). De grootte van deze stroom is alleen afhankelijk van de temperatuur van de diode. Neemt de temperatuur toe, dan neemt ook de lekstroom toe. Bij het overschrijden van de maximale waarde van sperspanning UR  raakt de diode defect. Meestal treedt er dan tussen de aansluitingen doorslag op. De diode gedraagt zich dan als een geleider (kortsluiting). De diode is dan onherstelbaar beschadigd.

Testen van een diode Omdat een ohm-meter een inwendige batterij heeft, kun je daarmee diodes testen. In de doorlaatrichting heeft de diode een lage weerstand en in de sperrichting een hoge weerstand.

9006701395_bw.indb 12

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

De multimeter in figuur 7 heeft een speciaal bereik om diodes te testen. Dit bereik wordt aangegeven met het diodesymbool. Als je een silicium diode in de doorlaatrichting test, zal deze 0,5tot 0,8 Vaangeven, in de sperrichting OL (open loop). Als de diode defect is, zijn er twee mogelijkheden:

• •

Aanwijzing OL in beide richtingen: de diode gedraagt zich in beide richtingen als een isolator. Aanwijzing 0 Vtot 0,4 Vin beide richtingen: de diode gedraagt zich in beide richtingen als een kortsluiting.

Figuur 7 Testen van een diode (Bron: fluke.com/A. de Bruin)

De doorlaatspanning UF  van een diode heeft invloed op de grootte van de stroom door een belasting. In het volgende praktijkvoorbeeld wordt dit aangetoond met een berekening.

9006701395_bw.indb 13

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Praktijkvoorbeeld: Rekenen aan diodes Gegeven De diode D in figuur 8 is in serie met een belastingsweerstand RL  van 390 Ωaangesloten op een gelijkspanning van 9 V. De doorlaatspanning UF  van de diode Dis 0,7 V.

Figuur 8 Serieschakeling diode en weerstand (Bron: A. de Bruin)

Gevraagd a Bereken de spanning URL   . b Bereken de stroom IF  door de diode. Oplossing a De spanningsvergelijking in dit schema is: UV    = UF   + URL   .    - UF  → URL    = 9 V - 0,7 V = 8,3 V. De spanning URL    = UV b De stroom IF  door de diode is gelijk aan de stroom door de weerstand RL  . U 

RL IF    = I RL  =  ____      R  L

8,3 V IF   =  _____      = 0,02128 A = 21,28 mA 390 Ω

9006701395_bw.indb 14

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Uitvoeringen van diodes Diodes voor algemene toepassingen (general purpose) zijn in diverse uitvoeringen verkrijgbaar:

• • •

SMD (Surface Mounted Device) low power through hole power-diodes

SMD-diodes SMD (Surface Mounted Device) is een techniek waarbij kleine elektronische componenten op een printplaat worden gesoldeerd. De BAS19/20/21-serie is een bekende low power diode in SMD-uitvoering.

a uitvoering

b aansluitingen

Figuur 9 Een diode uit de BAS19/20/21-serie (Bron: NXP/A. de Bruin)

Specificaties van de BAS19/20/21-serie:

• •

doorlaatstroom IF   = 200 mA maximale sperspanning UR  : − BAS19: 100 V (70 V effectief) − BAS20: 150 V (106 V effectief) − BAS21: 200 V (140 V effectief)

Low power through hole-diode ‘Through hole’ wil zeggen dat de aansluitingen van de diode door boorgaatjes in de printplaat worden gestoken en gesoldeerd. De serie 1N4001, 1N4003, 1N4004,1N4006 en 1N4007 is een bekende serie diodes in through hole-uitvoering.

9006701395_bw.indb 15

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

a uitvoering

b aansluitingen

Figuur 10 1N4001-diode (Bron: NXP/A. de Bruin)

Specificaties van de 1N400x-serie:

• •

doorlaatstroom IF   = 1 A maximale sperspanning UR  : − 1N4001: 50 V (35 V effectief) − 1N4007: 1000 V (700 V effectief)

Power-diodes of vermogensdiodes Vermogensdiodes zijn er in veel uitvoeringen. De uitvoeringsvorm is afhankelijk van de doorlaatstroom IF  en de sperspanning UR  .

Figuur 11 Uitvoeringen van vermogensdiodes (Bron: NXP/ABB)

Bij grotere elektrische vermogens is koeling van de componenten noodzakelijk. De behuizing van vermogensdiodes maakt montage op koelplaten mogelijk. Naast de diodes voor algemene toepassingen zijn er diodes die geschikt zijn voor hoge frequenties, ook wel schakeldiodes of fast switching-diodes genoemd. Deze kom je onder andere tegen in schakelende gelijkspanningsvoedingen.

Toepassing van diodes De general purpose-diode (algemeen toepasbaar) wordt veel toegepast in gelijkrichtschakelingen. In een gelijkrichtschakeling wordt een wisselspanning met behulp van diodes omgezet in een gelijkspanning (gelijkgericht). In figuur 12 zie je het principe van gelijkrichten.

9006701395_bw.indb 16

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

a schema

b tijddiagram

Figuur 12 Enkelzijdige gelijkrichting (Bron: A. de Bruin)

Het positieve deel van wisselspanning Uin   wordt door de diode D doorgelaten. De   wordt spanning Udiode   is dan gelijk aan UF  . De negatieve helft van wisselspanning Uin door de diode geblokkeerd. De spanning over de diode is dan gelijk aan het negatieve deel van de ingangsspanning. De spanning URL   over de weerstand RL  is de positieve helft van wisselspanning Uin   . Omdat slechts een deel van de wisselspanning over de belastingsweerstand RL  verschijnt, noem je dit enkelzijdige gelijkrichting. Door het schema van figuur 12 uit te breiden met meer diodes kun je ook de negatieve   . helft van wisselspanning Uin   gebruiken voor URL

a schema

b tijddiagram

Figuur 13 Gelijkrichting met een diodeschakeling (Bron: A. de Bruin)

De wisselspanning Uin   op de ingang wordt door de diodeschakeling omgezet in een gelijkspanning. Tijdens de positieve helft van de ingangsspanning Uin   geleiden de diodes   geleiden de diodes D2  D1  en D4  . Tijdens de negatieve helft van de ingangsspanning Uin   over de belastingsweerstand RL  en D3  . Omdat beide helften van de ingangsspanning Uin verschijnen, noem je dit dubbelzijdige gelijkrichting.

9006701395_bw.indb 17

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Je kunt general purpose-diodes ook toepassing als overspanningsbeveiliging. Daarvoor schakel je twee diodes antiparallel (parallel maar in tegengestelde richting) over de ingang van een versterker. Als de spanning op de ingang van de versterker hoger is dan de doorlaatspanning van de diodes, gaat één van de diodes geleiden. De ingangsspanning van de versterker wordt nooit hoger dan 0,7 V.

Figuur 14 Toepassing van overspanningsbeveiliging (Bron: A. de Bruin)

Zenerdiodes Een zenerdiode is een siliciumdiode met een bijzondere eigenschap in de sperrichting. Een ‘gewone’ diode slaat door bij een bepaalde spanning in de sperrichting en raakt daardoor onherstelbaar beschadigd. Een zenerdiode gaat juist in de sperrichting geleiden, maar hij raakt niet defect. Vanwege deze eigenschap worden zenerdiodes uitsluitend in de sperrichting toegepast.

Karakteristiek van een zenerdiode In figuur 15 zie je de karakteristiek en het symbool van een zenerdiode.

Figuur 15 Karakteristiek en symbool van een zenerdiode (Bron: A. de Bruin)

De spanning waarbij een zenerdiode in de sperrichting gaat geleiden, noem je de zenerspanning UZ  . Het werkgebied van een zenerdiode ligt in het derde kwadrant van de karakteristiek. Hier is de geleiding in de sperrichting stabiel: bij een veranderende 18

9006701395_bw.indb 18

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

zenerstroom IZ  is de zenerspanning UZ  vrijwel constant. Dit werkgebied wordt begrensd   en IZ,max   . door twee uiterste waarden van de stroom IZ   : IZ,min Het werkgebied van de zenerdiode begint bij de minimale waarde van de zenerstroom . Dit is de minimaal vereiste stroom voor de werking van de zenerdiode. IZ,min   De maximale zenerstroom wordt bepaald door de maximale vermogensontwikkeling   ). De maximale vermogensontwikkeling vind je in van de zenerdiode (Pmax    = UZ   · IZ,max de datasheet van de zenerdiode. Je kunt de minimale en maximale zenerstroom als volgt berekenen:  = 0,1 · IZ,max   Minimale zenerstroom: IZ,min   P 

max Maximale zenerstroom: IZ,max    =  ____      U  Z

Tussen de waarden IZ,min   en IZ,max   blijft de zenerspanning nagenoeg constant.

Praktijkvoorbeeld: Rekenen aan zenerdiodes Gegeven De schakeling van figuur 16. Voor de zenerspanning geldt UZ   = 7,5 V.

a zenerdiode onbelast

b zenerdiode belast

Figuur 16 Schakeling met zenerdiode en weerstand (Bron: A. de Bruin)

Gevraagd a In schema a: bereken de stroom IR1   door weerstand R1  en de stroom IZ  door zenerdiode Z. b In schema b: de stroom IRL   door belastingsweerstand RL  en de stroom IZ  door zenerdiode Z. Oplossing a In schema 16a is de stroom IR1   door weerstand R1  gelijk aan de stroom IZ  door de zenerdiode. De grootte van de stroom volgt uit: U    - U 

V Z R1     =  ______       ⇒ IZ    = I R1  =  ____ R  R  1

24 V - 7,5 V IR1    =  _________       = 0,075 A = 75 mA 220 Ω

b Omdat in schema 16b weerstand RL  parallel staat aan de zenerdiode geldt: URL    =  UZ  . Maar dit geldt alleen in het werkgebied van de zenerdiode. c De stroom door weerstand RL  volgt uit: U 

7,5 V

RL IRL     =  ____     =  _____     = 0,016 A = 16 mA   R  470 Ω L

d De stroom door de zenerdiode wordt: IZ   = IR1    - IRL    = 75 mA - 16 mA = 59 mA 19

9006701395_bw.indb 19

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

e Hieruit blijkt de kenmerkende eigenschap van deze schakeling: f Bij een wisselende belastingsweerstand RL  blijft de spanning URL   over de belastingsweerstand vrijwel constant en gelijk aan de zenerspanning UZ  . De zenerspanning UZ  blijft ook bij een variatie van de ingangsspanning Uin   vrijwel constant. Deze is dus gelijk aan de spanning URL   over weerstand RL  .

Uitvoeringen van zenerdiodes Een zenerdiode heeft meestal dezelfde behuizing als een gewone (general purpose) diode. Je kunt alleen met behulp van de codering vaststellen om welk type diode het gaat.

SMD-zenerdiode In figuur 17 zie je een zenerdiode uit de BZX84-serie. Dit is een bekende low powerzenerdiode in SMD-uitvoering.

a uitvoering

b aansluitingen

Figuur 17 Een zenerdiode uit de BZX84-serie (Bron: NXP/A. de Bruin)

Specificaties van de BZX84-serie:

• • •

zenerspanning: E24-reeks van 2,4 Vtot en met 75 V tolerantie: klasse A = 1%, klasse B = 2,5%, klasse C = 5% maximaal vermogen: Pmax    < 250 mW

De tolerantie geeft aan hoeveel de daadwerkelijke zenerspanning kan afwijken van de nominale waarde. Zo is bijvoorbeeld de BZX84-C5V6 een zenerdiode uit de BZX84serie met een zenerspanning van 5,6 Ven een tolerantie van 5% (C). De werkelijke zenerspanning kan dan liggen tussen 5,6 V - 5%= 5,33 Ven 5,6 V + 5%= 5,88 V.

Zenerdiode in een through hole-uitvoering De BXZ79 is een bekende serie zenerdiodes. In figuur 18 zie je deze diode in through holeuitvoering.

9006701395_bw.indb 20

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

a uitvoering

b aansluitingen

Figuur 18 Zenerdiode uit de BZX79-serie (Bron: NXP/A. de Bruin)

Specificaties van de BZX79-serie:

• • •

zenerspanning: E24-reeks van 2,4 Vtot en met 75 V tolerantie: klasse A = 1%, klasse B = 2,5%, klasse C = 5% maximaal vermogen: Pmax    < 500 mW

Toepassing van zenerdiodes Zenerdiodes worden bijvoorbeeld toegepast om een referentiespanning af te leiden, of als overspanningsbeveiliging.

Referentiespanning afleiden met een zenerdiode Een referentiespanning is een spanning die constant is. De referentiespanning wordt afgeleid van een niet-stabiele (= niet-constante) gelijkspanning. In figuur 19 zie je een voorbeeld van een zenerdiode als spanningsreferentie.

Figuur 19 Zenerdiode als spanningsreferentie (Bron: NXP/A. de Bruin)

De ingangsspanning Uin   varieert vanwege een rimpelspanning. De ingangsspanning verdeelt zich over de weerstand R1  en de zenerdiode Z. Doordat de spanning UZ  door de werking van de zenerdiode constant wordt gehouden, staat de variërende spanning over de weerstand R1  . Je kunt de spanning UZ  nu als referentiespanning gebruiken in een elektronische schakeling. Bijvoorbeeld in een gestabiliseerde gelijkspanningsvoeding, digitale voltmeter of een analoog/digitaal-converter.

Zenerdiodes als overspanningsbeveiliging Door een blikseminslag of door het afschakelen van een inductieve belasting kunnen spanningspieken ontstaan. Door deze spanningspieken kunnen de halfgeleiders in een elektronisch schakeling defect raken. Het heeft dan geen nut om smelt- of bimetaalzekeringen te gebruiken als beveiliging. Deze beveiligingen zijn veel trager dan halfgeleiders. Met gasgevulde hoogspanningsgeleiders of speciale transiënt-suppressordiodes (transils) of varistors kun je een schakeling wel effectief tegen overspanning beveiligen.

9006701395_bw.indb 21

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Daarnaast kun je zenerdiodes gebruiken voor het kortsluiten van spanningspieken. Als in het schema van figuur 20 een spanningspiek > 24,7 Vverschijnt op een van de voedingslijnen, zal deze via een van de back-to-back geschakelde zenerdiodes naar aarde worden kortgesloten. Deze beveiliging treedt ook op als de ingangsspanning U in   boven de kritische grens van 24,7 Vkomt. De toegepaste zenerdiode (type BZT03) heeft een zeer snelle schakeltijd, kleiner dan 10 µs.

Figuur 20 Zenerdiodes als overspanningsbeveiliging (Bron: A. de Bruin)

Fotodiodes Bij een fotodiode is de lekstroom IR  afhankelijk van de hoeveelheid invallend licht. Een fotodiode heeft daarom een lichtvenster om licht op de junctie toe te laten. Een fotodiode gebruik je net als een zenerdiode in de sperrichting. Als er licht op de pn-overgang valt (lichtenergie), zal de lekstroom toenemen.

a symbool

b uitvoeringen

Figuur 21 Symbool en uitvoeringen fotodiode (Bron: A. de Bruin/Conrad)

9006701395_bw.indb 22

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Toepassing van fotodiodes Fotodiodes worden onder andere gebruikt voor afstandsbedieningen van apparatuur. Omdat fotodiodes snel reageren op lichtvariaties, worden ze ook gebruikt voor het meten van lichtsterktes. Verder worden fotodiodes veel toegepast als optische koppeling bij dataoverdracht. Aan de zendzijde van een glasvezelinstallatie wordt een led als sturende bron toegepast, aan de ontvangstzijde een fotodiode. De spanning is bij deze overdracht een digitaal signaal.

Figuur 22 Fotodiodes worden toegepast in glasvezelinstallaties (Bron: patinstitute.ca)

In figuur 23 zie je een opto-coupler. Dit is een combinatie van een led en fotodiode. De led zendt infrarood licht uit waarvan de sterkte afhankelijk is van de grootte van de   ). De lichtintensiteit wordt door de stroom IF  (en dus afhankelijk van de spanning Uin fotodiode ontvangen en omgezet in een lichtafhankelijke (lek-)stroom IR  . Op deze manier ontstaat er een signaaloverdracht (optische koppeling), maar zijn zender en ontvanger galvanisch gescheiden (scheiding tussen twee elektrische circuits).

a symbool

b uitvoeringen

Figuur 23 Schema en uitvoeringen van opto-couplers (Bron: A. de Bruin/NXP)

In figuur 23b links zie je een opto-coupler in IC-vorm. Deze wordt toegepast als galvanische scheiding tussen twee elektronische circuits. In figuur 23b zie je rechts een opto-coupler die wordt gebruikt als sensor. Bij deze sensor staan de led en de ontvanger in de behuizing tegenover elkaar. Als je de lichtstraal onderbreekt, varieert de hoeveelheid licht die op de fotodiode valt. Met een rasterschijf kun je dan bijvoorbeeld een verplaatsing of verdraaiing meten. Dit principe kom je bijvoorbeeld tegen bij de scroll-functie van een muis. 23

9006701395_bw.indb 23

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Samenvatting Eigenschappen van diodes Een diode gaat geleiden als de anode van een diode positief is ten opzichte van de kathode. De diode staat dan in doorlaatrichting. Er is een minimale doorlaatspanning U F  nodig om een diode te laten geleiden. Er vloeit dan een doorlaatstroom I F  . Als de spanning op de kathode hoger is dan op de anode, laat de diode geen stroom door. De diode staat dan in sperrichting. Er loopt wel een zeer kleine sperstroom I R  (μAof nA).

a diode in doorlaatrichting

b diode in sperrichting

Figuur 24 Eigenschappen diode (Bron: A. de Bruin)

Diodes toepassen als beveiliging In figuur 25 moet punt A positief zijn ten opzichte van punt B, om belasting R L  de juiste spanning te geven.

Figuur 25 Diode als beveiliging tegen foutief aansluiten van de spanning (Bron: A. de Bruin)

9006701395_bw.indb 24

22/06/20 09:48

ATE01 Diodes Theorie

Diodes toepassen voor gelijkrichting In gelijkrichtschakelingen wordt een wisselspanning met diodes omgezet in een gelijkspanning (gelijkgericht).

a enkelzijdige gelijkrichting

b dubbelzijdige gelijkrichting Figuur 26 Gelijkrichting met diodes (Bron: A. de Bruin)

Eigenschappen van zenerdiodes Een zenerdiode geleidt in de sperrichting, maar raakt daarbij niet defect. Daarom wordt deze diode in de sperrichting gebruikt. en IZ,min   Het werkgebied van de zenerdiode ligt tussen IZ,max   Minimale zenerstroom: IZ,min    = 0,1 · IZ,max   P 

max Maximale zenerstroom: IZ,max    =  ____      U  Z

Maximaal vermogen: PZ,max    = UZ   · IZ,max  

Referentiespanning afleiden met een zenerdiode

Figuur 27 Zenerdiode als spanningsreferentie (Bron: A. de Bruin)

9006701395_bw.indb 25

22/06/20 09:48

mb o TOUCHTECH

Analoge techniek 1

TOUCHTECH

Analoge techniek 1 LEERWERKBOEK

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

Auteur: A. de Bruin Eindredactie: J. Gerrits

9 789006 701395

9006701395_omslag.indd All Pages

22/06/20 09:51