Elementare elektronica schakelingen in de motorvoertuigentechniek (2)

Transcriptie

1 Elementare elektronica schakelingen in de motorvoertuigentechniek (2) Timloto o.s. / E. Gernaat / ISBN Op dit werk is de Creative Commens Licentie van toepassing. Uitgave: september Elektronica componenten 1.1 Halfgeleider weerstanden Halfgeleider-weerstanden zijn weerstanden die een aantal bijzondere eigenschappen vertonen. De meest bekende zijn ongetwijfeld de NTC en de PTCweerstand. Deze worden ingedeeld bij de groep thermistoren. Bij deze weerstanden wordt gebruik gemaakt van de eigenschappen die de weerstanden vertonen bij temperatuur-verandering. Er zijn er echter meer bijzondere halfgeleider weerstanden. We noemen: Spanningsafhankelijke weerstanden (VDR s); Lichtafhankelijke weerstanden (LDR s); Magnetisch afhankelijke weerstanden (MDR s); Druk afhankelijk weerstanden (Piëzo-resistieve weerstanden). De halfgeleider weerstanden treffen we, niet zozeer aan als losse herkenbare componenten maar als onderdeel van een geïntegreerd sensorcircuit. In de oude stuwklep-luchtmeters maakte men gebruik van VDR s (VDR = Volt Dependent Resistance), tegenwoordig worden ze als overspanningsbeveiliging gebruikt. LDR s worden gebruikt in automatische licht-aan schakelingen. Drukafhankelijke weerstanden worden toegepast in de elektronische schakelingen van druk- en klopsensoren. MDR s vinden we in moderne wielsensoren De thermistoren (NTC en PTC) De NTC-weerstand is een halfgeleiderweerstand met een negatieve temperatuurscoëfficiënt. Dat wil zeggen dat bij oplopende temperatuur de weerstandswaarde daalt. NTC-weerstanden worden veel als temperatuursensoren gebruikt. Zie fig. 1 en fig. 2. Wanneer we de NTC-weerstand als spanningsdeler schakelen dan zal op het knooppunt een spanning ontstaan die afhankelijk 1

2 Figuur 1: Doorsnede, symbool en elektrische eigenschappen een NTC-weerstand als temperatuursensor. 1=elektrische aansluiting, 2=behuizing, 3=NTC-weerstand (tek. Bosch) Figuur 2: Verschillende uitvoeringen van temperatuursensoren (tek. Bosch) 2

3 wordt van de temperatuur. Deze spanning kan via de analoog-digitaal omzetter van de microprocessor worden omgezet in een door de computer uitleesbare waarde (fig. 3). De NTC-weerstand vertoont een niet lineair gedrag, dat + constante stroombron A/D micro processor management computer temperatuursensor (NTC) Figuur 3: Schakeling van een NTC-weerstand als temperatuursensor in een microcomputersysteem. wil zeggen dat de weerstandswaarde niet evenredig met de temperatuur afneemt. Het verband tussen de weerstand en de temperatuur verloopt nagenoeg logaritmisch. We kunnen dit aan de grafiek van fig. 1 zien omdat in de verticale as de machten van 10 evenredig zijn uitgezet (schaalverdeling tussen de streepjes: 10, 100, 1000 en ). Het betreft een zeer sterke afname van de weerstand bij temperatuurstoename. Het probleem met de NTC-weerstand als temperatuursensor is de eigen opwarming ten gevolge van de stroomdoorgang. Om de eigen opwarming constant te houden worden temperatuursensoren op een constante stroombron aangesloten (fig. 3) De brug van Wheatstone Om de temperatuur in een spanning om te zetten wordt, zoals we hebben gezien, een weerstand in serie gezet met de NTC-weerstand. Er ontstaat dan een spanningsdeler. Wanneer de weerstandswaarde van de NTC-weerstand verandert dan verandert de gemeten spanning. De spanning wordt echter nooit nul. Een meetbrug of een brug van Wheatstone lost dit probleem op (fig. 4). Voor de brug geldt: R1 : R2 = R3 : R4 of R2 x R3 = R1 x R4 wanneer de brug in evenwicht is. De brug is in evenwicht wanneer het spanningsverschil aangegeven door de voltmeter 0 V is. Zo kunnen we bijv. bij kamertemperatuur met behulp van de potmeter R2 de uitgangsspanning van de brug op 0 Volt zetten. Autotechnisch kunnen we de schakeling als fig. 4 (rechts) voorstellen. De brug 3

4 +12V + 12V R1 R3 R1 R3 V R2 R2 R4 R4 Figuur 4: Principeschakeling brug van Wheatstone (links). Schakeling van een NTC-weerstand in een brug van Wheatstone op de auto (rechts). is dan aangesloten op een OpAmp (zie hoofdstuk 6). De OpAmp kan de verschilspanning versterken en is verbonden met de microprocessor voor de A/D omzetting De PTC-weerstand Deze halfgeleider-weerstand moet niet verward worden met een draadgewonden metalen weerstand. Draadgewonden weerstanden hebben een PTCgedrag omdat de weerstandswaarde oploopt met de temperatuur. Het verloop is echter lineair. Een eigenschap van de PTC-weerstand is dat deze een sprongsgewijze weerstandsvergroting bij een bepaalde temperatuur vertoont (fig. 5). PTC-weerstanden kunnen worden ingezet voor zelf regelende verwarming en voor beveiliging. Als beveiliging kunnen ze worden gezien als automatisch herstellende zekeringen. Voorbeelden hiervan zijn spiegelverwarming, ruitewissermotor-beveiliging en automatische zekering. Bij een lage buitentemperatuur schakelt door de lage weerstandswaarde de verwarming automatisch in (fig. 5). Bij het bereiken van de gewenste temperatuur wordt de weerstandswaarde (vrij plotseling) hoog en schakelt de verwarming uit. Bij een droge ruit (fig. 6) zou de elektromotor door de toenemende stroomsterkte kunnen worden overbelast. De PTC-weerstand voorkomt dit omdat de groter wordende 4

5 Figuur 5: Boven: eigenschappen van een PTC-weerstand. Onder: De PTC-weerstand toegepast als verwarmings-element. 5

6 Figuur 6: De PTC-weerstand als beveiliging in een ruitewissermotor-circuit. We treffen ze echter ook aan ter vervanging van de klassieke smeltzekering. stroomsterkte voor verwarming van de PTC-weerstand zorgt. De weerstand in het circuit neemt dan toe en de stroomsterkte af De VDR-weerstand of Varistor Spanningsafhankelijke weerstanden treft men regelmatig aan als deel van het voedingscircuit van processorschakelingen (fig. 7). Meestal is dit in combinatie Figuur 7: De VDR valt als een grote platte schijf op in het elektronica circuit. met een PTC-weerstand waardoor het circuit wordt beschermd tegen een te 6

7 hoge spanning en een te grote stroom. De VDR staat parallel en de PTC in serie (fig. 8). Voeding autocomputer F1 + + dynamo /accu F2 VDR PTC Figuur 8: De VDR heeft een grote weerstand bij lage spanning en een kleine bij hoge spanning. In de grafiek is de spanning als functie van de stroom weergegeven. 2 Diode De diode is een halfgeleider met de eigenschap dat de weerstandswaarde in de doorlaatrichting laag is. In tegengestelde richting, de sperrichting is de weerstand hoog. Deze definitie heeft wel enige aanvulling nodig. De specifieke eigenschappen van de diode zijn terug te vinden in een diode-karakteristiek (fig. 9). De grafiek beslaat twee kwadranten. Het bovenste (kwadrant 1) geeft de diode in doorlaatrichting aan en het onderste (kwadrant 3) in sperrichting. De assen van de grafiek tonen de spanning over de diode t.o.v. de stroomsterkte door de diode. Om een dergelijke grafiek te maken kunnen we een diode aansluiten op een instelbare voeding. Fig. 10 geeft een dergelijke schakeling. We zien dat we in de doorlaatrichting een minimale spanning van ongeveer 0,7 V nodig hebben om een stroom van enige betekenis te laten vloeien. We noemen dit de drempelspanning. Hierna neemt de weerstand van de diode sterk af en we zien dat de spanning maar weinig groter behoeft te worden om een veel grotere stroom te krijgen. In de praktijk wordt het spanningsverlies over een diode in doorlaatrichting constant verondersteld met een waarde van 0,6 tot 0,8 V. In sperrichting gedraagt de diode zich als een (grote) weerstand. Een grote weerstand staat echter een klein (lek)stroompje toe van enige milli-ampères. Wordt de spanning in sperrichting vergroot dan wordt ook de lekstroom groter. Bij een bepaalde spanning, meestal een paar honderd volt wordt de doorslagspanning bereikt. De weerstand neemt af, de stroomsterkte vergroot en de diode zal in meeste gevallen (ten gevolge van de warmte-ontwikkeling) onherstelbaar worden beschadigd. Dioden zijn temperatuurgevoelig. Bij spanningsregelaars 7

8 A 6 5 doorlaat I V U Volt sper V I 0,7 ma 1 2 U A Volt A Figuur 9: De eigenschappen van een diode worden weergegeven in een diode-karakteristiek. Figuur 10: Mogelijke testschakeling om de eigenschappen van een diode te bestuderen. 8

9 in dynamo s wordt soms van deze eigenschap gebruik gemaakt. De afgeregelde spanning wordt dan in geringe mate afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Bij temperatuurverhoging verminderen de sperrende eigenschappen. Evenals de meeste halfgeleiders mag de temperatuur niet boven de Celsius komen (fig. 11). De diode worden voornamelijk gebruikt als: Figuur 11: De temperatuursgevoeligheid van een 1N4002 diode. Grafiek Philips gelijkrichtcomponent (dynamo s); polariteitsdiode (om de gevolgen van een verkeerde aansluiting te voorkomen); temperatuur-compensatieweerstand; vrijloopdiode in inductieve circuits. (kleine) condensator in sperrichting Het testen van dioden Losse dioden kunnen met behulp van een multimeter in de diode stand worden gecontroleerd. In een schakeling kan met behulp van een voltmeter (of oscilloscoop) het gedrag worden gemeten. 3 Leds Leds of lichtgevende dioden kunnen worden ingedeeld onder de dioden maar ook onder de opto-componenten. Opto-componenten zijn componenten die te 9

10 maken hebben met het verschijnsel licht. De led (Light Emitting Diode) is een halfgeleider die niet uitsluitend van silicium is gemaakt maar ook van andere materialen. Afhankelijk van de kleur wordt gebruik gemaakt van o.a galliumarsenide en gallium-fosfide. De led wordt gebruikt in doorlaatrichting. De spereigenschappen van een led zijn slechter dan die van een gewone diode. Bij een diode ontstaat in de doorlaatrichting warmte (er is immers sprake van stroom en spanning). Bij de led wordt deze energie voor een gedeelte in zichtbaar licht uitgestraald. Fig. 12 toont een led, het symbool van de led en de eigenschappen van een led. Een groot verschil met de dioden vormt de drempelspanning Figuur 12: Aanzicht en het symbool van een led (links) en de eigenschappen van een led (rechts) van een led. Deze bedraagt tussen de 1,5 en 2,5 Volt en is afhankelijk van de kleur. De doorslagspanning is betrekkelijk laag. Een spanning die in sperrichting de 10 Volt overschrijdt is niet aan te bevelen. Wanneer we een led willen aansluiten op 12 V dan zal altijd een weerstand in serie moeten worden gezet (fig. 13). De led heeft -in tegenstelling- tot een gloeilamp slechts een klein licht- Figuur 13: Wanneer we een led aan willen sluiten op 12 V dan zal er een weerstand van ongeveer (12 V - 2 V) / 20 ma = 500 Ω in serie moeten worden gezet. spectrum. De meest voorkomende kleuren zijn rood, geel, groen en de laatste jaren ook blauw en wit. Ook bestaan infra-rood leds die in het golfbereik van 10

11 900 nm licht uitzenden. Dit licht is echter niet zichtbaar voor het menselijk oog. Deze leds worden gebruikt voor infra-rood afstandsbedieningen. Behalve verschillende kleuren, afmetingen en vormen zijn er ook nog zgn. low current leds. Het normale stroomverbruik van ongeveer 20 ma is teruggebracht tot 2 tot 4 ma. Verder zijn er 2 en 3 kleurenleds (fig. 14), knipperleds en 12 V leds verkrijgbaar. Bij de laatste twee bevinden zich in de behuizing extra componenten. Met RGB-leds kunnen alle kleuren worden verkregen. Deze worden dan Figuur 14: Twee (boven) en drie (onder) kleurenleds zijn inwendig samengesteld uit twee leds. De kleur hangt af van de aansluitrichting. Deze leds hebben twee of drie aansluitingen. Gebruikt men beide + aansluitingen dan ontstaat kleurmenging. De schakeling is parallel of anti-parallel. door een controller aangestuurd (fig. 15). Leds worden gebruikt voor indicatie en de laatste jaren meer en meer voor verlichting. Door de korte aanspreektijd zijn ze bijzonder geschikt voor remlichten. Er is aangetoond dat dit voor een achteropkomende auto 5 meter in de stoptijd kan schelen. Behalve het geringe stroomverbruik en de geringe warmte-ontwikkeling moet ook nog de lange levensduur worden genoemd. Auto ledverlichting bestaat meestal uit een verlichtingseenheid die is opgebouwd uit een aantal leds die in serie en parallel zijn geschakeld (fig. 16). SMD leds zijn zeer klein uitgevoerd en worden rechtstreeks op de print gesoldeerd (SMD= surfave Mounted device). Deze zijn er ook in RGB uitvoering (fig. 17). 4 Zenerdiode Zenerdioden zijn speciale dioden die in sperrichting worden gebruikt. Zoals ook bij de diode het geval is zal bij een bepaalde spanning de diode in ge- 11

12 Figuur 15: RGB-leds met de aansturing (tek. Elektuur) + 12V Figuur 16: Autoverlichtings-modulen bestaan veelal uit diverse leds die in serie en parallel zijn geschakeld Figuur 17: RGB led van 5 mm in SMD uitvoering 12

13 leiding gaan. Bij de gewone diode praten we over de doorslagspanning. Wanneer we de stroomsterkte bij de doorslagspanning beperken dan behoeft de diode niet onmiddellijk defect te raken. Dit gebeurt bij zenerdioden, we spreken niet meer van de doorslagspanning maar van de zenerspanning. De zenerspanning is de spanning waarbij de zenerdiode in sperrichting in geleiding gaat. De sperkarakteristiek laat een zeer steile lijn zien. Dit betekent dat binnen zekere stroomsterkte-grenzen de zenerspanning constant blijft. Fig. 18 laat het symbool en de karakteristiek zien. We maken vooral gebruik van de eigenschap Figuur 18: Het symbool en de grafiek van een zenerdiode dat bij veranderingen van de stroomsterkte de zenerspanning nagenoeg gelijk blijft. Zenerdioden zijn verkrijgbaar in vele uitvoeringen en spanningsreeksen. Een (C) 4V7 zener bijvoorbeeld heeft een zenerspanning van 4,7 V, een C10 zener van 10 V (fig. 19). Zenerdioden worden gebruikt voor beveiliging en spanningsstabilisatie. Fig. 20 laat een testopstelling van een zenerdiode zien. 5 Transistor We hadden reeds gezien dat de transistor drie aansluitingen kent, de basis, de collector en de emittor. Een basisstroom doet de weerstand van de transistor verminderen waardoor een emittor-collectorstroom kan gaan vloeien. De emittorstroom bestaat uit de basis- en collectorstroom. We onderscheiden 13

14 Figuur 19: De karakteristieken van verschillende zenerdiode uit een bepaalde serie Figuur 20: Wanneer we de spanning vergroten zal de stroomsterkte toenemen maar het spanningsverlies over de zenerdiode (nagenoeg) gelijk blijven. Dit is het principe van spanningsstablilisatie. 14

15 voorts een pnp- en een npn-transistor. Het verschil zit in de stroomrichting. De npn-transistor komt het meeste voor en we behandelen in eerste instantie deze transistor. Fig. 21 laat het symbool van beide transistoren zien. Een tran- Figuur 21: Symbool van een pnp- en een npn-transistor sistor is te gebruiken als schakelaar en als versterker. Gebruiken we de transistor als schakelaar dan moet de basisstroom zo groot zijn dat de weerstand over de collector-emittor van de transistor vrijwel geheel wordt opgeheven. Bij het gebruik als versterker laten we de basisstroom variëren waardoor de transistorweerstand dienovereenkomstig verandert en derhalve ook de emittorcollectorstroom. Er bestaat een verband tussen de basisstroom en de collectorstroom. Deze relatie noemen we de versterkingsfactor van de transistor. We hebben bij een transistor te maken met de volgende grootheden: de basisstroom (Ib); de emittorstroom (Ie); de collectorstroom (Ic); de spanning over de transistor (Uce); de spanning over de basis van de transistor (Ube). Deze grootheden zijn in fig. 22 afgebeeld. In de motorvoertuigentechniek heb Ic 01 Ib Ube Uce 01 Ie 01 Figuur 22: De belangrijkste stromen en spanningen in een transistor ben we vooral te maken met gemeenschappelijke emittorschakelingen. Bij deze 15

16 schakeling bekijken we de basisstroom t.o.v. de collectstroom. De emittor is gemeenschappelijk en ligt aan de min. Afbeelding 23 laat zo n g.e.s. schakeling zien. De ingang wordt gevormd door de basisstroom en de uitgang door de collectorstroom. Figuur 23: De gemeenschappelijk emittorschakeling (g.e.s.) Transistorkarakeristieken De eigenschappen van een transistor worden weergegeven met behulp van transistorkarakteristieken. De belangrijkste zijn: de relatie tussen de basisspanning en de bijbehorende collectorstroom; de relatie tussen de basisstroom en de bijbehorende collectorstroom; de relatie tussen de basisstroom / -spanning en de collectoremittorspanning. Per fabrikant en transistortype variëert de uitvoering van de grafiek. We geven enige voorbeelden Relatie basisspanning en collectorstroom Wanneer we de spanning over de basis-emittor vergroten, dan zal de basisstroom toenemen waardoor de weerstand tussen de collector en emittor vermindert met als gevolg dat bij gelijkblijvende emittorspanning de collectoremittorstroom toeneemt. Fig. 24 geeft deze relatie weer voor een BDYtransistor. We zien dat vanaf 0,7 V er een collectorstroom van enige betekenis gaat vloeien (grafiek midden). Wanneer het het gebied van 0 V tot 1 V sterk gaan uitvergroten dan zien we dat de transistor vanaf ongeveer 0,4 V enige activiteit gaat vertonen (grafiek rechts). De (theoretische) testschakeling zonder extra weerstanden is aan de linkerzijde afgebeeld De relatie tussen de basisstroom en de bijbehorende collectorstroom Deze relatie wordt ook wel de overdracht van de transistor genoemd. Een grotere basisstroom veroorzaakt een grotere collectorstroom. De verhouding Ic/Ib 16

17 15 IC (A) VCE = 4 V Tj = 25 C o IC 60 (ma) typ VCE = 4 V Tj = 25 C max + 4 V 10 typ max V V (V) BE V BE (mv) Figuur 24: De testschakeling met de bijbehorende grafieken. noemt men de versterkingsfactor van de transistor afgekort tot h F E. Deze eigenschap is bijzonder belangrijk wanneer we de transistor als stroomversterker willen gaan gebruiken. Dit gebeurt bijv. in de radiotechniek. De versterkingsfactor h F E moet dan zo constant mogelijk zijn. Fig. 25 geeft de versterkingsfactor weer van een serie klein-signaal transistoren. In de grafiek wordt de relatie tussen de collectorstroom en de versterkingsfactor weergegeven. Af te lezen valt dat bij een collectorstroom van 10 ma de h F E bij 25 0 C (ongeveer) 300 bedraagt. De benodigde basisstroom bedraagt dan 10 ma / 300 = 33 µa De relatie tussen de basisstroom en de collector-emittorspanning Wanneer we de basisstroom vergroten dan zal de collector-emittor weerstand kleiner worden. Dit betekent een grotere collectorstroom en minder spanningsverlies over de collector. De praktische meetschakeling toont fig. 26. In deze situatie is een weerstand in het collectorcircuit getekend, terwijl er over de collector-emittor gemeten wordt. Op een gegeven moment zal de weerstand minimaal zijn en zal bij het vergroten van de basisstroom nauwelijks enige verandering in de weerstands-waarde meer optreden. De transistor is dan verzadigd. De spanning die we dan nog over de collector-emittor meten wordt Usat genoemd en bedraagt een paar tiende volts. Zie de grafiek van fig. 26. In deze grafiek is te zien dat het spanningsverlies bij een verzadigde transistor afhangt van de grootte van de collectorstroom en dat het gaat om maximaal 0,3 Volt. In de catalogi voor elektronica-componenten worden alleen de voornaamste eigenschappen van transistoren afgebeeld (fig. 27). Hierin zien we het type (npn), de versterkingsfactor h F E, de maximale collector-emittorspanning (Vce0) en de maximale collectorstroom. De basisstroom kan dan worden uitgerekend. 17

18 Figuur 25: De versterkingsfactor h F E grafisch voorgesteld van een serie klein-signaal transistoren. Veel toegepast wordt de BC547. Figuur 26: Meetschakeling (links) en Usat als functie van de collectorstroom (rechts) 18

19 Figuur 27: De voornaamste eigenschappen alsmede de aansluitingen van de BC.. klein-signaal transistoren. 19

20 Transistor-instelberekeningen We beperken ons tot de reeds genoemde gemeenschappelijke emittorschakeling waarbij we dus de basis- en de collectorstroom met elkaar vergelijken. Verder hebben we reeds de volgende twee schakeling onderscheiden: 1. De transistor wordt digitaal (als schakelaar) gebruikt en heeft twee vaste instelpunten. 2. De transistor wordt als stroomversterker gebruikt en heeft dan vele instelpunten De transistor als schakelaar In zeer veel autotechnische schakelingen zal de transistor (meestal als eindtrap ingebouwd in de computer) als schakelaar worden gebruikt. Er zijn dan twee toestanden: 1. de transistor spert en er vloeit (vrijwel) geen collector-emittorstroom. De volledige spanning (hier 12 V) staat over de collector-emittor. 2. de transistor geleidt en wel zo dat er sprake is van verzadiging, er vloeit dus een collector-emittorstroom. De spanning over de collectoremittor bedraagt 0,1-0,3 V. We geven een voorbeeldschakeling waarbij een processor een led aan en uit moet schakelen. De uitgang van de processor mag maximaal met 1 ma worden belast. De gebruikte transistor heeft de volgende eigenschappen: Ic max bedraagt 100 ma, h F E bedraagt 200, Vce0 45 V (Eigenschappen van de BC 547B transistor). De led verbruikt 20 ma en de benodigde spanning bedraagt 2 V. Fig. 28 geeft de principiële schakeling. De grootte van de weerstanden kunnen we bij benadering als volgt bepalen. We kiezen voor een voedingsspanning van 12 V. Rc zal dan zijn niet kleiner mogen zijn dan (12 V - 2 V ) / 20 ma = 500 Ω. Bij een versterkingsfactor van 200 zal de basisstroom tenminste 20 ma : 200 = 0,1 ma moeten bedragen. Door de transistor volledig in verzadiging te drukken wordt de spanning tussen emittor en collector klein. Hiervoor moeten we de basisstroom groter maken dan de berekende waarde, bijv. 0,5 ma. De weerstand Rb zal dan ongeveer 5 V : 0,5 ma = 10 kω bedragen. Bij de berekening hebben we een aantal zaken verwaarloosd, nl. de grootte van de weerstand R en het spanningverlies over de basis-emittor overgang. De weerstand R is (soms) gemonteerd om bij open schakeling de basis van de transisor niet te laten zweven. Zwevende ingangen kunnen namelijk gemakkelijk stoorsignalen oppakken. De weerstand R dient betrekkelijk groot te zijn bijv. zo n 100 kω. Als R veel groter is dan Rb dan mogen we deze R in de berekening verwaarlozen. Hetzelfde geldt voor de spanning tussen de basis en emittor. We verliezen hier ongeveer 0,7 V spanning. Maar aangezien we de berekende basisstroom toch vergroten in verband met de gewenste verzadiging heeft een nauwkeurige berekening weinig zin. Wel is het zo dat de gekozen weerstandswaarden met behulp van transistor-metingen moeten worden gecontroleerd. Dit gebeurt door in de 20

21 Figuur 28: Schakeling waarbij een denkbeeldige microprocessor een led aanstuurt werkende schakeling Uce en Ube te meten. Ube moet ongeveer 0,7 V bedragen en Uce 0,1 tot 0,3 V. Worden de gewenste waarden niet bereikt dan moeten de weerstandswaarden worden aangepast. De schakeling van fig. 28 kan ook volgens fig. 29 worden weergegeven. We maken dan gebruik van een fysieke schakelaar en laten in het midden welke praktische toepassing de weerstand Rc heeft. De weerstand R is hier minder vrijblijvend teneinde de eerder genoemde open ingang te vermijden. Figuur 29: Principeschakeling van een transistor die als schakelaar wordt gebruikt. 21

22 De transistor als versterker Wanneer we de transsistor als versterker gaan gebruiken dan zullen we de basisstroom moeten variëren. We kunnen dit doen door gebruik te maken van een potentiometer. Fig. 30 geeft een (voorbeeld) opstelling. Door de potentiometer te verdraaien verandert de spanning op de basis en derhalve de stroom. Door de versterkingsfactor zal ook de stroom door de collector variëren. Het resultaat is dat de lichtsterkte van de led kan worden ingesteld. Wanneer de led maximaal oplicht bij een stroom van 20 ma en een spanning van 2 V en de voedingsspanning 12 V bedraagt dan valt de weerstand Rc te berekenen. Deze bedraagt dan (12 V - 2 V) / 20 ma = 500 Ω gelijk aan de voorgaande Figuur 30: Principe-schakeling van een transistor die als stroomversterker wordt gebruikt. berekening. De basisstroom zal dan bij een versterkingsfactor van 200, 20mA / 200 = 0,1 ma bedragen. Wanneer we de led helder willen laten oplichten dan zal de basistroom iets groter genomen moeten worden. Stel 0,2 ma. Het zal duidelijk zijn dat wanneer we de basisstroom nog groter maken er niets meer gebeurt. De weerstand tussen de emittor en collector was al nagenoeg verdwenen. De grootte van de collectorstroom wordt nog uitsluitend bepaald door de weerstand Rc en de led. In het geval van het alsnog vergroten van de basisstroom vermindert de versterkingsfactor. Immers h F E = Ic / Ib waarbij Ic constant blijft en Ib vergroot wordt. In deze situatie is de transistor verzadigd. Om de led met behulp van de potmeter te doven resp. volledig te laten oplichten moet de basisstroom tussen de 0 en 0,2 ma kunnen worden ingesteld. De grootte van Rb is als volgt te bepalen. De maximale spanning op de loper van de potmeter is gelijk aan de 12 V voedingsspanning. Bij 12 V moet er 0,2 ma door de basis gaan. Het spanningsverlies over de basis-emittor bedraagt onder deze omstandigheden ongeveer 0,7 V. De weerstand Rb wordt dan (12 V - 0,7 V) / 0,2 ma = 56,5 kω (In de praktijk zal in eerste instantie voor een weer- 22

23 stand van 47 kω worden gekozen). Door het verdraaien van de potmeter zal de spanning op de loper tussen de 0 en 12 V variëren. De stroomsterkte door de basis variëert dan tussen de 0 en 0,2 ma, de spanning over de basis-emittor tussen de 0 en 0,7 V terwijl de spanning over de emittor-collector zal variëren tussen de 12 en 0 V. Hoe groter de basisstroom hoe kleiner de spanning over de collector-emittor De Darlington transistor Wanneer we met behulp van een controller grote stromen willen schakelen dan kunnen we voor een Darlington transistor kiezen. Een Darlington transistor is opgebouwd uit verschillende transistoren. De collector-emittor strooom van de één vormt de basisstroom voor de andere. Op deze manier verkrijgt men een transistor met een grote versterkingsfactor omdat versterkingsfactoren met elkaar mogen worden vermenigvuldigd. Omdat de benodigde basisstroom bij sommige van deze Darlington transistoren heel klein is, is soms een aanraking met de vingers al voldoende om een dergelijke transistor in geleiding te doen overgaan (fig. 31). We hebben dan het principe van een aanrakingsschakelaar. + 5V R1 100k a 1K led b T2 BC547 T1 BC547 Figuur 31: Principe-schakeling van een Darlington transistor opgebouwd uit twee losse transistoren 6 Field Effective Transistor (FET) De FET is het beste te vergelijken met een gewone transistor. Ze hebben beide drie aansluitingen en zijn in staat om stromen te sturen. Het grote verschil is dat de FET geen basisstroom nodig heeft maar alleen een spanning. De FET wordt dus energieloos gestuurd. De drie aansluitingen hebben ook een andere naam gekregen. Men spreekt van de drain (+), de source (-) en de gateaansluiting (g). Er moet worden opgemerkt dat de elektronen van - naar + 23

24 stromen dus van de source (bron) naar de drain (afvoer). We houden hier dus de richting van de werkelijke elektronenstroom aan. Hoewel er meerdere uitvoeringen zijn bekijken we hier alleen het niet geleidende en het geleidende, positief gestuurde type. De niet geleidende uitvoering lijkt het meeste op die van de reeds besproken transistor. In de motorvoertuigentechniek hebben vooral de power MOSFETS bekendheid gekregen. Deze FETS kunnen grote stromen schakelen terwijl de benodigde gatespanning de voorafgaande (microprocessor) trap nauwelijks belast. Bij de MOSFET wordt de drain-source door een soort condensator van de gate gescheiden gehouden (fig. 32). Met behulp van BUZ10 drain drain gate gate g d s source source Figuur 32: Het aanzicht en het symbool van een niet geleidende (BUZ10) en een geleidende PowerFet. de overdrachtskarakteristiek kunnen we een FET-schakeling instellen. Bij het niet geleidende type geldt: hoe groter de spanning op de gate hoe groter de stroom door de drain. De weerstand tussen de drain en de source hangt derhalve af van de gatespanning. Men kan dan ook FETS als een instelbare weerstand gebruiken. Wanneer we de grafiek van fig. 33 bestuderen dan zien we dat ongeveer een spanning van 5,5 V nodig is om de FET volledig open te sturen terwijl een spanning onder de 3 V de FET doet sperren. Populair zijn Power- MosFets die op TTL-niveau werken. Deze logic-level Power MOSFETS kunnen namelijk rechtstreeks op een microprocessor worden aangesloten. Een bekende is de BUK GL die ook intern tegen overbelasting is beschermd. Fig. 34 geeft het schema van een dergelijke TOPFET (TOP = Temperarure Overload Protected). Afgebeeld in de figuur is: De pinbezetting (gate is vervangen door input), het blokschema van het inwendige en de transfer karakteristiek. Uit de karakteristiek is te lezen dat beneden de 2 Volt de FET spert en dat bij 5 V al een stroom van 25 A geschakeld wordt (De toelaatbare max. stroom bedraagt 13,5 A). Fig. 35 geeft een toepassing. Een injector wordt door de genoemde TOPFET geschakeld. Een weerstand R (bijv. 1 kω) wordt veelal toegepast om een min verbinding te garanderen wanneer de puls laag wordt. 24

25 Figuur 33: Overdrachtkarakteristiek van van de BUZ10 PowerMOSFET. Deze FET schakelt een stroom van maximaal 20 A. Maximale spanning drain-source 50 V. Figuur 34: De transfer-karakteristiek van de BUK 100 (links). De pinbezetting en het blokschema van de BUK 100 met de inwendige componenten (rechts) 25

26 Figuur 35: Toepassingsschakeling van de BUK100-50GL De geleidende FET Bij een positief gestuurde en geleidende FET is er nagenoeg geen weerstand tussen de drain en de source wanneer er geen spanning op de gate staat. De stroom is dan maximaal maar hangt natuurlijk af van de weerstand van de geschakelde verbruiker. Een spanning op de gate doet echter de weerstand tussen de drain en de source toenemen. Hij wordt als het ware door de gatespanning dichtgedrukt. De weerstand tussen de drain en source is maximaal bij een spanning van bijv. 5 V (fig. 36). Figuur 36: Toepassing van een geleidende MOSFET in een snelheidsregeling van een ventilatormotor 26

27 7 IGBT De Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is een transistor die geschikt is om grote stromen te schakelen met een kleine stuurspanning. In wezen is het een combinatie van een MOSFET en een transistor. Omdat het blokkerende vermogen van een IGBT klein is wordt vaak een diode in serie gezet. De IGBT heeft een betrekkelijk hoge doorlaatspanning van ongeveer 3,5 V. IGBT s vindt men in de motorvoertuigentechniek veelvuldig toegepast in de vermogenselektronica. Het gaat dan om het aansturen van driefasen-wisselstroommotoren die vanuit een gelijkspannig moeten worden gevoed. Toepassing van driefasen-motoren zien we bij o.a. bij elektrische stuurbekrachtigingen en hybride-voertuigen. De aansturing van de IGBT s vindt plaats met behulp van een processor (fig. 37). collector C C G gate G E emittor E Figuur 37: Voorstelling van de opbouw van een IGBT bestaande uit een MOSFET en een transistor (links) en de symbolen (rechts). 8 Thyristor Thyristoren zijn componenten waar we in de autotechniek niet zo veel mee te maken krijgen. De thyristor-ontsteking wordt nog wel eens genoemd. We hebben dan met ontstekingssystemen te maken die genoemd zijn naar het schakelende element de thyristor. Een thyristor kan worden beschouwd als een schakelbare diode. Hij bezit drie aansluitingen, de gate, de anode (+) en de kathode (-). De thyristor wordt gebruikt in de doorlaatrichting. In de sperrichting is de weerstand bijzonder groot en zijn de eigenschappen vergelijkbaar met die van een diode. In de doorlaatrichting spert de thyristor ook. Op het moment echter dat een positieve spanningspuls (bijv. 1V, 10 ma) op de gate wordt gezet dan gaat de thyristor in geleiding en blijft in geleiding. Om de thyristor te laten sperren zal de stroom door de thyristor moeten worden onderbroken. Op dat moment spert de thyristor en blijft in de spertoestand totdat een nieuwe gate-puls wordt opgewekt (fig. 38). Thyristoren worden ook gebruikt als beveiligscomponenten. Er zijn thyristoren die zeer grote stromen kunnen schakelen. 27

28 Figuur 38: Het symbool van de thyristor (links), de inschakelpuls (midden) en het onderbreken van de stroomkring (rechts). 9 Bijzondere componenten Er zijn elektronica componenten die weinig in de autotechniek worden gebruikt. We noemen de GTO, een in- en uitschakelbare thyristor, de diac en de triac. Deze laatste componenten worden voornamelijk in de wisselstroomtechniek toegepast. Ze worden in hoofdzaak gebruikt voor de vermogensregeling van wisselstroommotoren. Dit principe staat dan bekend onder faseaansnijding. Bij de moderne hybride-motoren zien we ze soms weer toegepast. 10 Opto-componenten De opto-elektronica omvat elektronica-componenten die gebruik maken van het verschijnsel licht. Licht is een vorm van energie (elektromagnetische straling). De meeste halfgeleidercomponenten zijn lichtgevoelig in de betekenis dat ze licht uitzenden en kunnen ontvangen. Wordt dit verschijnsel verder uitgewerkt dan ontstaan de opto-componenten. De eerder behandelde led is het meest bekende component. Anderen zijn: de foto-diode; de foto-transistor; de LDR; de optocoupler. Ook de laser-stralen, glasvezelkabel en foto-elektrische cellen worden ingedeeld bij de opto-elektronica. We behandelen beknopt die componenten waarmee we in de autotechniek te maken zouden kunnen krijgen De fotodiode Deze fotodiode bevat een raampje waardoor licht kan vallen en wordt uitsluitend in sperrichting gebruikt. De hoeveelheid licht die op het venstertje valt bepaalt de grootte van de zeer kleine sper stroom. IR-fotodiodes worden toepast in afstandsbedieningen. Fig. 39 geeft het symbool en de werkingskarakteristiek van een fotodiode weer. 28

29 Figuur 39: Symbool en karakteristiek van een fotodiode De fototransistor Bij de fototransistor wordt de basisstroom gevormd door opvallend licht. De fototransistor heeft geen basisaansluiting. Het basismateriaal bezit een venstertje. Ten opzichte van de fotodiode heeft de fototransistor het voordeel dat deze aanmerkelijk sneller schakelt en dat de collectorstroom dermate groot kan zijn dat bijv. een relais rechtstreeks kan worden aangestuurd. Fig. 40 geeft het symbool weer van een fototransistor. Figuur 40: Het symbool van een fototransistor Optocouplers De opto-coupler bestaat uit een led en een fototransistor. Opto-couplers brengen zoals het woord al zegt de koppeling tot stand tussen twee elektrische circuits. Met een dergelijk IC kunnen elektrische circuits galvanisch van elkaar worden gescheiden. De signaaloverdracht van het ene circuit naar het andere gebeurt dan door middel van licht. We zien dergelijke schakelingen toegepast wanneer we bijv. een Personal Computer aan de diagnosestekker van de auto koppelen of met behulp van een PC oscilloscoopbeelden willen afdrukken (fig. 41). Opto-couplers kunnen ook worden gebruikt als impulsgevers. Wanneer de led periodiek wordt afgeschermd dan ontstaat aan de kant van de fototransistor een puls. Omdat ook lichtinval van buitenaf een rol zou kunnen spelen maakt men bij optische impulsgevers vaak gebruik van IR-leds (fig. 42). 29

30 Figuur 41: Het symbool van een opto-coupler Figuur 42: Het gebruik van een opto-coupler als optische impulsgever Bijzondere opto-componenten Laserdiode Zover bekend zijn er nog geen directe toepassingen van laserlicht in de automobiel. Wel wordt er uitgebreid mee geëxperimenteerd. Het bijzonder van laserlicht ten opzichte van gewoon licht is dat het bestaat uit één enkele golflengte. Een laserdiode produceert een lichtbundel die zich vrijwel rechtlijnig voortbeweegt. Er zijn vele toepassingsmogelijkheden. Men denkt vooral aan nauwkeurige afstands- c.q. snelheidmetingen. Toegepast in remsystemen geeft dit de mogelijkheid om bijv. in geval van botsingsgevaar het remsysteem zelf te laten ingrijpen Optische vezels Glasvezelskabels worden momenteel reeds toegepast in de duurdere automobielen. Ze vormen dan in een zgn. netwerk de signaalverbinding tussen de verschillende multimedia (auto)computers. Een elektrisch signaal wordt omgezet in een lichtstraal. De lichtstraal wordt door de glasvezelkabel gestuurd en vervolgens weer in een elektrisch signaal omgezet. De voornaamste voordelen van glasvezel bekabeling zijn: licht in gewicht; geen kortsluitproblemen; geen magnetische koppeling (storing); geschikt voor communicatie van 1 Mb/s en hoger. 30

31 Fig. 43 geeft het principe weer van signaaloverdracht met behulp van een glasvezelkabel Figuur 43: Principe van signaaloverbrenging dor middel van glasvezelkabel De foto-elektrische cel Tot slot willen we de foto-elementen noemen. Deze cellen kunnen (zon)licht omzetten in een elektrische spanning. Fig. 44 geeft het symbool weer. Figuur 44: De foto-elektrische cel 11 Vragen en opgaven Zie boek 31