Übungsaufgaben zu Schaltungsentwurf und Schaltungsänderung

Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.

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Schaltungsänderung“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/schaltungsentwurf
- https://oer-informatik.de/transistor-als-schalter
- https://oer-informatik.de/opv-grundschaltungen
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/schaltungsentwurf-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Schaltungsentwurf
- Schaltungserweiterung
- Teilschaltung
- MOSFET
- Freilaufdiode
- nichtinvertierender Verstärker
- Normreihe
- Bauteilauswahl
- Änderungsindex
- Stückliste

Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Geg.: U_\mathrm{B} = 12\ \mathrm{V}; Mikrocontroller-Ausgang U_\mathrm{OH} = 3{,}3\ \mathrm{V}, I_\mathrm{max} = 10\ \mathrm{mA}; Pumpe I_\mathrm{N} = 0{,}8\ \mathrm{A}, I_\mathrm{A} = 2{,}4\ \mathrm{A}; MOSFET U_\mathrm{DS,max} = 30\ \mathrm{V}, I_\mathrm{D,max} = 5\ \mathrm{A}, R_\mathrm{DS(on)} = 45\ \mathrm{m\Omega} bei U_\mathrm{GS} = 2{,}5\ \mathrm{V}, P_\mathrm{tot} = 1{,}25\ \mathrm{W}; Sensor 0 … 1,2 V, R_\mathrm{i} = 10\ \mathrm{k\Omega}; ADC 0 … 3,3 V

Ges.: Skizze; R_\mathrm{G}, R_\mathrm{GS}; P_\mathrm{V} bei Nennstrom und Anlauf; Anforderungen an die Freilaufdiode

Skizze (3 Punkte): MOSFET K3 als Low-Side-Schalter, Pumpe M1 zwischen +12 V und Drain, Freilaufdiode R14 antiparallel zur Pumpe (Katode an +12 V), Source an Masse, Gate über R_\mathrm{G} am Mikrocontroller-Ausgang, R_\mathrm{GS} von Gate nach Masse. Die Skizze zeigt beide Teilschaltungen aus a) und b):

Gate-Vorwiderstand (1 Punkt): Beim Umschalten lädt der Ausgang die Gate-Kapazität; der Spitzenstrom darf 10\ \mathrm{mA} nicht überschreiten.

\begin{aligned} &\text{(I)} && R = \frac{U}{I} \end{aligned}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} R_\mathrm{G} & \ge & \dfrac{U_\mathrm{OH}}{I_\mathrm{max}} = \dfrac{3{,}3\ \mathrm{V}}{10\ \mathrm{mA}} = 330\ \mathrm{\Omega} & \end{array}

Gewählt (E12): \underline{\underline{R_\mathrm{G} = 330\ \mathrm{\Omega}}}.

Gate-Ableitwiderstand (1 Punkt): \underline{\underline{R_\mathrm{GS} = 100\ \mathrm{k\Omega}}} (üblich 10 kΩ … 100 kΩ). Er hält das Gate auf 0 V, solange der Mikrocontroller nach dem Einschalten oder beim Programmieren seinen Ausgang noch nicht treibt; die Pumpe läuft dann nicht unbeabsichtigt an. Der Spannungsteiler aus R_\mathrm{G} und R_\mathrm{GS} verringert U_\mathrm{GS} nur auf etwa 3{,}29\ \mathrm{V}.

Verlustleistung (2 Punkte): Bei U_\mathrm{GS} \approx 3{,}3\ \mathrm{V} ist R_\mathrm{DS(on)} höchstens so groß wie bei 2,5 V; mit 45 mΩ rechnest Du also auf der sicheren Seite.

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_\mathrm{V} = I_\mathrm{D}^2 \cdot R_\mathrm{DS(on)} \end{aligned}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{V,N} & = & (0{,}8\ \mathrm{A})^2 \cdot 45\ \mathrm{m\Omega} = \underline{\underline{28{,}8\ \mathrm{mW}}} & \\ P_\mathrm{V,A} & = & (2{,}4\ \mathrm{A})^2 \cdot 45\ \mathrm{m\Omega} \approx \underline{\underline{0{,}259\ \mathrm{W}}} & \end{array}

Beide Werte liegen weit unter P_\mathrm{tot} = 1{,}25\ \mathrm{W}; auch I_\mathrm{D,max} = 5\ \mathrm{A} und U_\mathrm{DS,max} = 30\ \mathrm{V} haben genug Reserve. Ein Kühlkörper ist nicht nötig.

Freilaufdiode (1 Punkt): Sperrspannung deutlich über 12 V (z. B. U_\mathrm{RRM} \ge 30\ \mathrm{V}), Durchlassstrom mindestens der Motorstrom beim Abschalten (≥ 0,8 A, besser 1 A), möglichst schnell schaltend – z. B. eine Schottky-Diode 1 A / 40 V oder eine 1N4001 (1 A / 50 V).

Ges.: Skizze, Begründung der Grundschaltung, R_2 (E12), U_\mathrm{A,max}

Grundschaltung (2 Punkte): Der nichtinvertierende Verstärker hat einen sehr hohen Eingangswiderstand und belastet den Sensor mit seinem Innenwiderstand von 10 kΩ nicht; ein invertierender Verstärker würde mit R_1 einen Spannungsteiler zum Innenwiderstand bilden und die Verstärkung verfälschen. Außerdem behält das Signal seine Polarität, sodass die einfache Versorgung mit 3,3 V genügt.

Skizze (2 Punkte): siehe rechten Teil der Skizze in a): u_\mathrm{S} am Pluseingang, R_2 vom Ausgang zum Minuseingang, R_1 vom Minuseingang nach Masse, Ausgang an den ADC.

Dimensionierung (3 Punkte):

\begin{aligned} &\text{(I)} && V = \frac{U_\mathrm{A}}{U_\mathrm{E}} \\ &\text{(II)} && V = 1 + \frac{R_2}{R_1} \end{aligned}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} V & = & \dfrac{3{,}3\ \mathrm{V}}{1{,}2\ \mathrm{V}} = 2{,}75 & \\ V & = & 1 + \dfrac{R_2}{R_1} & \color{gray}{- 1 \quad \cdot R_1} \\ R_2 & = & R_1 \cdot (V - 1) = 10\ \mathrm{k\Omega} \cdot 1{,}75 = 17{,}5\ \mathrm{k\Omega} & \end{array}

(1 Punkt). Der nächstgrößere E12-Wert 18 kΩ ergäbe V = 2{,}8 und U_\mathrm{A,max} = 3{,}36\ \mathrm{V} – mehr als der ADC wandeln kann. Deshalb wird der kleinere Wert gewählt: \underline{\underline{R_2 = 15\ \mathrm{k\Omega}}} (1 Punkt).

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{A,max} & = & \left(1 + \dfrac{15\ \mathrm{k\Omega}}{10\ \mathrm{k\Omega}}\right) \cdot 1{,}2\ \mathrm{V} = \underline{\underline{3{,}00\ \mathrm{V}}} & \end{array}

(1 Punkt). Der ADC wird damit zu etwa 91 % ausgenutzt; ein Rest bleibt als Reserve für Sensortoleranzen.

Ges.: Vor-/Nachteile-Tabelle, Alternative, drei Auswahlkriterien

(je Zeile 1 Punkt, Vorteile und Nachteile müssen zur Anwendung passen; 3 Punkte)

Alternative (1 Punkt), z. B.: Darlington-Transistor bzw. Treiberarray, Halbleiterrelais (SSR) für DC-Lasten, integrierter Low-Side-Treiber mit Schutzfunktionen oder ein Motortreiber-IC.

Auswahlkriterien (2 Punkte, drei davon), z. B.: Logic-Level-Typ, d. h. R_\mathrm{DS(on)} ist schon bei U_\mathrm{GS} \le 3{,}3\ \mathrm{V} spezifiziert; U_\mathrm{DS,max} mit Reserve über 12 V; I_\mathrm{D,max} über dem Anlaufstrom; Verlustleistung P_\mathrm{tot} und Wärmewiderstand der Bauform; Bauform passend zur Platine; Verfügbarkeit und Preis.

Ges.: Kennzeichen der neuen Bauteile; Änderungen in Schaltplan, Schriftfeld und Stückliste

Kennzeichen (2 Punkte): Die Zählung wird je Kennbuchstabe fortgesetzt, vorhandene Kennzeichen bleiben unverändert:

Dokumentation (2 Punkte): Im Schaltplan die beiden Teilschaltungen mit Werten eintragen und den geänderten Bereich markieren (Rahmen oder Revisionswolke). Im Schriftfeld den Änderungsindex von B auf C setzen und in der Änderungstabelle Datum, Name und Inhalt eintragen („Pumpenansteuerung und Bodenfeuchtemessung ergänzt, -R10 … -R14, -K3, -N2, -M1“). In der Stückliste neue Positionen mit Kennzeichen, Wert, Toleranz, Bauform und Bestellbezeichnung anlegen. Nach dem Umbau die Funktion prüfen und protokollieren (z. B. U_\mathrm{A} bei nassem Sensor, Schalten der Pumpe).