Übungsaufgaben zu Bauformen und Ersatztypen: Gehäusebauformen, Typbezeichnungen und Vergleichstypen von Bauelementen

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.

Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Bauformen und Ersatztypen:
Gehäusebauformen, Typbezeichnungen und Vergleichstypen von
Bauelementen“.

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/bauformen-ersatztypen
- https://oer-informatik.de/datenblaetter-fachenglisch
- https://oer-informatik.de/beschaffung
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/bauformen-ersatztypen-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Gehäusebauform
- Typbezeichnung
- IC-Fassung
- Verlustleistung
- Derating
- Ersatztyp
- Pinbelegung
- Spannungsregler
- Treiberbaustein
- Steckernetzteil

Kompetenzstufe: Basiskompetenz (alternativ: Kernkompetenz, 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.: Beschreibung der Bauteile -K1 bis -K4

Ges.: Bauform und Montageart

Je Bauteil 1 Punkt (Bauform und Montageart):

Ges.: Bestellbezeichnung für -K1; Bedeutung von 74, HC und 14

• Bestellung (1 Punkt): -K1 ist ein DIL-14 für eine Fassung, also das PDIP-Gehäuse: \underline{\underline{\text{SN74HC14N}}}. D (SOIC) und PW (TSSOP) sind SMD-Gehäuse und passen nicht.

• „74“: Baureihe der Logikbausteine für den Standard-Temperaturbereich (54 wäre der erweiterte Bereich) (½ Punkt).

• „HC“: Logikfamilie High-Speed-CMOS mit 2 V bis 6 V Versorgung und CMOS-Pegeln (1 Punkt).

• „14“: Funktionsnummer: sechs Inverter mit Schmitt-Trigger-Eingängen; die Nummer ist in allen Familien gleich (½ Punkt).

Ges.: mögliche Einbaufehler; Vorgehen beim Stecken; Lage von Pin 8 und Pin 14

Einbaufehler (1 Punkt, je ½ Punkt), z. B.:

• Baustein \underline{\underline{\text{um 180° verdreht}}} gesteckt: Versorgung liegt verpolt an den Pins 7 und 14.

• Baustein um eine Reihe versetzt gesteckt oder ein Bein umgeknickt bzw. neben der Fassung: falsche Pins an der Versorgung.

Vorgehen (1 Punkt): Versorgung aus, ESD-Schutz; Kerbe zur Kerbe der Fassung bzw. zum Bestückungsdruck; gespreizte Beine auf dem Tisch senkrecht ausrichten; alle Beine über die Kontakte setzen, gleichmäßig eindrücken und kontrollieren.

Lage (1 Punkt): Kerbe oben, von oben gesehen: Pin 1 oben links, die Pins 1 bis 7 laufen links nach unten, \underline{\underline{\text{Pin 8 unten rechts}}}, dann rechts nach oben bis \underline{\underline{\text{Pin 14 oben rechts}}} gegenüber von Pin 1 (Zählung gegen den Uhrzeigersinn).

Geg.: DIL-16: P_\mathrm{tot,25} = 1{,}25\ \mathrm{W}, k = 10{,}0\ \mathrm{mW/K}; SO-16: P_\mathrm{tot,25} = 0{,}90\ \mathrm{W}, k = 7{,}2\ \mathrm{mW/K}; T_\mathrm{A} = 60\ \mathrm{°C}; P_\mathrm{V} = 0{,}70\ \mathrm{W}

Ges.: P_\mathrm{tot}(60\ \mathrm{°C}) für beide Gehäuse; Auswahl

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_\mathrm{tot}(T_\mathrm{A}) = P_\mathrm{tot,25} - k \cdot (T_\mathrm{A} - 25\ \mathrm{°C}) \end{aligned}

Je Gehäuse 1 Punkt:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{tot,DIL} & = & 1{,}25\ \mathrm{W} - 10{,}0\ \mathrm{\tfrac{mW}{K}} \cdot 35\ \mathrm{K} = \underline{\underline{0{,}900\ \mathrm{W}}} & \\ P_\mathrm{tot,SO} & = & 0{,}90\ \mathrm{W} - 7{,}2\ \mathrm{\tfrac{mW}{K}} \cdot 35\ \mathrm{K} = \underline{\underline{0{,}648\ \mathrm{W}}} & \end{array}

Entscheidung (2 Punkte): Im SO-16 darf der Baustein bei 60 °C nur 0{,}648\ \mathrm{W} < 0{,}70\ \mathrm{W} umsetzen – die Sperrschicht würde zu heiß. Geeignet ist das \underline{\underline{\text{DIL-16}}} mit 0{,}900\ \mathrm{W} > 0{,}70\ \mathrm{W}; der größere Kunststoffkörper und die Drahtanschlüsse leiten die Wärme besser ab (kleinerer Wärmewiderstand).

Geg.: Relaisstufe mit npn-Transistor -K1 im TO-92, Relais 24 V/60 mA, h_\mathrm{FE} \geq 100

Ges.: Mindestanforderungen an den Ersatztyp

Je Anforderung ½ Punkt (höchstens 2 Punkte):

• Art: \underline{\underline{\text{npn}}} (gleiche Ansteuerung wie bisher)

• Sperrspannung: U_\mathrm{CEO} > 24\ \mathrm{V} mit Reserve, also z. B. mindestens 30 V bis 40 V – beim Abschalten liegt durch die Freilaufdiode etwa 24\ \mathrm{V} + 0{,}7\ \mathrm{V} an

• Kollektorstrom: I_\mathrm{C,max} > 60\ \mathrm{mA} mit Reserve, Verlustleistung im Durchlass klein

• Stromverstärkung: h_\mathrm{FE} \geq 100 (kleinster Wert der Streuung)

• Gehäuse: TO-92 für die vorhandenen Bohrungen; Pinbelegung beachten

Ges.: Prüfung von T1 bis T4; Auswahl

Je Typ 1 Punkt:

• T2 scheidet aus: \underline{\underline{\text{pnp}}} statt npn – mit der vorhandenen Ansteuerung würde er nicht schalten.

• T3 scheidet aus: U_\mathrm{CEO} = 20\ \mathrm{V} < 24\ \mathrm{V} – schon die Betriebsspannung liegt über dem Grenzwert.

• T4 scheidet aus: elektrisch passend, aber das \underline{\underline{\text{SMD-Gehäuse SOT-23}}} passt nicht auf die Bohrungen für das TO-92.

• Gewählt wird \underline{\underline{\text{T1}}}: npn, 45 V, 800 mA, 625 mW und h_\mathrm{FE} \geq 160 – alle Werte mindestens so gut wie beim bisherigen Typ. Nur die Belegung ist anders (E – B – C).

Ges.: Einbau von T1; Dokumentation

• Einbau (1 Punkt): Bei T1 liegen Kollektor und Emitter vertauscht, die Basis bleibt in der Mitte. T1 wird deshalb \underline{\underline{\text{um 180° gedreht}}} eingesetzt – die flache Seite zeigt in die andere Richtung als im Bestückungsdruck. Vor dem Einschalten mit dem Datenblatt kontrollieren, dass C am Relais und E an Masse liegt.

• Dokumentation (1 Punkt): Ersatztyp mit Typbezeichnung, Grund des Tauschs, abweichende Einbaulage (Bestückungsdruck stimmt nicht mehr), Datum und Name; ggf. Stückliste anpassen.

Geg.: 1N4148: 100 V, 200 mA, 4 ns; 1N4007: 1000 V, 1 A, ca. 2 µs; Spulenstrom 60 mA bei 24 V

Ges.: Eignung der 1N4007 als Freilaufdiode; ungeeignete Anwendung

• Grenzwerte (1 Punkt): U_\mathrm{RRM} = 1000\ \mathrm{V} \gg 24\ \mathrm{V} und I_\mathrm{F} = 1\ \mathrm{A} \gg 60\ \mathrm{mA} – die Grenzwerte sind deutlich besser, das bedrahtete Gehäuse passt in die Bohrungen (Rastermaß prüfen, DO-41 ist etwas dicker).

• Kennwert (1 Punkt): Die Sperrverzögerungszeit ist mit etwa 2 µs viel größer. Ein Relais wird aber nur selten geschaltet; beim Abschalten muss die Diode nur leiten. Die 1N4007 ist als Freilaufdiode \underline{\underline{\text{geeignet}}}.

• Nicht zulässig (1 Punkt) wäre der Tausch, wo die Diode schnell zwischen Leiten und Sperren wechseln muss, z. B. in einem \underline{\underline{\text{Schaltregler}}}, an einem PWM-Ausgang mit hoher Frequenz oder in einer schnellen Signal- bzw. Logikschaltung: Während der langen Sperrverzögerung fließt Strom in Sperrrichtung, es entstehen Verluste und Störungen.

Geg.: Halbleiterrelais mit Triac-Ausgang, 24 V bis 280 V AC, 2 A, Nullspannungsschalter; Last 24 V DC, 1,5 A

Ges.: Eignung

Das Halbleiterrelais ist \underline{\underline{\text{nicht geeignet}}} (1 Punkt): Ein Triac sperrt erst, wenn der Laststrom durch null geht. An Gleichspannung gibt es keinen Nulldurchgang, die Beleuchtung bliebe nach dem ersten Einschalten dauernd an. Zudem schaltet ein Nullspannungsschalter erst im Nulldurchgang der Spannung ein, den es bei Gleichspannung ebenfalls nicht gibt. Nötig ist ein Halbleiterrelais für Gleichspannung mit MOSFET- oder Transistorausgang, mindestens 24 V und 1,5 A mit Reserve (1 Punkt).

Geg.: Versorgung 12 V (bis 13,8 V), Ausgang 5 V/300 mA, TO-220 auf Kühlkörper, T_\mathrm{A} \leq 50\ \mathrm{°C}

Ges.: sechs Kriterien

Je Kriterium ½ Punkt, z. B.:

• Ausgangsspannung und höchster Ausgangsstrom mit Reserve

• höchste zulässige Eingangsspannung (über der Leerlaufspannung des Netzteils)

• Dropout-Spannung bzw. kleinste Eingangsspannung

• Verlustleistung und Wärmewiderstand im vorhandenen Gehäuse bzw. auf dem vorhandenen Kühlkörper, T_\mathrm{J,max}

• Gehäuse, Footprint und Pinbelegung (IN, GND, OUT)

• nötige Beschaltung (Ein- und Ausgangskondensatoren, Stabilität)

• Restwelligkeit und Störungen, Ruhestrom, Schutzfunktionen (Kurzschluss, Übertemperatur), Lieferbarkeit

Geg.: R1: SOT-223, Belegung 1 GND, 2 OUT, 3 IN; U_\mathrm{E,max} = 15\ \mathrm{V}; R_\mathrm{thJA} = 60\ \mathrm{K/W}; T_\mathrm{J,max} = 125\ \mathrm{°C}; U_\mathrm{E} = 13{,}8\ \mathrm{V}; I = 300\ \mathrm{mA}; T_\mathrm{A} = 50\ \mathrm{°C}

Ges.: P_\mathrm{V}, T_\mathrm{J} von R1; Begründung

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_\mathrm{V} = (U_\mathrm{E} - U_\mathrm{A}) \cdot I \\ &\text{(II)} && T_\mathrm{J} = T_\mathrm{A} + P_\mathrm{V} \cdot R_\mathrm{thJA} \end{aligned}

I in II (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{V} & = & (13{,}8\ \mathrm{V} - 5{,}0\ \mathrm{V}) \cdot 0{,}3\ \mathrm{A} = \underline{\underline{2{,}64\ \mathrm{W}}} & \\ T_\mathrm{J} & = & 50\ \mathrm{°C} + 2{,}64\ \mathrm{W} \cdot 60\ \mathrm{\tfrac{K}{W}} \approx \underline{\underline{208\ \mathrm{°C}}} & \end{array}

Begründung:

• Thermik (1 Punkt): 208\ \mathrm{°C} liegt weit über T_\mathrm{J,max} = 125\ \mathrm{°C}. Die kleine Dropout-Spannung nützt nichts, weil die Verlustleistung von der tatsächlichen Spannungsdifferenz abhängt; das SOT-223 kann auf dem vorhandenen Kühlkörper nicht montiert werden. Außerdem liegt die Eingangsspannung mit 13{,}8\ \mathrm{V} nur knapp unter dem Grenzwert von 15\ \mathrm{V}.

• Gehäuse und Belegung (1 Punkt): SMD statt TO-220 und \underline{\underline{\text{andere Reihenfolge}}} (GND, OUT, IN statt IN, GND, OUT) – ohne Adapterplatine bzw. neues Layout nicht einsetzbar; zusätzlich wäre ein Ausgangskondensator von mindestens 10 µF nötig.

Geg.: R2: R_\mathrm{thJC} = 5\ \mathrm{K/W}, T_\mathrm{J,max} = 125\ \mathrm{°C}; R_\mathrm{thCK} = 0{,}5\ \mathrm{K/W}; R_\mathrm{thKA} = 12\ \mathrm{K/W}

Ges.: P_\mathrm{V}, T_\mathrm{J}; Beurteilung

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_\mathrm{V} = (U_\mathrm{E} - U_\mathrm{A}) \cdot I \\ &\text{(II)} && R_\mathrm{th,ges} = R_\mathrm{thJC} + R_\mathrm{thCK} + R_\mathrm{thKA} \\ &\text{(III)} && T_\mathrm{J} = T_\mathrm{A} + P_\mathrm{V} \cdot R_\mathrm{th,ges} \end{aligned}

Nacheinander (je 1 Punkt für P_\mathrm{V} und T_\mathrm{J}):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{V} & = & (13{,}8\ \mathrm{V} - 5{,}0\ \mathrm{V}) \cdot 0{,}3\ \mathrm{A} = \underline{\underline{2{,}64\ \mathrm{W}}} & \\ R_\mathrm{th,ges} & = & 5\ \mathrm{\tfrac{K}{W}} + 0{,}5\ \mathrm{\tfrac{K}{W}} + 12\ \mathrm{\tfrac{K}{W}} = 17{,}5\ \mathrm{\tfrac{K}{W}} & \\ T_\mathrm{J} & = & 50\ \mathrm{°C} + 2{,}64\ \mathrm{W} \cdot 17{,}5\ \mathrm{\tfrac{K}{W}} = \underline{\underline{96{,}2\ \mathrm{°C}}} & \end{array}

Beurteilung (1 Punkt): 96{,}2\ \mathrm{°C} liegt fast 30\ \mathrm{K} unter T_\mathrm{J,max} = 125\ \mathrm{°C}. R2 hat Gehäuse und Belegung des bisherigen Reglers und ist auf dem vorhandenen Kühlkörper \underline{\underline{\text{thermisch geeignet}}} – ein direkter Ersatz. Dabei muss die Wärmeleitpaste erneuert werden.

Geg.: R3: Wirkungsgrad \eta = 0{,}9; U_\mathrm{E} = 13{,}8\ \mathrm{V}; U_\mathrm{A} = 5{,}0\ \mathrm{V}; I_\mathrm{A} = 300\ \mathrm{mA}

Ges.: P_\mathrm{E}, I_\mathrm{E}, P_\mathrm{V}; Vergleich

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_\mathrm{A} = U_\mathrm{A} \cdot I_\mathrm{A} \\ &\text{(II)} && \eta = \frac{P_\mathrm{A}}{P_\mathrm{E}} \\ &\text{(III)} && P_\mathrm{E} = U_\mathrm{E} \cdot I_\mathrm{E} \\ &\text{(IV)} && P_\mathrm{V} = P_\mathrm{E} - P_\mathrm{A} \end{aligned}

II umgestellt, I in II (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} \eta & = & \dfrac{P_\mathrm{A}}{P_\mathrm{E}} & \color{gray}{\cdot P_\mathrm{E} \; : \eta} \\ P_\mathrm{E} & = & \dfrac{U_\mathrm{A} \cdot I_\mathrm{A}}{\eta} = \dfrac{5{,}0\ \mathrm{V} \cdot 0{,}3\ \mathrm{A}}{0{,}9} \approx \underline{\underline{1{,}67\ \mathrm{W}}} & \end{array}

III umgestellt, I und II in III (1 Punkt), I und II in IV (½ Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{E} & = & \dfrac{U_\mathrm{A} \cdot I_\mathrm{A}}{\eta \cdot U_\mathrm{E}} = \dfrac{1{,}5\ \mathrm{W}}{0{,}9 \cdot 13{,}8\ \mathrm{V}} \approx \underline{\underline{121\ \mathrm{mA}}} & \\ P_\mathrm{V} & = & \dfrac{P_\mathrm{A}}{\eta} - P_\mathrm{A} = 1{,}5\ \mathrm{W} \cdot \left(\dfrac{1}{0{,}9} - 1\right) \approx \underline{\underline{0{,}167\ \mathrm{W}}} & \end{array}

Vergleich (½ Punkt): Ein Linearregler nimmt am Eingang den vollen Laststrom von etwa 300\ \mathrm{mA} auf. R3 braucht nur rund 40\ \% davon, und statt 2{,}64\ \mathrm{W} fallen nur 0{,}167\ \mathrm{W} als Wärme an – ein Kühlkörper ist nicht nötig.

Ges.: Entscheidung zwischen R2 und R3

Gewählt wird \underline{\underline{\text{R2}}} (1 Punkt für die Entscheidung, 1 Punkt für die Begründung):

• R2 ist ein direkter Ersatz (gleiches Gehäuse, gleiche Belegung, passender Kühlkörper) und thermisch mit Reserve geeignet (Teilaufgabe c).

• Die 5-V-Versorgung ist zugleich Referenz des 10-Bit-Wandlers. Eine Stufe entspricht 5\ \mathrm{V} / 1024 \approx 4{,}9\ \mathrm{mV}. Die Restwelligkeit von R3 mit 40\ \mathrm{mV} entspräche etwa acht Stufen und würde die Druckmessung verfälschen; dazu kommen hochfrequente Störungen. R3 käme nur mit zusätzlichem LC-Filter bzw. eigener Referenz infrage.

Auch die Wahl von R3 ist vertretbar, wenn die Begründung die Restwelligkeit berücksichtigt und Gegenmaßnahmen (Filter, eigene Referenz) sowie die größere Bauhöhe nennt.

Geg.: Ansteuerung U_\mathrm{OH,min} = 2{,}7\ \mathrm{V}; 74HC08: U_\mathrm{IH,min} = 3{,}5\ \mathrm{V}; 74HCT08: U_\mathrm{IH,min} = 2{,}0\ \mathrm{V}

Ges.: Ersatztyp

Gewählt wird der \underline{\underline{\text{74HCT08}}} (1 Punkt): 2{,}7\ \mathrm{V} > 2{,}0\ \mathrm{V} – ein High der TTL-Ausgänge wird sicher erkannt. Beim 74HC08 liegt 2{,}7\ \mathrm{V} unter 3{,}5\ \mathrm{V}, also im unbestimmten Bereich (1 Punkt). Funktionsnummer 08 und Pinbelegung sind in beiden Familien gleich, sodass der Baustein ohne Layoutänderung eingesetzt werden kann.

Geg.: U_\mathrm{ref} = 4{,}096\ \mathrm{V}; n = 10 bzw. n = 12; Sensor 10\ \mathrm{mV/K}; Ersatz mit I²C, 2,7 V bis 5,5 V, SOT-23-6

Ges.: U_\mathrm{LSB} und Auflösung in K für beide Wandler; Anpassungen

\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{LSB} = \frac{U_\mathrm{ref}}{2^n} \\ &\text{(II)} && \Delta T = \frac{U_\mathrm{LSB}}{10\ \mathrm{mV/K}} \end{aligned}

I in II (je Wert ½ Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{LSB,10} & = & \dfrac{4{,}096\ \mathrm{V}}{1024} = \underline{\underline{4{,}00\ \mathrm{mV}}} & \\ \Delta T_{10} & = & \dfrac{4{,}00\ \mathrm{mV}}{10\ \mathrm{mV/K}} = \underline{\underline{0{,}400\ \mathrm{K}}} & \\ U_\mathrm{LSB,12} & = & \dfrac{4{,}096\ \mathrm{V}}{4096} = \underline{\underline{1{,}00\ \mathrm{mV}}} & \\ \Delta T_{12} & = & \dfrac{1{,}00\ \mathrm{mV}}{10\ \mathrm{mV/K}} = \underline{\underline{0{,}100\ \mathrm{K}}} & \end{array}

Anpassungen (je ½ Punkt, vier verlangt):

• \underline{\underline{\text{anderes Gehäuse}}}: neue Lötflächen für SOT-23-6 oder eine Adapterplatine auf den SO-8-Footprint.

• Schnittstelle I²C statt SPI: andere Leitungen (SDA, SCL statt MOSI, MISO, SCK, CS) und Pull-up-Widerstände an SDA und SCL.

• Software: I²C-Protokoll und Adresse, Umrechnung mit 4096 statt 1024 Stufen.

• Versorgung prüfen: 5 V liegt im Bereich 2,7 V bis 5,5 V; bei 3,3-V-Mikrocontroller ggf. Pegelanpassung.

• Referenz: gleiche Referenzspannung, sonst Umrechnung bzw. Messbereich anpassen.

Geg.: I_\mathrm{C,max} = 500\ \mathrm{mA} je Kanal; U_\mathrm{CE(sat)} \leq 1{,}0\ \mathrm{V}; Masseanschluss \leq 2{,}5\ \mathrm{A}; P_\mathrm{tot,25} = 1{,}50\ \mathrm{W}; k = 12\ \mathrm{mW/K}; Hupe 180\ \mathrm{mA}; Ventil 650\ \mathrm{mA}; T_\mathrm{A} = 45\ \mathrm{°C}

Ges.: Prüfung der Kanalströme, des Summenstroms und der Verlustleistung; Anschluss des Ventils

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_\mathrm{V} = U_\mathrm{CE(sat)} \cdot (I_\mathrm{Ventil} + I_\mathrm{Hupe}) \\ &\text{(II)} && P_\mathrm{tot}(T_\mathrm{A}) = P_\mathrm{tot,25} - k \cdot (T_\mathrm{A} - 25\ \mathrm{°C}) \end{aligned}

• Strom je Kanal (1 Punkt): Hupe 180\ \mathrm{mA} < 500\ \mathrm{mA} – ein Kanal reicht. Ventil 650\ \mathrm{mA} > 500\ \mathrm{mA} – ein Kanal reicht nicht. Weil das Datenblatt es erlaubt, werden \underline{\underline{\text{zwei Kanäle parallel}}} geschaltet: je etwa 325\ \mathrm{mA}.

• Anschluss (1 Punkt): Die beiden Eingänge und die beiden Ausgänge der Kanäle werden jeweils verbunden; das Ventil liegt zwischen +24 V und den verbundenen Ausgängen. Der gemeinsame Anschluss der integrierten Freilaufdioden (COM) kommt an +24 V.

• Summenstrom (1 Punkt): 650\ \mathrm{mA} + 180\ \mathrm{mA} = 830\ \mathrm{mA} < 2{,}5\ \mathrm{A}.

Verlustleistung (je 1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{V} & = & 1{,}0\ \mathrm{V} \cdot (0{,}65\ \mathrm{A} + 0{,}18\ \mathrm{A}) = \underline{\underline{0{,}830\ \mathrm{W}}} & \\ P_\mathrm{tot}(45\ \mathrm{°C}) & = & 1{,}50\ \mathrm{W} - 12\ \mathrm{\tfrac{mW}{K}} \cdot 20\ \mathrm{K} = \underline{\underline{1{,}26\ \mathrm{W}}} & \end{array}

Wegen 0{,}830\ \mathrm{W} < 1{,}26\ \mathrm{W} kann der Baustein \underline{\underline{\text{beide Lasten gleichzeitig}}} schalten. Dabei ist angenommen, dass sich der Ventilstrom gleichmäßig auf beide Kanäle aufteilt.

Geg.: 74HC00 mit vier NAND-Gattern; Hupe H = 1, wenn A = 1 und M = 0

Ges.: Ersatzbeschaltung; Funktionstabelle; Beschaltung des übrigen Gatters

Ersatzbeschaltung (2 Punkte): Gesucht ist H = A \wedge \overline{M}. Ein NAND-Gatter mit verbundenen Eingängen wirkt als Inverter: -K1.1 bildet \overline{M}. -K1.2 verknüpft A und \overline{M} zu X = \overline{A \wedge \overline{M}}, und -K1.3 als Inverter macht daraus H = A \wedge \overline{M}.

Funktionstabelle (1 Punkt):

Die Hupe ertönt nur bei A = 1 und M = 0 – die Ersatzbeschaltung erfüllt die Funktion.

Übriges Gatter (1 Punkt): Die Eingänge von -K1.4 werden \underline{\underline{\text{fest auf GND oder VCC}}} gelegt, der Ausgang bleibt offen. Offene CMOS-Eingänge würden ein undefiniertes Potenzial annehmen, Querstrom ziehen und schwingen. Dazu kommt ein Abblockkondensator mit 100 nF an der Versorgung.

Geg.: bisher 12 V DC stabilisiert, 1 A, 5,5 mm/2,1 mm, Plus innen; Eingang der Baugruppe höchstens 16 V; Netzteile N1 bis N4

Ges.: Auswahl; Begründung

Gewählt wird \underline{\underline{\text{N4}}}: stabilisierte 12 V Gleichspannung, 1,5 A (Reserve gegenüber 1 A), gleicher Stecker und Plus innen (1 Punkt).

• N1 scheidet aus: Plus außen – die \underline{\underline{\text{Polarität ist vertauscht}}}, die Baugruppe würde verpolt versorgt (nur mit Polwende-Adapter und Kennzeichnung denkbar) (½ Punkt).

• N2 scheidet aus: liefert Wechselspannung statt Gleichspannung (½ Punkt).

• N3 scheidet aus: Die Leerlaufspannung von 17 V liegt über den zulässigen 16 V, und 0,8 A ist weniger als der bisherige Nennstrom von 1 A (1 Punkt).

Geg.: Abkündigung des MOSFET (T1 bis T4) durch Hersteller A; Last-Time-Buy 30.04.2027; Last-Time-Ship 31.10.2027; kein empfohlener Ersatz

Ges.: Bedeutung; Termine und Aufgaben

• Hersteller A stellt die Fertigung des MOSFET ein; es gibt keinen vom Hersteller vorgeschlagenen Nachfolger. Ohne Gegenmaßnahme kann der Betrieb die Platine nach Ende der Restlieferungen nicht mehr bauen und nicht mehr reparieren (1 Punkt).

• Bis zum \underline{\underline{\text{30.04.2027 (Last-Time-Buy)}}} muss der Betrieb entscheiden, ob er umsteigt oder bevorratet, und gegebenenfalls die letzte Bestellung über den gesamten Restbedarf aufgeben; vorher müssen Restbedarf und mögliche Ersatztypen ermittelt sein (1 Punkt).

• Bis zum \underline{\underline{\text{31.10.2027 (letzte Lieferung)}}} wird die bestellte Ware geliefert; Wareneingang, Lagerplatz und geeignete Lagerung (trocken, Datumscode) sind einzuplanen. Danach gibt es das Bauteil nur noch bei Brokern mit Fälschungsrisiko (1 Punkt).

Ges.: Versorgungsrisiko je Position; Reihenfolge nach Dringlichkeit

Je Position ½ Punkt, Reihenfolge 1½ Punkte, z. B.:

Eine abweichende Reihenfolge von U1 und U2 ist mit Begründung ebenfalls richtig.

Geg.: n_\mathrm{Gerät} = 1\,500 Platinen je Jahr; k = 4 MOSFETs je Platine; t = 4 Jahre; a = 3\ \%; n_\mathrm{Rep} = 800; Rolle zu 3\,000 Stück; 0{,}14\ € je Stück

Ges.: Anzahl der Rollen; Kaufpreis

\begin{aligned} &\text{(I)} && n_\mathrm{LTB} = n_\mathrm{Gerät} \cdot k \cdot t \cdot (1 + a) + n_\mathrm{Rep} \\ &\text{(II)} && W = N \cdot p \end{aligned}

n_\mathrm{LTB} = 1\,500 \cdot 4 \cdot 4 \cdot 1{,}03 + 800 = 24\,720 + 800 = 25\,520

(2 Punkte) Auf ganze Rollen aufrunden: 25\,520 : 3\,000 \approx 8{,}51, also \underline{\underline{9\ \text{Rollen}}} mit N = 27\,000 Stück (1 Punkt).

W = 27\,000 \cdot 0{,}14\ € = \underline{\underline{3\,780\ €}}

(1 Punkt)

Geg.: Einkaufswert W = 3\,780\ €; N = 27\,000; Bedarf 25\,520; Lagerhaltungskostensatz q = 18\ \% je Jahr; t = 4 Jahre; Ersatztyp 0{,}16\ € statt 0{,}14\ €; einmalig 1\,900\ €

Ges.: Mehrkosten Bevorratung K_\mathrm{B}; Mehrkosten Umstieg K_\mathrm{U}; Empfehlung

\begin{aligned} &\text{(I)} && K_\mathrm{L} = \frac{W}{2} \cdot q \cdot t \\ &\text{(II)} && K_\mathrm{B} = K_\mathrm{L} + (N - n_\mathrm{LTB}) \cdot p \\ &\text{(III)} && K_\mathrm{U} = K_\mathrm{einmalig} + (p_\mathrm{neu} - p) \cdot n_\mathrm{LTB} \end{aligned}

K_\mathrm{L} = \frac{3\,780\ €}{2} \cdot 0{,}18 \cdot 4 \approx 1\,360\ € \qquad (N - n_\mathrm{LTB}) \cdot p = 1\,480 \cdot 0{,}14\ € \approx 207\ €

K_\mathrm{B} \approx 1\,360\ € + 207\ € \approx \underline{\underline{1\,570\ €}}

(2 Punkte) Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: K_\mathrm{B} = 1\,360{,}80\ € + 207{,}20\ € = 1\,568\ €.

K_\mathrm{U} = 1\,900\ € + 0{,}02\ € \cdot 25\,520 \approx \underline{\underline{2\,410\ €}}

(1 Punkt) Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: K_\mathrm{U} = 2\,410{,}40\ €.

Entscheidung (2 Punkte), beide Richtungen sind mit Begründung richtig, z. B.:

• Bevorratung: rechnerisch um etwa 840\ € günstiger, kein Eingriff in die freigegebene Platine. Aber: Der Bedarf ist eine Schätzung (zu wenig ist nicht nachkaufbar, zu viel ist Verlust), Lagerung und Lötbarkeit über vier Jahre müssen gesichert sein, und die Platine bleibt von einem einzigen Hersteller abhängig.

• Umstieg (empfohlen, wenn die Baureihe eventuell länger läuft): Der neue Typ ist danach eine laufend lieferbare Quelle ohne Lagerrisiko; die Mehrkosten von etwa 840\ € verteilen sich auf rund 6\,000 Platinen (etwa 0{,}14\ € je Platine) und sind damit sehr gering. Am besten kombiniert der Betrieb beides: einen kleinen Last-Time-Buy für Reparaturen und die Freigabe des Ersatztyps für die Serie.

Ges.: betroffene Positionen; zwei Maßnahmen mit Begründung

Betroffen (2 Punkte):

• T1 bis T4 und U2 sofort, weil Hersteller A dort die einzige freigegebene Quelle ist – die Fertigung stünde nach dem Verbrauch des Lagerbestands still.

• D1 bis D6 nur, wenn B und C nicht einspringen können. Wie bei Nexperia gilt: Fällt ein großer Hersteller aus, bestellen alle Betriebe gleichzeitig bei den anderen, deren Ware wird knapp und die Lieferzeiten steigen.

Je Maßnahme 1 Punkt, z. B.:

• Zweite Bezugsquelle für U2 jetzt freigeben: Pinkompatible Regler anderer Hersteller prüfen (Grenzwerte, Ausgangskondensator, Ruhestrom), testen und in der Stückliste als Alternative eintragen – im Notfall ist dafür keine Zeit.

• Sicherheitsbestand für Positionen mit nur einer Quelle (T1 bis T4, U2, U1) für einige Monate Fertigung anlegen; er überbrückt einen Lieferstopp wie im Herbst 2025.

• Abhängigkeit von einem Hersteller verringern: Bei der Freigabe darauf achten, dass die zweite Quelle wirklich ein anderer Hersteller mit anderem Fertigungsstandort ist und nicht nur ein zweiter Händler für dasselbe Bauteil.

Ges.: vier Regeln für Entwurf und Stückliste mit Begründung

Je Regel mit Begründung 1 Punkt, z. B.:

• Nur Bauteile mit Status „aktiv“ einplanen und den Lebenszyklus vor der Freigabe prüfen – ein NRND-Bauteil wie U2 wäre schon bei Serienbeginn ein Risiko.

• Standardtypen mit mehreren Herstellern bevorzugen (gleiche Typbezeichnung oder gleiche Pinbelegung, Standardgehäuse) – dann gibt es pinkompatible Ersatztypen ohne neues Layout.

• Je Position mindestens zwei Hersteller in der Stückliste freigeben (Herstellerteilenummer statt nur Wert und Gehäuse) – so wird aus einem Engpass kein Stillstand.

• Lötflächen für eine zweite Variante vorsehen, wo es keinen pinkompatiblen Typ gibt (z. B. alternative Lötflächen für einen MOSFET in einem anderen Gehäuse) – der Umstieg kostet dann nur eine Bestückungsänderung.

• Mikrocontroller aus einer Familie mit pinkompatiblen Varianten wählen und die Software portabel halten.

• Abkündigungen und PCN regelmäßig auswerten (Abo beim Distributor) – damit die Frist bis zum Last-Time-Buy voll genutzt werden kann.