Messübung Mosfet als Schalter#

Ein Mosfet kann als elektronischer Schalter eingesetzt werden. In dieser Übung lernst du seine Funktionsweise und die wichtigsten Kenndaten kennen und entwickelst eine Schaltung, mit der ein 12-V-RGB-LED-Streifen über ein 3.3-V-PWM-Signal eines Mikrocontrollers angesteuert wird.

Erstelle ein Word Dokument zu dieser Übung. Achte beim Messprotokoll darauf, es nach den Anforderungen des üK Zentrums zu führen.

  • Schwierigkeit: Leicht

  • Semester: 2-4

  • Material: RGB-LED-Streifen (12 V), Mikrocontroller mit PWM-Ausgang (zum Beispiel das STM32 Moba DevKit), Mosfet, Labornetzteil, Oszilloskop, Multimeter, Steckbrett

  • Abgabe: Dokument (PDF oder Markdown) mit Fragen, Schema, Berechnungen und Messprotokoll

1. Beantworte folgende Fragen#

  • Was ist ein Mosfet und wie funktioniert dieser?

  • Welche Arten von Mosfets gibt es?

  • Wo liegen die Unterschiede zwischen einem idealen und einem realen Mosfet?

  • Welcher Mosfet ist der gängigste?

Erkläre detailliert, schreibe mehr als einen Satz pro Frage. Insgesamt (für alle 4 Fragen) solltest du 1-2 Seiten schreiben. Versuche zuerst, die Fragen aus dem Kopf zu beantworten. Wenn du nicht weiterweissst, recherchiere im Internet (oder in den Unterlagen der Schule).

2. Schaltung entwickeln#

Du erhältst einen RGB-LED-Streifen, welcher mit 12 V betrieben wird. Über ein PWM-Signal kann die Helligkeit von jeder Farbe eingestellt werden. Das PWM wird von einem Mikrocontroller generiert und hat einen 3.3-V-Pegel.

Entwirf eine Schaltung, welche es ermöglicht, vom Mikrocontroller aus die Farbe der LED einzustellen.

  • Entwickle eine geeignete Schaltung

    • Zeichne ein mögliches Schema

    • Bestimme die Anforderungen an den Mosfet

      • Welche Werte sind wichtig zum Auswählen eines Mosfets?

      • Vergleiche 2–3 Logic-Level-Mosfets anhand ihrer Datenblätter. Stelle die Werte in einer Tabelle gegenüber.

      • Welchen Typ wählst du? Begründe deine Wahl anhand der Daten.

Besprich deine Schaltung und die gewählten Bauteile mit deinem Berufsbildner.

3. Schaltung aufbauen#

  • Schreibe ein Programm für das STM32 Devkit das ein PWM mit einer Frequenz von 2kHz erzeugt. Der Duty Cycle wird über ein Poti eingestellt.

  • Baue die Schaltung auf.

  • Teste die Schaltung

  • Mach ein Messprotokoll und bestimme die wichtigsten Werte

  • Wie hoch darf die maximale Schaltfrequenz sein?

Dokumentiere das Messprotokoll gemäss Richtlinien des Kurzentrums

4. Reflexion#

  • Wie kann die Schaltung verbessert werden?

  • Was hast du gelernt?

  • Was hast du gut gemacht?

  • Was machst du beim nächsten Mal besser?

Referenzen zum Lehrplan

Die folgenden Leistungskriterien (LK) und Lernziele (LZ) aus dem Bildungsplan FutureMEM stehen in Bezug zu dieser Aufgabe.

  • HKB 9999 b – Entwickeln und Fertigen von elektronischer Hardware

    • HK 9999 b.01 – elektronische Schaltungen dimensionieren und das Schema entwickeln

      • LK ET b1 06 – Sie dimensionieren elektronische Komponenten. (BFS · Semester 1, 2, 3, 4, 5, 8)

        • LZ_2011 – Sie beschreiben den Transistor als Schalter in Schaltungen. (Semester 2)

        • LZ_9035 – Sie wählen passende Leistungshalbleiter wie Thyristor, Triac, Power MOSFET und IGBT’s für eine Leistungsendstufe aus. (Semester 8)

        • LZ_5628 – Sie erklären die grundlegende Funktion und Anwendungen von Z-Dioden, LEDs und Schalttransistoren. (Semester 2)

      • LK ET b1 07 – Sie erarbeiten klassische Grundschaltungen. (BFS · Semester 1, 2, 3, 4, 5, 8)

        • LZ_9029 – Sie dimensionieren Grundschaltungen mit Dioden, LEDs, Optokopplern, Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren. (Semester 2)

        • LZ_4156 – Sie erklären den Begriff elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). (Semester 8)

        • LZ_4193 – Sie beschreiben Methoden der Leistungssteuerung, wie die geschaltete-PWM, Phasenanschnitt- und Phasenabschnittsteuerung. (Semester 8)

      • LK ET b1 11 – Sie messen die Eigenschaften der elektronischen Komponenten. (üK · Semester 2, 3)

        • LZ_144 – Sie bauen und überprüfen einfache Schaltungsbeispiele anhand vorgegebener Schemas. (Semester 3, 2)

        • LZ_126 – Sie messen und berechnen die Leistungen durch Spannungs- und Strommessungen an praktischen Anwendungen. (Semester 2)

        • LZ_1952 – Sie zeichnen, berechnen und vermessen Serien- und Parallelschaltungen. (Semester 2)

      • LK ET b1 12 – Sie entnehmen aus technischen Datenblättern die relevanten Eigenschaften von Bauteilen. (üK · Semester 2, 3)

        • LZ_9062 – Sie suchen aufgrund der Bauteilbezeichnung das vom Hersteller herausgegebene Datenblatt und können damit die grundsätzliche Funktion des Bauteils herleiten. (Semester 3, 2)

      • LK ET b1 13 – Sie wenden klassische Grundschaltungen an. (üK · Semester 2, 3)

        • LZ_4148 – Sie dimensionieren Grundschaltungen mit Feldeffekttransistor, Bipolartransistor, linearem Spannungsregler und Operationsverstärker. (Semester 3)

    • HK 9999 b.04 – Schaltungen in Betrieb nehmen, ausmessen und Fehler beheben

      • LK ET b4 09 – Sie schätzen den Einfluss von Messgeräten auf Beispielschaltungen ab. (BFS · Semester 1)

        • LZ_124 – Sie wenden Messgeräte zur Messung von Spannung, Strom und Widerstand an. (Semester 1)

        • LZ_1948 – Sie führen Strom- und Spannungsmessungen in Stromkreisen durch. (Semester 1)

        • LZ_1951 – Sie erläutern die Eigenschaften von digitalen und analogen Messgeräten. (Semester 1)

        • LZ_1993 – Sie erklären den Einfluss des Innenwiderstandes. (Semester 1)

      • LK ET b4 04 (üK) – Sie messen Schaltungen und achten darauf, deren ursprünglichen Funktion nicht zu beeinflussen. (üK · Semester 2)

        • LZ_11220 – Sie führen mit geeigneten Messmittel die Messung durch. (Semester 2)

        • LZ_11224 – Sie benennen Einflussfaktoren von Messmitteln auf das zu messende Bauteil. (Semester 2)

      • LK ET b4 11 – Sie ermitteln die geeigneten Messgeräte und Hilfsmittel für die durchzuführenden Messungen. (üK · Semester 2, 3)

        • LZ_10095 – Sie benennen die Fähigkeiten der einzelnen Messmittel und deren Einsatzgrenzen. (Semester 3, 2)

        • LZ_10096 – Sie kennen die Grundregeln bei der Auswahl eines Messmittels. (Semester 3, 2)

        • LZ_8263 – Mit standardisierten Messmitteln führen Sie Messungen und Prüfungen durch. (Semester 3)

  • HKB 9999 c – Entwickeln von Software

    • HK 9999 c.01 – Mikrocontroller-Programme entwickeln

      • LK ET c1 16 – Sie setzen verschiedene digitale oder analoge Schnittstellen an beispielhaften Aufgaben ein. (BFS · Semester 6)

        • LZ_11193 – Sie realisieren Funktionen mit Hilfe von Timern. (Semester 6)