Basics: Elektrische Spannung U

Was ist elektrische Spannung?

Die elektrische Spannung gibt an, wie hoch die Potentialdifferenz zwischen 2 Punkten ist. Das bedeutet, dass einer dieser Punkte mehr freie Ladungsträger hat als der andere Punkt.

Man spricht auch von einem Elektronenüberschuss. Die Spannung ist die Kraft / Druck auf die freien Ladungsträger (Elektronen).

Spannung ist die Ursache für den Elektronenfluss (Strom).

Formelzeichen: U

Einheit: V in Volt

Wie entsteht elektrische Spannung?

Elektrische Spannung entsteht durch Ladungsträgertrennung.

Gängige Methoden sind:

  • Magnetismus – Generator
  • Chemisch – Batterie, Akkumulatoren
  • Licht – Solarzelle
  • Reibung
  • Wärme – Thermoelement
  • Druck – Piezoelement

 

Basics: Ohmsches Gesetz

Was ist das Ohmsche Gesetz?

Das Ohmsche Gesetz oder kurz URI, beschreibt den Zusammenhang zwischen diesen 3 physikalischen Größen:

  1. Spannung
  2. Strom 
  3. Widerstand

Wie funktioniert das jetzt in einem Stromkreis?

Hier sehen wir jetzt einen ganz einfachen Stromkreis. Der Widerstand R ist die Last oder Verbraucher in unserem Beispiel.

Legt man nun eine Spannung U an die beiden Pole, dann fließt ein Strom I durch den Leiter über den Widerstand R zurück zum Minuspol der Spannungsquelle. Wenn der Strom von + nach – fließt, spricht man von der technischen Stromrichtung.

Nun fällt die gesamte Spannung U über den Widerstand R ab -> nimmt man nun das Multimeter und hält beide Messspiten über den Widerstand R, dann zeigt das Messgerät die Spannung U an.

Wenn man einen festen ohmschen Widerstand hat, dann sind Spannung und Strom propotional zu einander.

Wie wird das jetzt berechnet?

Für die Berechnung eignet sich am besten das Wort URI. Kunstwort abgeleitet durch die Formelzeichen der 3 physikalischen Größen.

URI kann man in 3 Formeln zerlegen: 1.) U = R x I  2.) R = U / I   3.) I = U / R

Man muss also nur 2 Größen kennen um die 3. zu berechnen.

Beispiel: U = 10V und I = 5A  ->  Gesucht R?   ->  R = U / I  ->  R = 10V / 5A  ->  R = 2 Ohm

How to check: Diode

Was ist eine Diode?

Die Diode ist ein Halbleiterelement das aus einer P-leitenden & N-leitenden Schicht besteht. Dieser P-N-Übergang macht, dass die Diode Strom nur in eine Richtung durchlässt und in der Gegenrichtung sperrt. Sie ist halbdurchlässig -> Halbleiter. Daraus lässt sich schließen das die Diode gepolt ist mit einer Anode (+) & Kathode (-). Die Kathode wird auf dem Bauteil mit einem Strich gekennzeichnet.

Auf Platinen ist die Diode häufig mit den Aufdruck “D” wie z.B. “D123” gekennzeichnet.

 Schaltzeichen der Diode:

Diodenaufbau:

In dem Bild sieht man den PN-Übergang abgebildet. In der Mitte befindet sich eine Sperrschicht. Diese Sperrschicht wird kleiner, wenn die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird. Andersrum wird die Sperrschicht größer, wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird.

 

Betriebsarten:

Wenn man nun eine Spannung an die Diode in Durchlassrichtung anlegt, dann kann man einen Spannungsabfall über die Diode messen. Die Höhe des Spannungsabfalls ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium = ca. 0,7V / Germanium = ca. 0,3V. Das ganze ist nötig um die Sperrschicht zwischen P- & N- Übergang zu überwinden, damit die Diode leitend wird.

Bild: Diode in Durchlassbetrieb

Bild: Diode in Sperrbetrieb

Der Strom durch eine Diode sollte immer irgendwie begrenzt werden, weil die Diode im leitenden Zustand sich sonst selber zerstören würde. In diesem Fall wird die Strombegrenzung durch einen Vorwiderstand realisiert.

 

Wie messe ich eine Diode?

Eine Diode zu messen ist relativ simple, allerdings sollte man beachten, dass wenn man eine Diode in einer Schaltung misst, es passieren kann, das andere Bauteile die Parallel oder anderes zu der Diode verknüpft sind, die Messergebnisse verfälschen können. Sicher kann man sich nur sein, wenn man die Diode im ausgebauten Zustand misst.

Vorgang:

  • Multimeter auf Diodenmodus stellen
  • Rote Messspitze an die Anode & schwarze Messspitze an die Kathode (Seite mit dem Strich)
  • Multimeter sollte einen Wert zwischen 0,3 – 0,7 zeigen -> Diode in Durchlassrichtung Okay
  • Rote Messspitze an die Kathode & schwarze Messspitze an die Anode
  • Multimeter sollte keinen Durchgang feststellen ansonsten -> 1. Diode defekt; 2. Messung fehlerhaft; 3. Es ist eine Z-Diode
  • Wenn 1. oder 2.  auftritt -> Bauteil auslöten und Messung wiederholen!
  • Wenn 3. auftritt -> Aufdruck auf der Platine kontrollieren (“ZD123” = Z-Diode)

Know How: LED-TV Netzteil Funktion

Was ist eigentlich ein Netzteil?

Ein Netzteil oder Power-Board ist kurz gesagt ein Spannungswandler. Dieses Board wandelt die 230V AC (Wechselspannung)  in mehrere verschiedene DC-Spannungen (Gleichspannung) um.

Das Mainboard und das T-CON können mit 230V nichts anfangen, da die Spannung viel zu hoch ist und außerdem benötigen diese Gleichspannung.

Bei den neueren LED-TVs ist meistens noch der Regler für die Hintergrundbeleuchtung des Panels mit integriert.

Wie schaut so ein Netzteil aus?

Die Netzteile sind in der Regel von einer Seite Hellbraun & von der anderen Seite Grün lackiert. Das bedeutet das diese Platinen nur auf einer Seite, der grünen, Kupfer und Leiterbahnen haben.

Das wird aus kostengründen so gemacht um die Herstellkosten gering zu halten. Man erkennt das Netzteil auch anhand der vielen THT-Bauteile (THT = Through Hole Technology = Durchsteckbauteile) wie z.B. Transformatoren, Elkos, Kühlkörper mit angeschraubten Bauteilen.

Vorderseite Netzteil (Beispiel Samsung LED-TV)

Rückseite Netzteil (Beispiel Samsung LED-TV)

 

Wie funktioniert das jetzt alles?

Dafür habe ich mal die groben Funktionsblöcke eines Netzteils markiert.

Funktionsblock 1: Der Netzfilter

Funktion:

  • Einspeisung der 230V AC
  • Absicherung gegen Fehlfunktion (Schmelzsicherung)
  • Abblocken von Spannungsspitzen gegen Erde & gegen L und N ( blaue Kondensatoren)
  • Schutz gegen Überspannung mittels Varistor
  • Filterung der Netzspannung mittels Stromkompensierte Drosseln (Spulen zwischen den blauen Kondensatoren)

Funktionsblock 2: Gleichrichtung der AC-Spannung in DC-Spannung und Glättung der DC-Spannung

Funktion:

  • Brückengleichrichtung von AC -> DC (Baustein unter dem geriffelten Kühlkörper)
  • dann kommt ein Schaltregler zur Glättung der DC-Spannung (Der weiße Klotz ist kein Trafo sondern eine Speicherspule die auf den Elko führt)

Funktionsblock 3: Halbbrücken PWM-Regler

Funktion:

  • PWM-Regler schaltet die DC-Spannung, die über den Trafo geführt mittels der 2 MOSFETs, ganz schnell an und wieder aus, sodass der Trafo ein Magnetfeld in die Sekundärseite induziert
  • Die 2 MOSFETs bilden die Halbbrücke
  • Die Optokoppler sind das Feedback für den PWM-Regler, auf den dieser die Spannung am Ausgang regelt & Steuersignale für den PWM-Regler z.B. ON/OFF

Funktionsblock 4: Stabilisierung der pulsierenden DC-Spannung und Regelung auf die benötigten Ausgangsspannung

Funktion:

  • Die Elkos dienen als Ladungsspeicher für die Ausgangsspannung
  • Die IC´s auf dem Kühlkörper sind eine Diode und ein MOSFET zur Einschaltung der Spannung
  • Die  3-Beiner auf der Lötseite sind Dioden zur Gleichrichtung

Funktionsblock 5: PWM-Regler Backlight

Funktion:

  • Backlight besteht aus 3 Strängen -> alle Schaltungsteile 3x vorhanden
  • großes IC oben links ist ein µController zur Umsetzung des PWM-Signals (Dimmfunktion)
  • dann folgt ein IC zur Strommessung des LED-Strang (Shunt-Prinzip); hier merkt der TV das euer Backlight defekt ist
  • darunter ein MOSFET zur Einschaltung mittels PWM-Signal
  • auf der Oberseite ist jeweils noch eine Stromkompensierte Drossel + Kondensator vorhanden um Impulsströme und Störungen abzufangen

How to check: MOSFET

Was ist eigentlich ein MOSFET?

MOSFET ist die Abkürzung für “Metall-Oxid-Schicht-Feld-Effekt-Transistor“.

Der MOSFET gehört zu den unipolaren Transistoren und wird in Netzteilen häufig als leistungsloser Schalter eingesetzt.

Auf den Platinen wird der MOSFET meistens mit “Q” gekennzeichnet. D.h. im Aufdruck würde z.B. “Q123” stehen.

Es gibt beim MOSFET 4 grundlegende Architekturen.

Es gibt die N-Kanal & P-Kanal Typen, die jeweils nochmal in Anreicherungstyp (selbstsperrend) & Verarmungstyp (selbstleitend) unterteilt werden.

In Netzteilen wird am häufigsten der N-Kanal Anreicherungstyp (selbstsperrend) verwendet. Das hat den Vorteil, dass im Fehlerfall eines PWM-Reglers der Transistor einen definierten AUS-Zustand hat.

Der MOSFET besitzt 3 Anschlüsse: G = Gate = Steueranschluss / D = Drain = “Eingang” / S = Source = “Ausgang”

BILD: Familie der Unipolaren Transistoren

Die Diode im Schaltzeichen ist ein Ersatzschaltbild.

In normalen Schaltplänen wird diese so nicht zu finden sein, aber Sie ist immer Messbar und vorhanden.

Durch den Fertigungsprozess im Substrat wird immer ein P-N-Übergang erzeugt, wodurch sich eine Diode ausbildet.

Wie messe ich nun den MOSFET?

Beispiel an N-Kanal MOSFET Anreicherungstyp

  • Multimeter auf Diodenmodus stellen
  • Rote Messspitze an Drain & Schwarze Messspitze an Source -> Wenns piept oder einen niedrigen Wert anzeigt -> Defekt!
  • Rote Messspitze an Source & Schwarze Messspitze an Drain -> Multimeter muss irgendwas zwischen 0,3 – 0,6 anzeigen (Diodenstrecke)

->Wenns piept oder 0,0 anzeigt -> Defekt!

Wieso gehen MOSFET´s kaputt?

Es kann mehrere Ursachen haben warum so ein MOSFET kaputt geht:

  • Durch thermische Überlast (wird zu heiss) -> Kühlkörper zu klein oder Wärmeleitpaste eingetrocknet
  • Kurzschluss -> Der Strom über den MOSFET wird zu hoch, wodurch er thermisch Überlastet wird
  • Überspannung -> Das Substrat des Halbleiters wird durchschlagen -> dann entsteht meistens ein Kurzschluss oder er reagiert nicht mehr auf Steuerung
  • Ein anderes Bauteil geht defekt, wodurch z.B. ein Kurzschluss am MOSFET entsteht

Wie wechsele ich den kaputten MOSFET aus?

  • Auf den MOSFET selbst steht die Bezeichnung
  • Diese bei einer Suchmaschiene eingeben und das Datenblatt runterladen
  • folgende Werte sind wichtig -> Vdss (max. Spannung) / Id (Schaltstrom) / Vgs (Schaltspannung) / Package (Gehäuseform)
  • Vdss & Id sollte mindest genauso groß sein wie im Datenblatt, aber niemals kleiner!
  • Werte bei einem Online-Katalog eingeben und Ersatztyp suchen, falls es das Original nicht gibt
  • MOSFET auslöten
  • Neuen MOSFET mit Wärmeleitpaste versehen und wieder einlöten und ggf. festschrauben
  • 1
  • 2
Änderung ab 5. Dezember 2018
Mit freundlicher Unterstützung von Atlas Multimedia Berlin. Eine Idee und Ausführung von Leon.
Die Seite befindet sich momentan im Umbau. Ältere Texte und Inhalte werden bis auf weiteres geduldet.
Copyright © 2020 Leon. Alle Rechte vorbehalten.