IIntermediate · deel I6 · Elektronica

Oplossingen · hoofdstuk 23Halfgeleiders: diode, led en transistor

Van een laagje silicium naar een lampje, een gelijkrichter en een schakelaar die een pomp aanstuurt

Uitgewerkte oplossingen bij de 17 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.

5× oefenen7× toepassen5× uitdagen± 395 min

LElektriciteit en elektronica MMaterie en chemie

Drie onderdelen tussen de microcontroller en de pomp: een MOSFET, een diode en twee weerstanden.

Voor de leerkrachtDeze pagina bevat de antwoorden. Druk het werkboek af zonder deze pagina.

Oefenen

één stap, direct toepassen

23.1

n-type of p-type?

Oefenen3Begrijpen10 min

Silicium wordt gedoteerd met verschillende elementen. Gebruik het periodiek systeem (hoofdstuk 12).

a
Geeft het element n-type of p-type silicium? Fosfor (P), arseen (As), boor (B), gallium (Ga), antimoon (Sb), aluminium (Al).
P, As, Sb: groep 15, vijf valentie-elektronen: n-type. B, Ga, Al: groep 13, drie valentie-elektronen: p-type.
b
Waarom is n-type silicium niet negatief geladen?
Elk vrij elektron komt van een fosforatoom dat daardoor een positief ion wordt: in totaal blijft het materiaal neutraal.
c
Waarom geleidt zuiver silicium beter als het warm wordt, en koper niet?
In silicium maakt warmte extra ladingen vrij (meer elektronen en gaten): de weerstand daalt. In koper zijn alle vrije elektronen er al; warmte laat de atomen harder trillen, zodat de elektronen meer botsen: de weerstand stijgt (F19).

23.2

Welke leds branden?

Oefenen3Begrijpen10 min

Vier kringen met een batterij van 9 V, een weerstand van 470 Ω en twee leds in serie. De leds staan telkens anders.

Kringen A tot D; de pluspool van de batterij zit bovenaan.

a
In welke kring branden beide leds? In welke geen enkele?
A: beide branden (beide in doorlaat, stroom van + naar − door de pijlen mee). B, C en D: geen enkele, want in serie blokkeert één omgekeerde led de hele kring.
b
In kring A: hoe groot is de stroom als elke led 2,0 V nodig heeft?
$I = \frac{9 , 0 - 2 \cdot 2 , 0}{470} = 10, 6 mA$ .
c
In kring B brandt er niets. Hoeveel spanning staat er over de omgekeerde led? Is dat gevaarlijk voor een led?
Er loopt geen stroom, dus over de weerstand valt niets. De leds staan samen op 9 V; de goed geplaatste neemt bijna niets, dus staat er bijna 9 V in sperrichting over de omgekeerde. Veel leds verdragen maar ±5 V in sper: die led kan stukgaan.

23.3

Kleur en spanning

Oefenen4Rekenen15 min

Gebruik

E (eV) \approx 1240/ λ (nm)

a
Bereken de fotonenergie van een infrarode led (940 nm), een oranje (605 nm) en een ultraviolette (395 nm).
IR: $1240/940 = 1, 32 eV$ ; oranje: $2, 05 eV$ ; UV: $3, 14 eV$ .
b
Schat telkens de drempelspanning. Welke van de drie kan je laten branden met één verse AA-cel (1,55 V)?
Ongeveer 1,3 V, 2,0 V en 3,3 V. Alleen de infrarode led, en je ziet haar licht niet (wel met een smartphonecamera).
c
Waarom krijg je een witte led nooit aan de praat met twee AA-cellen in serie (3,1 V) en een weerstand van 100 Ω?
Een witte led heeft ongeveer 3,0 V nodig bij 20 mA. Met 3,1 V blijft er 0,1 V over de weerstand: 1 mA, en naarmate de cellen zakken nog minder. De led gloeit hoogstens zwak. Zaklampen met twee cellen gebruiken daarom een kleine schakeling die de spanning opdrijft (een boost-omzetter, hoofdstuk E24).

23.4

Voorschakelweerstanden

Oefenen4Rekenen15 min

Kies telkens de E12-waarde die de stroom net niet overschrijdt (… 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 680, 820, 1000 …).

a
Vul de tabel in.
(a) $3, 0/0, 015 = 200 Ω$ → 220 Ω, 13,6 mA, 41 mW. (b) $1, 9/0, 010 = 190 Ω$ → 220 Ω, 8,6 mA, 16 mW. (c) $5, 0/0, 020 = 250 Ω$ → 270 Ω, 18,5 mA, 93 mW. (d) $9, 0/0, 020 = 450 Ω$ → 470 Ω, 19,1 mA, 172 mW (een weerstand van 0,25 W volstaat, maar wordt warm).
b
Bij (d) zie je veel verlies. Hoe kan je hetzelfde licht maken met minder verlies op 12 V?
Meer leds in serie, zodat er minder spanning voor de weerstand overblijft: drie groene leds (9,0 V) met 150 Ω, zoals in een ledstrip. Dan geeft dezelfde 20 mA drie keer zoveel licht en gaat maar 25 % naar de weerstand.

23.5

Aan of uit?

Oefenen4Begrijpen10 min

Een npn-transistor en een n-MOSFET schakelen elk een lampje van 12 V; de emitter en de source hangen aan de massa.

a
De basis van de npn ligt via 1 kΩ aan 0 V. En aan 5 V. Staat de transistor telkens aan of uit? Waarom?
0 V: geen basisstroom, uit. 5 V: er loopt basisstroom (±4 mA), de transistor verzadigt: aan.
b
De gate van de MOSFET krijgt 5 V, daarna 0 V. Wat doet het lampje?
5 V: er vormt zich een kanaal, het lampje brandt. 0 V: geen kanaal, uit. (Na het uitschakelen blijft er geen stroom lopen: de gate ontlaadt via de pin.)
c
Iemand vergeet de pull-down en laat de gate los ('zwevend'). Waarom kan het lampje dan toch branden, of half?
De gate is een kleine condensator die niet vanzelf ontlaadt. Een aangeraakte draad, lading van een vorige keer of storing kan haar op een spanning rond de drempel brengen: de MOSFET staat half aan, heeft een grote weerstand en wordt heet. De pull-down trekt de gate naar 0 V.

Toepassen

meerdere stappen, in een context

23.6

Een karakteristiek aflezen

Toepassen5Analyseren15 min

Gebruik de karakteristiek van de siliciumdiode uit het handboek (lineaire schaal, 0 tot 100 mA).

Karakteristiek van de siliciumdiode.

a
Lees de spanning af bij 10 mA en bij 60 mA.
Ongeveer 0,66 V bij 10 mA en 0,74 V bij 60 mA (model: 0,658 en 0,743 V).
b
Bereken telkens $U / I$ . Is een diode een ohmse weerstand?
$0, 66/0, 010 = 66 Ω$ ; $0, 74/0, 060 = 12 Ω$ . De verhouding verandert sterk: geen ohmse weerstand.
c
Hoeveel verandert de stroom als de spanning van 0,70 naar 0,75 V gaat? Wat zegt dat over een diode (of led) rechtstreeks op een spanningsbron?
Van 24 mA naar 69 mA: bijna drie keer zoveel voor 0,05 V. Op een vaste spanning bepaalt het toeval (temperatuur, exemplaar) de stroom: altijd een weerstand in serie.

23.7

Het werkpunt van een led tekenen

Toepassen5Tekenen20 min

Een rode led staat in serie met een weerstand van 150 Ω op 5,0 V.

Karakteristiek van een rode led; teken hier de werklijn in.

a
Schrijf de maaswet en herschrijf ze als werklijn $I (U)$ . Bereken twee punten ervan binnen het getekende gebied.
$5, 0 = U + 150 I$ , dus $I = (5, 0 - U) /150$ . Bij $U = 1, 6 V$ : $22, 7 mA$ ; bij $U = 2, 2 V$ : $18, 7 mA$ .
b
Teken de werklijn in de grafiek en lees het werkpunt af.
Snijpunt ongeveer bij 2,00 V en 20,0 mA.
c
Vergelijk met de berekening met $U_{F} = 2, 0 V$ . Wat gebeurt er met het werkpunt als je 220 Ω neemt?
Met 2,0 V: $3, 0/150 = 20, 0 mA$ , bijna hetzelfde. Met 220 Ω wordt de werklijn vlakker en lager: werkpunt bij ongeveer 1,92 V en 14,0 mA.

23.8

Een gelijkrichter doorrekenen

Toepassen5Rekenen20 min

Een transformator van 9 V~ (effectieve waarde) voedt via een siliciumdiode een weerstand van 220 Ω.

a
Bereken de topwaarde van de ingang. Welke topwaarde krijgt de weerstand (reken met 0,7 V)?
$9 \cdot 2 = 12, 7 V$ ; uitgang $12, 7 - 0, 7 = 12, 0 V$ (model met 55 mA: 11,99 V).
b
Welke spanning staat er in sperrichting over de diode? Welke diode kies je?
12,7 V (de topwaarde van de negatieve helft). Een 1N4007 (1000 V, 1 A) is ruim voldoende; de stroom is maar 55 mA.
c
In een bruggelijkrichter staan vier diodes, en de stroom gaat telkens door twee ervan. Teken de brug en bereken de topwaarde van de uitgang.
Vier diodes in een ruit: de wisselspanning op twee tegenoverliggende hoeken, de last op de andere twee. In elke halve golf geleiden twee diodes in serie: $12, 7 - 2 \cdot 0, 7 = 11, 3 V$ , maar nu bij beide halve golven.

23.9

Een ventilator schakelen met een PN2222A

Toepassen5Rekenen20 min

Een kleine ventilator van 12 V trekt 0,15 A. Je schakelt hem low-side met een PN2222A vanuit een pin van 5 V. Datasheet:

β \geq 100

bij 150 mA;

U_{C E (s a t)} \leq 0, 3 V

U_{B E (s a t)} \leq 1, 2 V

bij 150 mA en 15 mA basisstroom.

a
Bereken de minimale basisstroom en kies een basisstroom met een overstuurfactor van ongeveer 5.
Minimaal $0, 15/100 = 1, 5 mA$ ; met factor 5: $7, 5 mA$ .
b
Bereken de basisweerstand (reken met $U_{B E} = 0, 9 V$ ) en kies een E12-waarde.
$R_{B} = (5, 0 - 0, 9) /0, 0075 = 547 Ω$ : kies 560 Ω ( $I_{B} = 7, 3 mA$ , ruim onder 20 mA).
c
Hoeveel vermogen verliest de transistor hoogstens? Wat ontbreekt er nog in de schakeling?
Hoogstens $0, 3 \cdot 0, 15 = 45 mW$ (plus ±7 mW in de basis): de PN2222A verdraagt 625 mW. Een ventilator is een motor, dus een spoel: er moet een vrijloopdiode over (kathode aan +12 V). En de massa van de 12 V-voeding moet aan de GND van de microcontroller.

23.10

De juiste MOSFET kiezen

Toepassen6Analyseren20 min

Voor de pomp (12 V, 1,0 A, aan een pin van 5 V) liggen drie MOSFETs in de schuif.

type	$U_{D S}$ max	$I_{D}$ max	$U_{GS (t h)}$	$R_{D S (o n)}$ volgens de datasheet
IRLZ44N	55 V	47 A	1,0-2,0 V	≤ 0,025 Ω bij 5 V; ≤ 0,035 Ω bij 4 V
IRF540N	100 V	33 A	2,0-4,0 V	≤ 0,044 Ω bij 10 V (bij 5 V niet gegeven)
2N7000	60 V	0,2 A	0,8-3,0 V	≤ 5,3 Ω bij 4,5 V

a
Welke twee vallen af? Geef voor elk de reden met een getal uit de tabel.
De 2N7000 verdraagt maar 0,2 A (en zou met 5,3 Ω bij 1 A 5 W moeten verstoken). De IRF540N is niet gegarandeerd bij 5 V: zijn drempel kan tot 4 V liggen en zijn R_DS(on) staat alleen bij 10 V; hij zou half aan kunnen staan en heet worden.
b
Bereken het verlies en de opwarming van de gekozen MOSFET, bij 5 V en (als de pin zakt) bij 4 V. $R_{θ J A} = 62^{\circ} C/W$ .
IRLZ44N: bij 5 V $0, 025 \cdot 1^{2} = 25 mW$ (1,6 °C warmer); bij 4 V $0, 035 W$ , 2,2 °C. Geen koelplaat.
c
Waarom is een MOSFET met een veel te grote $I_{D}$ (47 A voor 1 A) geen verspilling?
Een grote MOSFET heeft een kleine R_DS(on): minder verlies en meer reserve voor de aanloopstroom. Hij kost ongeveer evenveel, en bij 1 A zijn nadelen (grotere gatecapaciteit) zijn onbelangrijk.

23.11

Labo: leds en de constante van Planck

Toepassen6Labo50 min

Bepaal voor leds van verschillende kleuren de spanning waarbij ze net beginnen te branden (in een verduisterd lokaal, met een weerstand van 1 kΩ en een regelbare voeding). Omdat

e U \approx h f

, geeft de helling van

U

tegen de frequentie

f = c / λ

een schatting van

h / e

. Een voorbeeldmeting: 630 nm: 1,76 V; 605 nm: 1,85 V; 590 nm: 1,88 V; 525 nm: 2,15 V; 470 nm: 2,40 V; 395 nm: 2,95 V.

a
Meet de drempelspanning van minstens vijf kleuren. Zoek de golflengte op (verpakking of datasheet).
Eigen metingen: hoe kleiner de golflengte (blauwer), hoe hoger de drempel.
b
Zet $U$ uit tegen $f$ en teken de best passende rechte.
De punten liggen ongeveer op een stijgende rechte.
c
Bepaal $h$ uit de helling ( $h = e \cdot$ helling). Doe het ook met de voorbeeldmeting en vergelijk met $6, 626 \cdot 1 0^{- 34} J \cdot s$ .
Voorbeeldmeting: helling $4, 17 \cdot 1 0^{- 15} V \cdot s$ , dus $h = 1, 602 \cdot 1 0^{- 19} \cdot 4, 17 \cdot 1 0^{- 15} = 6, 68 \cdot 1 0^{- 34} J \cdot s$ : 1 % naast de echte waarde.
d
Noem twee redenen waarom deze methode maar een schatting geeft.
'Net zichtbaar' is een oordeel van het oog, dat voor rood en blauw minder gevoelig is dan voor groen. Een led geeft geen enkele golflengte maar een band van ±20 nm. En de spanning over de led is niet alleen de fotonenergie: er valt ook spanning over het materiaal en de contacten, zeker bij InGaN-leds.

Zo wordt dit beoordeeld

Meting	Minstens vijf kleuren, telkens op dezelfde manier 'net zichtbaar' bepaald, verduisterd lokaal.
Verwerking	f correct berekend (c / λ), grafiek met de rechte, helling met eenheid V·s.
Resultaat	h berekend en vergeleken met de echte waarde, afwijking in procent.
Kritisch	Oordeel 'net zichtbaar' is subjectief; leds geven een band van golflengten; InGaN-leds hebben een extra spanningsval.

23.12

C++: een drukknop om de pomp met de hand te laten draaien

Toepassen6Programmeren30 min

Breid het programma pomp.ino uit het handboek uit. Een drukknop tussen pin 4 en de massa (met INPUT_PULLUP) moet de pomp 30 seconden laten draaien, los van het uurschema, maar nooit zonder water.

a
Welke nieuwe variabele heb je nodig om de 30 seconden bij te houden? Waarom geen delay(30000)?
Een tijdstip: unsigned long startHand, gezet op millis() als de knop ingedrukt wordt. Met delay() zou het programma 30 s lang de vlotter niet lezen: de pomp zou droog kunnen draaien.

Schrijf de aanpassingen aan setup() en loop().

const int KNOP = 4;
const unsigned long HAND_MS = 30000;
unsigned long startHand = 0;
bool handAan = false;

// in setup():
pinMode(KNOP, INPUT_PULLUP);

// in loop(), voor de beslissing:
if (digitalRead(KNOP) == LOW) {
  startHand = nu;
  handAan = true;
}
if (handAan && nu - startHand >= HAND_MS) handAan = false;
bool pompAan = (tijdOmTePompen || handAan) && genoegWater;

c
Wat gebeurt er als iemand de knop ingedrukt houdt? Is dat een probleem?
Zolang de knop ingedrukt is, wordt startHand telkens vernieuwd: de pomp draait door tot 30 s na het loslaten. Geen probleem, want de vlotter blijft de pomp beschermen.

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren

23.13

Habitat: drie 12 V-verbruikers aansturen

Uitdagen7Habitat60 min

De microcontroller van de klimaatmodule stuurt drie 12 V-verbruikers aan: de pomp (1,0 A), de CO₂-klep (magneetventiel, 6 W) en de ventilatoren (5 W samen). Pinnen 9, 10 en 11 zijn vrij (alle drie geschikt voor PWM, hoofdstuk 25). De rail staat op 12,8 V.

a
Teken het volledige schema: rail, zekeringen, verbruikers, diodes, MOSFETs, weerstanden, pinnen, massa en sterpunt.
Voor elk van de drie: +12,8 V → zekering → verbruiker (met diode erover, kathode aan de plus) → drain; source → massa; gate ← 220 Ω ← pin (9, 10 of 11), en 10 kΩ van gate naar massa. De massa's van de drie takken en van de microcontroller komen samen in het sterpunt aan de minpool (hoofdstuk 21).
b
Bereken de stroom van elke verbruiker, het verlies in elke MOSFET (IRLZ44N) en kies de zekeringen.
Pomp 1,0 A: 25 mW, zekering 2 A (aanloop). CO₂-klep $6/12, 8 = 0, 47 A$ : $0, 025 \cdot 0, 4 7^{2} = 5, 5 mW$ , zekering 1 A. Ventilatoren $5/12, 8 = 0, 39 A$ : 3,8 mW, zekering 1 A. Alle drie zijn spoelen (motor, magneet, motor): alle drie een vrijloopdiode.
c
Hoeveel stroom leveren de drie pinnen samen als alles aanstaat? En de 5 V-rail extra voor de pull-downs?
In rust nul: de gates trekken geen stroom (< 100 nA). Alleen bij het schakelen even een laadstroom. De pull-downs: $3 \cdot 5 V /10 kΩ = 1, 5 mA$ als alles aanstaat.
d
Beschrijf een testplan in vier stappen, zodat een fout (verkeerde diode, losse massa) niets kapotmaakt.
(1) Zonder 12 V: programma testen met leds op de pinnen. (2) Met een lampje van 12 V als last: drain-source meten (aan: enkele tientallen mV; uit: 12,8 V). (3) Diodes controleren op richting (multimeter op de diodestand) voor de verbruikers aangaan. (4) Eén verbruiker per keer aansluiten, met de zekering erin, en de temperatuur van de MOSFET voelen.

Zo wordt dit beoordeeld

Schema	Drie keer: zekering, verbruiker met vrijloopdiode (kathode aan de plus), low-side IRLZ44N, 220 Ω naar de pin, 10 kΩ pull-down; gemeenschappelijke massa via het sterpunt.
Berekeningen	Stromen met I = P/U, verliezen R·I², zekeringen net boven de stroom (met aanloop).
Stuurstroom	Inzicht dat een MOSFET in rust geen gatestroom trekt; alleen de pull-downs kosten 0,5 mA per stuk.
Testplan	Eerst zonder last of met een lampje; spanning drain-source meten; diode controleren; massa controleren; pas dan de echte verbruikers.

23.14

De piek van een relaisspoel

Uitdagen7Rekenen25 min

Het relais van het handboek (spoel 70 Ω op 5 V, stroom 69 mA) heeft een zelfinductie van ongeveer 0,1 H (orde van grootte). De PN2222A verdraagt tussen collector en emitter hoogstens 40 V.

a
Hoeveel energie zit er in de spoel als het relais aan staat?
$E = \frac{1}{2} L I^{2} = 0, 5 \cdot 0, 1 \cdot 0, 06 9^{2} = 0, 24 mJ$ .
b
De transistor schakelt uit in ongeveer 1 µs. Welke spanning zou de spoel dan maken zonder diode? Wat gebeurt er met de transistor?
$U = L \frac{Δ I}{Δ t} = 0, 1 \cdot \frac{0 , 069}{1 0 ^{- 6}} \approx 6900 V$ . Lang voor dat bereikt wordt, slaat de transistor door (boven 40 V); een gewone kleine transistor is niet gemaakt om die energie te verwerken en kan stukgaan.
c
Met de diode dooft de stroom uit met een tijdconstante $τ = L / R$ . Bereken $τ$ . Waarom valt het relais daardoor iets later af?
$τ = 0, 1/70 = 1, 4 ms$ . De stroom houdt het relais nog even vast tot hij onder de afvalstroom zakt: enkele milliseconden later. Moet het sneller, dan zet men een zenerdiode in serie met de vrijloopdiode (een hogere klemspanning, dus sneller uitdoven).

23.15

Een ledstrip op een LiFePO4-batterij

Uitdagen6Analyseren20 min

Gebruik de grafiek van het handboek: stroom per segment (3 witte leds + 150 Ω) in functie van de spanning. De strip van de meetkas heeft 20 segmenten.

Stroom per segment volgens het model.

a
Lees de stroom per segment af bij 12,0 V, 13,2 V en 14,4 V. Hoeveel stroom trekt de hele strip bij 14,4 V?
Ongeveer 20, 26 en 32 mA per segment; de strip: $20 \cdot 32 = 0, 65 A$ .
b
Bereken het vermogen van de hele strip bij 12,0 V en bij 14,4 V. Wat betekent dat voor de levensduur van de leds?
12,0 V: $12, 0 \cdot 0, 40 = 4, 8 W$ . 14,4 V: $14, 4 \cdot 0, 648 = 9, 3 W$ . Bijna 1,9 keer zoveel vermogen: de leds worden warmer en verouderen sneller (hun licht neemt sneller af).
c
Bedenk twee oplossingen, en zeg wat elk kost (in geld, rendement of eenvoud).
(1) Een omzetter die er vaste 12,0 V van maakt (een buck-omzetter, E24): kost een onderdeel, rendement ±90 %. (2) Een led-driver met constante stroom: de beste oplossing, iets duurder. (3) Grotere weerstanden per segment: goedkoop, maar minder licht bij lage spanning en meer verlies. (4) PWM die de gemiddelde stroom bijstuurt op basis van de gemeten spanning (hoofdstuk 25).

23.16

Ontwerp: bescherming tegen ompolen

Uitdagen7Ontwerpen30 min

Wie de 12,8 V-rail van de klimaatmodule per ongeluk omgekeerd aansluit, maakt de elektronica stuk: MOSFETs hebben een ingebouwde diode van source naar drain, en de omvormer verdraagt geen negatieve spanning.

a
Een 1N5819 in serie met de voeding van de 5 V-omvormer (piek 0,17 A): hoeveel spanning en vermogen kost dat? Aanvaardbaar?
Een Schottky neemt bij 0,17 A ongeveer 0,3 V: $0, 3 \cdot 0, 17 = 0, 05 W$ . De omvormer krijgt 12,5 V in plaats van 12,8 V: geen probleem. Aanvaardbaar.
b
Waarom is dezelfde oplossing onbruikbaar voor de hele rail (16,5 A met de lampen)? Reken.
Bij 16,5 A zou zelfs een Schottky (±0,5 V) $0, 5 \cdot 16, 5 \approx 8 W$ verstoken, en een diode die zoveel stroom verdraagt, is groot en heet. Voor grote stromen gebruikt men een MOSFET als 'ideale diode' (enkele mΩ) of alleen een goede stekker die niet verkeerd kan.
c
Een tweede methode: een diode in sperrichting over de ingang, achter de zekering. Leg uit hoe die beschermt. Wat moet er dan zeker in de kring?
Bij juiste polariteit spert de diode: ze doet niets. Bij ompolen staat ze in doorlaat: ze maakt een kortsluiting, begrenst de omgekeerde spanning tot ±1 V, en de zekering brandt door. Er moet dus een zekering vóór de diode zitten, en de diode moet de kortsluitstroom verdragen tot de zekering smelt.

Zo wordt dit beoordeeld

Berekening	Spanningsval en vermogen P = U_F · I correct, met realistische U_F.
Afweging	Verlies tegenover eenvoud; ziet dat een seriediode bij grote stromen niet kan.
Werking	Shuntdiode + zekering: bij ompolen kortsluiting via de diode, de zekering brandt door.

23.17

Debat: de groeilampen schakelen met een relais of met een MOSFET?

Uitdagen6Argumenteren25 min

De groeilampen van de klimaatmodule trekken samen 14,8 A op 12,8 V (190 W). Een groepje stelt een relais van 30 A voor, een ander een IRLZ44N. De IRLZ44N heeft bij 5 V hoogstens 0,025 Ω, zonder koelplaat 62 °C/W en mag hoogstens 175 °C warm worden; met een koelplaat wordt dat samen ongeveer 7 °C/W.

a
Bereken het verlies in de MOSFET en de opwarming zonder en met koelplaat. Wat besluit je?
$P = 0, 025 \cdot 14, 8^{2} = 5, 5 W$ . Zonder koelplaat: $5, 48 \cdot 62 \approx 340^{\circ} C$ boven de omgeving: ver boven 175 °C, hij brandt door. Met koelplaat: $5, 48 \cdot 7 \approx 38^{\circ} C$ : goed. Dus: MOSFET alleen met koelplaat (of twee parallel, of een type met nog kleinere $R_{D S (o n)}$ ).
b
Geef twee argumenten voor het relais en twee voor de MOSFET.
Relais: bijna geen verlies in het contact, volledige scheiding tussen stuur- en lastkring, eenvoudig. MOSFET: geen mechanische slijtage en geen klikken, stil, snel, kan PWM, geen vonken aan de contacten.
c
Wat kies je, als je ook weet dat de lampen in hoofdstuk 25 gedimd moeten worden met PWM (honderden keren per seconde aan en uit)?
Een relais kan niet honderden keren per seconde schakelen (het slijt in dagen en is te traag). Voor dimmen is een MOSFET met koelplaat de enige goede keuze; een relais kan hoogstens als extra veiligheidsschakelaar in serie (alles uit bij een alarm).