Leistungsberechnung ICs

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Bei Fragen zu Hausaufgaben sollte eine Vorleistung erbracht worden sein. Diese auch bei der Anfrage einbringen.

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Leistungsberechnung ICs

Neuer Beitragvon Martin90 am Donnerstag 28. Juli 2011, 12:42

Hey Leute,

ich habe vor kurzem eine Digitaluhr mit diskreten ICs zusammengesteckt, und habe mir im nachhinein überlegt, wie viel Verbraucht eine solche Schaltung eigentlich an Strom? Kann ich die Maximalen Stromwerte aus den Datenblättern einfach miteinander addieren und erhalte dann den Gesamtstrom?
Wie bekomme ich raus, ob es einen Unterschied macht, ob unbenutze Eingänge(z.b. beim Zähler) auf High oder Low gelegt werden? Macht es überhaupt einen Unterschied bei CMOS-Bausteinen?
Um nicht die ganze Zeit um den heißen Brei drum rum zu reden: ich hab mit dem Zähler 4510 der CMOS-Reihe gearbeitet. Dieser wurde bei 5V betrieben.
Leider exestiert der Versuchsaufbau nicht mehr und ich kann meine Ergebnisse nicht mehr überprüfen :(

Ich habe bereits eine Gleichung für die Leistung auf folgenden Datenblatt auf Seite 5 ganz unten gefunden, habe aber auch dazu noch einige Fragen...
http://www.jaycar.com.au/images_uploaded/HEF4510B.PDF

Zum einen komme ich doch Einheitentechnisch nicht auf W wenn ich HZ+ irgendwas rechne oder hab ich da einen Denkfehler? Zum anderen stellt eine solche Formel die Gleichung für einen gesamten IC dar oder nur für einen einzelnen Baustein (bspw. sind im 4027 (Flip-Flop) ja 2 Flip-Flops drin...)

Ich wäre sehr dankbar für eure Hilfe und verschiedenen Ansätze!
Vielen Dank schon im Vorraus!

Beste Grüße
Martin90
Martin90
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Re: Leistungsberechnung ICs

Neuer Beitragvon anders am Donnerstag 28. Juli 2011, 14:30

Kann ich die Maximalen Stromwerte aus den Datenblättern einfach miteinander addieren und erhalte dann den Gesamtstrom?
Nein, das geht nicht.
Gerade bei CMOS hängt die Leistungsaufnahme stark von der Schaltgeschwindigkeit und der kapazitiven Belastung der Ausgänge ab.

ob es einen Unterschied macht, ob unbenutze Eingänge(z.b. beim Zähler) auf High oder Low gelegt werden? Macht es überhaupt einen Unterschied bei CMOS-Bausteinen?
Unbenutze Eingänge müssen gewöhnlich auf das richtige Potential gelegt werden, damit die logische Funktion sichergestellt ist.
Da CMOS praktisch keinen Ruhestrom hat, ist der Pegel ansonsten gleichgültig - nur offen dürfen Eingänge nicht sein.

Wenn du eine Digitaluht mit LED-Display gebaut hast, kannst du die Leistungsaufnahme des CMOS-Teils auch komplett ignorieren.

um einen komme ich doch Einheitentechnisch nicht auf W wenn ich HZ+ irgendwas rechne
Stimmt, aber derartige Formeln sind üblich, um den Entwicklern ein einfaches Werkzeug in die Hand zu geben.
Wenn du willst, kannst du ja die Formel herleiten:
Im ersten Term steckt die Verlustleistung vdes Eingangspuffers (=der Stromfluss durch die komplementären Transistoren im Moment des Umschaltens plus Umladen der internen Kapazitäten), und der Rest entspricht der Wärmeentwicklung am Innenwiderstand wegen des an die Lastkapazität abgegeben Stroms.
Im Übrigen sind Formeln ungenau, denn durch die Lastkapazität sinkt der der Shoot-Through.
Zuletzt geändert von anders am Donnerstag 28. Juli 2011, 14:51, insgesamt 4-mal geändert.
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Re: Leistungsberechnung ICs

Neuer Beitragvon Martin90 am Montag 1. August 2011, 12:41

Hallo,

Wenn du eine Digitaluht mit LED-Display gebaut hast, kannst du die Leistungsaufnahme des CMOS-Teils auch komplett ignorieren.


Ja ein LED-Display gehört dazu. Und ich weiß auch, dass der Stromverbrauch des CMOS-Teils verschwindend gering ist, da ich (wieder einmal) einen Bericht zu der ganzen Sache schreiben soll, habe ich mir überlegt zumindest für einen Baustein die Berechnung eines Bausteins dar zu stellen. Nur damit man das Prinzip sieht...

Vielen Dank für deine schnelle Antowrt. Ganz habe ich die Herleitung zwar noch nicht verstanden, aber ich werd mich gleich nochmal ausführlich damit beschäftigen und dann sollte das klappen.
Martin90
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Re: Leistungsberechnung ICs

Neuer Beitragvon anders am Montag 1. August 2011, 22:24

Ganz habe ich die Herleitung zwar noch nicht verstanden,
Das ist doch janz einfach:
Normalerweise werden CMOS-Ausgänge ja mit den Eingängen anderer CMOS-Schaltungen belastet, sehen also eine kapazitive Last. Gleichstrom fliesst praktisch keiner.

Betrachten wir erstmal den rechten Teil des Ausdrucks:
Wenn die Lastkapazität CL auf die Spannung Vdd aufgeladen ist, steckt in ihr die Energie A=1/2 *CL*Vdd**2.

Wenn der Ausgang nun auf 0 umschaltet, wird diese Energie am Innenwiderstand des N-Fets in Wärme umgewandelt.

Die gleiche Wärmemenge entsteht am Innenwiderstand des p-FET, wenn die Lastkapazität bei der L-->H Flanke (vollständig) auf U aufgeladen wird.

Insgesamt wird pro Periode also die Arbeit C*U**2 in Wärme umgesetzt.
Je höher die Frequenz, umso öfter passiert das pro Sekunde, und deshalb ist die Verlustleistung proportional zu r Frequenz f:
P= f*CL*Vdd**2

Da das IC mehrere Ausgänge hat, die alle mit verschiedener Frequenz schalten und auch verschiedene Lastkapazitäten haben können, steht noch das Summenzeichen davor.

Der erste Term des Ausdrucks beschreibt im Prinzip das Gleiche, aber für den Eingangspuffer, der die IC-internen Kapazitäten umladen muß, und die Eingangsfrequenz fi.
Auch hier hast du die Frequenzproportionalität und den quadratischen Anstieg der Verlustleistung mit der Speisespannung aufgrund der (internen) Lastkapazität.

Hier aber findet man sogar einen noch stärkeren als quadratischen Anstieg mit der Speisespannung.
Das hat damit zu tun, daß die Eingangsspannung den 0--1 oder umgekehrten Übergang nicht sprunghaft erledigt, sondern eine endliche Zeit dafür braucht.
Wenn sich die Eingangsspannung ungefähr im Bereich von 1/3 .. 2/3 der Speisespannung befindet, existiert ein Übergangsbereich, in welchem beide Transistoren des Eingangsinverters leiten.
Dann fliesst über diese beiden Transistoren direkt Strom von Vdd nach Vss und dadurch entstehen im Umschaltmoment zusätzliche Verluste.
Da die MOSFETS umso niederohmiger werden, je heftiger sie angesteuert werden, steigt dieser Strom überproportional mit der Betriebsspannung.

Dieser Übergangsbereich ist übrigens der Grund, weshalb man unbenutzte CMOS-Eingänge entweder an Vdd oder Vss anschliessen muß.
Wenn man einen solchen Eingang nämlich nicht anschliesst, besteht aufgrund der Hochohmigkeit und elektrostatischer Aufladung die Gefahr, dass sich die Eingangsspannung für längere Zeit in diesem Übergangsbereich aufhält.
Da dann beide Transistoren kontinuierlich leiten, bedeutet das nicht nur einen erhöhten Stromverbrauch, sondern u.U. kann dabei sogar die höchstzulässige Verlustleistung und Chiptemperatur überschritten werden.

Andererseits gibt es einige Schaltungen, die diesen Übergangsbereich absichtlich aufsuchen, weil der CMOS-Inverter dort einen linearen Verstärker darstellt.
Diese Vermutung sollte man immer haben, wenn man CMOS Schaltungen mit der Endung UB findet, weil UB für unbuffered steht, während die meisten anderen ICs der 4000er Serie die Endung B (=buffered) haben.
Diese B-Typen beinhalten noch (mindestens) einen weiteren Inverter, wodurch die Verstärkung so hoch wird, dass ein linearer Betrieb kaum noch möglich ist.
anders
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