Angewandte Elektronik AE

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Author: Insa Weiss
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ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE

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VOM 26. 3. 2015

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Angewandte Elektronik AE Klausur vom 26. 3. 2015 Aufgaben und Musterlösungen 1. Abb. 1 zeigt eine Operationsverstärkerschaltung und einen Eingangsspannungsverlauf. Zeichnen Sie ein, wie der Verlauf der Ausgangsspannung ungefähr aussieht. Praxistip: die Verstärkung ausrechnen und hinschreiben. Die Zeichnung muß nicht absolut genau sein... (8 Punkte)

Es ist ein invertierender Verstärker. Verstärkung 68k : 22k =3,09.... also rund 3 (genauer: – 3. Damit werden aus zwei Teilungseinheiten des Eingangssignals 6 Teilungseinheiten des Ausgangssignals. Es wird zudem invertiert = um die X-Achse gespiegelt.

Abb. 1 2. Wie hoch ist der Eingangswiderstand der Schaltung von Abb. 1 (näherungsweise)? Geben Sie eine Zusatzschaltung an, die einen sehr hohen Eingangswiderstand gewährleistet. (8 Punkte)

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Der Eingangswiderstand entspricht nahezu dem Widerstand R1, also rund 22 kOhm. Wenn ein sehr hoher Eingangswiderstand gefordert ist, kann man einen Impedanzwandler (1:1Puffer) vorschalten.

3. Abb. 2 zeigt zwei Schaltungen zum Ansteuern einer LED. Durch die LED sollen 20 mA fließen. VCC = 5 V. Flußspannung der LED = 2,1 V. a)

Dimensionieren Sie den Vorwiderstand RV.

b) Welchen Pegel (Low oder High) muß das Ansteuersignal SW_LED haben, damit die LED leuchtet? (Für beide Schaltungen angeben.) c)

Welcher maximale Kollektorstrom kann durch den Transistor fließen? (Für beide Schaltungen angeben. Die Werte berechnen und kurz erläutern, in welchem Betriebsfall dieser Strom fließt.)

d) Berechnen Sie den Basisvorwiderstand RB für ein Ansteuersignal (SW_LED) von 3,5 V und für eine Stromverstärkung von 100. Die Lösungen in Tabelle 1 eintragen. Ggf. auf einem zusätzlichen Blatt kurz erläutern. (16 Punkte)

Abb. 2 Frage

Abb. 2a)

Abb. 2b)

Pegel von SW_LED, um die LED einzuschalten

Low. Transistor muß gesperrt werden.

High. Transistor muß aufgesteuert werden.

ICmax

rund 35 mA (Transistor schließt LED kurz und schaltet RV nach Masse)

20 mA

In welchem Betriebsfall (LED ein/aus) fließt ICmax?

LED aus. ICmax = VCC : RV (UCEsat vernachlässigt)

LED ein. ICmax = Strom durch die LED

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Frage

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Abb. 2a)

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Abb. 2b)

RB für SW_LED = 3,5 V

35 mA : 100 = 350 µA. 3,5 V – 0,7 V = 2,8 V. 2,8 V : 0,35 mA = 8 kOhm

Vorwiderstand RV

RV = (5V – 2,1 V) : 20 mA = 145 Ohm. Die Kollektor-EmitterSättigungsspannung UCEsat im Fall b) kann vernachlässigt werden.

20 mA : 100 = 200 µA. 3,5 V – 0,7 V = 2,8 V. 2,8 V : 0,2 mA = 14 kOhm

Hinweise: 1. Es ist nicht falsch, die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCEsat zu berücksichtigen und z. B. 200 mV anzusetzen. Damit würde sich ergeben: RV im Fall b) 135 Ohm; IC im Fall a) 33 mA; RB im Fall a) 8,4 kOhm; RB im Fall b) 2. Es wird auch als richtig gewertet, wenn beim Berechnen von RB die 0,7 V Basis-EmitterSättigungsspannung UBEsat nicht abgezogen wurde. Dann wäre RB = 3,5 V : 0,35 mA = 10 kOhm bzw. 3,5 V : 0,2 mA = 17,5 kOhm.

Tabelle 1 4.

Entwerfen und dimensionieren Sie einen nichtinvertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 12. Bei einem Spannungshub von 5 V darf ein Strom von maximal 250 µA entnommen werden. (5 Punkte)

5 V : 250 µA ergeben einen Gesamtwiderstand R = 20 kOhm. R1 = R : A), also 20k : 12. Das sind rund 1,67 kOhm. Bleiben für R2 20k – 1,5k = 18,33 kOhm. 5.

Welche 3dB-Grenzfrequenz hat der Verstärker gemäß Aufgabe 4, wenn das VerstärkungsBandbreiten-Produkt 500 kHz beträgt? (5 Punkte) Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt : Schleifenverstärkung. 500 kHz : 12 = 41,67 kHz.

6.

Der Amplitudenfehler einer Operationsverstärkerschaltung soll 0,5 % nicht übersteigen. Die maximale Signalfrequenz beträgt 10 kHz. Welche 3dB-Grenzfrequenz muß der Verstärker mindestens aufweisen? (5 Punkte)

Amplitudenfehler  0,995 100 Vf 0,995  10kHz f3dB =   99,6kHz, also rund 100kHz 2 1- v 1 0,9952 V = 1-

7.

Abb. 3 zeigt eine Brückenschaltung. Geben Sie an, welche Transistoren für welche Drehrichtung jeweils einzuschalten sind. Worauf ist beim Umschalten der Drehrichtung zu achten? (8 Punkte)

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Abb. 3 Brückenschaltung (nach Texas Instruments) Es dürfen keine Querströme (shoot-thru currents) fließen. Beide Transistoren eines Zweiges (TR1, TR3 bzw. TR2, TR4) dürfen nicht gleichzeitig angesteuert werden. Also erst ausschalten, dann einschalten (Break before Make). 8. Geben Sie eine Schaltung an (mit Dioden und Transistoren), die die Signale A, B, C, D wie folgt verknüpft:

X  A B  C D (12 Punkte) Praxistip: Erinnern Sie sich an die Grundlagen der Digitaltechnik, um sich die Arbeit womöglich etwas zu vereinfachen... Nach DeMorgan gilt:

C D  C  D

Als Funktionsbausteine genügen somit ein UND-Gatter, ein NOR-Gatter und ein ODERGatter. Eine Einfachlösung könnte z. B. so aussehen:

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Eine alternative Lösung ergibt sich, wenn wir den Ausdruck zweimal negieren:

A  B  C  D  A  B  C  D  A  B  (C  D) Wir brauchen zwei NANDs und ein ODER:

Auch andere Lösungen werden als richtig gewertet – vorausgesetzt, sie erwecken den Eindruck, daß sie tatsächlich funktionieren könnten... 9. Abb. 4 zeigt zwei Leistungsstufen mit angeschlossener Last. Die Betriebsbedingungen: Betriebsspannung UB = + 24 V, Laststrom IL = 3 A. a)

Welche Spannung UL fällt über der Last ab, wenn der Leistungstransistor voll aufgesteuert ist?

b)

Welche Verlustleistung wird im Leistungstransistor umgesetzt?

c)

Welche Steuerspannung UBE bzw. UGS muß wenigstens angelegt werden, damit der jeweilige Transistor tatsächlich voll aufgesteuert wird?

Die Lösungen in Tabelle 2 eintragen. Ggf. auf einem zusätzlichen Blatt kurz erläutern. Die Abb. 5 und 6 zeigen entsprechende Datenblattausschnitte. Geben Sie an (Pfeile), welche Kennwerte Sie genutzt haben, um die Aufgaben zu lösen. (12 Punkte)

Abb. 4

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Abb. 5 Datenblattauszug NPN-Transistor (Quelle: Bourns)

Abb. 6 Datenblattauszug N-Kanal-FET (Quelle: Fairchild) Als Vorüberlegung: Welche Spannung fällt über dem Transistor ab? a) Es ist die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCE(sat). Im Datenblatt stehen 1,2 V. b) Es ist der Spannungsabfall ILast • RDSon. Das Datenblatt nennt einen RDSon von max. 0,95 Ohm. Bei 3 A ergibt das 2,85 V. Das ist der ungünstigste Fall (Worst Case). Es wird auch als richtig gewertet, wenn mit dem typischen Wert von RDSon gerechnet wurde.

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Frage

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Abb. 3a)

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Abb. 3b)

Lastspannung UL

24 V – 1,2 V = 22,8 V

24 V – 2,85 V = 21,15 V (Worst Case) 24 V – 2,43 V = 21,57 V (typisch)

Verlustleistung

1,2 V • 3 A = 3,6 W. Verlustleistung im Basiskreis wird vernachlässigt.

2,85 V • 3 A = 8,55 W (Worst Case) 2,43 V • 3 A = 7,29 W (typisch)

Steuerspannung (UCE / UGS)

Das Datenblatt nennt eine BasisEmitter-Spannung von 1,8 V. Also Ansteuerung gegen Masse mit 24 V + 1,8 V = 25,8 V.

Der RDSon ergibt sich laut Datenblatt bei einer Gatespannung von 10 V. Also Ansteuerung gegen Masse mit 24 V + 10 V = 34 V.

Tabelle 2 10. Abb. 7 zeigt einen Auszug aus dem Datenblatt eines Leistungs-FETs (Quelle: Fairchild). a)

Ist der Transistor für eine Ansteuerung mit UGS = 12 V geeignet?

b)

Ist der Transistor für eine Ansteuerung mit UGS = 5 V geeignet?

c)

Ist der Transistor für eine Ansteuerung mit UGS = 3,3 V geeignet?

d)

Welcher Gatestrom ist erforderlich, um den FET in 8 μs einzuschalten?

Deuten Sie ggf. durch Pfeile an, wo Sie die jeweiligen Kennwerte entnommen haben. (8 Punkte)

Abb. 7 a) b)

JA, weil maximaler RDSon für 10 V zugesichert. JA, weil maximaler RDSon für 4,5 V zugesichertgarantiert.

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c) d)

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Nein, weil für eine so niedrige Gatespannung kein RDSon-Wert zugesichert wird. (Eignung für entsprechend schwache Ströme wäre fallweise zu prüfen.) I = Q : t. Wir rechen mit der maximalen Gateladung. 74 nC : 8 µs = 9,25 mA. Es wird auch als richtig gewertet, wenn mit dem typischen Wert der Gateladung gerechnet wurde. 49 nC : 8 µs = 6,125 mA.

11. Erläutern Sie kurz den Fachbegriff "astabiler Multivibrator". Wozu ist so etwas zu gebrauchen? Skizzieren Sie eine entsprechende Transistorschaltung (Prinzipschaltung ohne Spitzfindigkeiten). (8 Punkte) Der astabile Multivibrator besteht aus zwei Schaltstufen, die aufeinander rückgekoppelt sind. Beide Verbindungen sind mit RC-Gliedern ausgeführt (kapazitive Kopplung). Diese Schaltung gibt ständig Impulse ab (Schwingschaltung, Oszillator). Anwendung u. a. als Taktgeber, Rechteckwellengenerator oder Blinkschaltung.

12.

Abb. 8 zeigt eine Schaltung mit zwei Komparatoren sowie einen Signalverlauf. Die Schaltung ist als Präzisions-Schmitt-Trigger bekannt. Erläutern Sie kurz, wie sie funktioniert. Zeichnen Sie den Verlauf der (digitalen) Ausgangsspannung UA in das Diagramm ein. (10 Punkte)

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Abb. 8 Das Latch wird mit Low-Pegeln an den Eingängen umgeschaltet. Es wird gesetzt (Nullpegel am oberen Eingang), wenn UE > 2/3 UB. Es wird zurückgesetzt (Nullpegel am unteren Eingang), wenn UE < 1/3 UB. Ansonsten hält das Latch seinen jeweiligen Zustand. Es wirkt als eine Art Entprellschaltung, die auf irgendwelche Spikes nicht reagiert. Wir müssen nur die Stellen im Signalverauf suchen, an denen das Signal erstmalig 2/3 UB überschreitet und dann wieder 1/3 UB unterschreitet.