Elektronische Bauelemente Beispielaufgaben zur Vorbereitung auf das Praktikum und die Abschlußklausur

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1 1. Widerstände Elektronische Bauelemente Beispielaufgaben zur Vorbereitung auf das Praktikum und die Abschlußklausur 1.1. Vergleichen Sie Kohleschicht- und Metallschichtwiderstände hinsichtlich der aufgezählten Eigenschaften (größer - kleiner, gut schlecht, etc.): Kohleschicht Metallschicht Stromrauschen Temperaturkoeffizient Preis Langzeitstabilität 1.2. Was ist ein VDR-Widerstand, worauf beruht seine Funktion und wofür wird er eingesetzt? Geben Sie das Schaltzeichen an! Stellen Sie die I/U-Kennlinie eines VDR-Widerstands dar! 1.3. Was ist ein NTC-Widerstand, worauf beruht seine Funktion und wofür wird er eingesetzt? Geben Sie das Schaltzeichen an! Stellen Sie die I/U-Kennlinie eines NTC-Widerstands dar! 1.4. Was ist ein PTC-Widerstand, worauf beruht seine Funktion und wofür wird er eingesetzt? Geben Sie das Schaltzeichen an! Stellen Sie die I/U-Kennlinie eines PTC-Widerstands dar! 1.5. Stellen Sie die wesentlichen Eigenschaften von Kohle- und Metallschichtwiderständen gegenüber! 1.6. Wie kann man bei gewickelten Drahtwiderständen die Induktivität vermindern? 1.7. Wo werden Drahtwiderstände eingesetzt? 1.8. Welche der dargestellten Widerstandsbauformen ist für HF-Anwendungen am besten geeignet? Begründen Sie Ihre Entscheidung! a) b) c) d) a) Schichtwiderstand kappenlos b) Schichtwiderstand mit Metallkappen c) Schichtwiderstand mit Wendelschliff d) Drahtwiderstand, einfach gewickelt 1.9. Für einen Widerstand werden folgende Angaben zur Verlustleistung gemacht: Nennverlustleistung P N bei Nenntemperatur T N = 70 C: 1W Maimal zulässige Betriebstemperatur T max : 130 C a) Bis zu welcher Leistung kann der Widerstand belastet werden, wenn die Umgebungstemperatur bis zu 110 C betragen kann? b) Bis zu welcher maximalen Umgebungstemperatur darf der Widerstand betrieben werden, wenn die in ihm umgesetzte Verlustleistung 0,5 W beträgt.

2 2. Kondensatoren 2.1. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Ladung Q, Spannung U und Kapazität C an einem Kondensator? 2.2. Was versteht man unter den Verlusten eines Kondensators? 2.3. Welche Bedeutung hat die Güte eines Kondensators für seinen Einsatz in elektronischen Schaltungen? 2.4. Ordnen Sie den aufgezählten Kondensatortypen je zwei der folgenden Eigenschaften zu! a) großes Verhältnis C/V b) hohe Konstanz von C c) Selbstheilung bei Durchschlag d) starke Temperaturabhängigkeit von C e) hohe Verluste f) geringe Verluste g) ausgeprägte Alterung h) Spannungsabhängigkeit von C i) polarer Kondensator j) hohe Spitzenspannung Metallisierte Kunststofffolie: Elektrolytkondensator: 2.5. Wie ist ein Elektrolytkondensator aufgebaut und welche Aufgabe hat der Elektrolyt? 2.6. Erklären Sie den prinzipiellen Aufbau eines Elektrolytkondensators! Welche Aufgabe hat der Elektrolyt? Welchen Vorteil und welche Nachteile haben Elkos gegenüber anderen Bauformen von Kondensatoren? Worauf muß beim Einsatz von Elkos besonders geachtet werden? 2.7. Welche Art der Zusammenschaltung von Elektrolytkondensatoren ist unzulässig und welche Schaltung wirkt wie ein unipolarer Kondensator (a...e)? a) b) c) unzulässig: d) e) unpolar: 2.8. Skizzieren Sie in einem Zeigerdiagramm Strom und Spannung an einem verlustfreien Kondensator im Wechselstromkreis! Wie weicht ein realer, verlustbehafteter Kondensator hiervon ab? 2.9. Geben Sie das Ersatzschaltbild für einen realen Kondensator an und erläutern Sie die Komponenten! Wie läßt sich die Kapazität eines Kondensators mit Hilfe eines Wechselspannungsgenerators und zweier Multimeter (Effektivwerte von Wechselstrom und Wechselspannung) bestimmen?

3 3. Spulen 3.1. Was sagt der A L -Wert eines Spulenkerns aus? 3.2. Nennen Sie die wesentlichen Anwendungsgebiete für folgende Spulenkerne. Blechkerne: Masseeisenkerne: Ferritkerne: 3.3. Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung an der Spule im Schaltbild, wenn die Generatorspannung U1 die dargestellte Zeitabhängigkeit besitzt! U1 R L U2 U1 t U2 t 3.4. Welche Erscheinungen tragen zum Verlustfaktor einer Spule bei? 3.5. Mit welchen konstruktiven Maßnahmen können die Verluste einer Spule bei hohen Frequenzen verringert werden?

4 4. Halbleiterdioden 4.1. Erklären Sie den inneren Aufbau und die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode! 4.2. Skizzieren Sie die vollständige I/U-Kennlinie einer Si-Diode und bezeichnen Sie alle wichtigen Kenngrößen! 4.3. Skizzieren Sie die I-U-Kennlinie einer Halbleiterdiode und zeigen Sie an, wie sich diese mit steigender Temperatur ändert! 4.4. Wie groß ist die typische Schwellspannung für Gleichrichterdioden aus: Ge: Si: Se: 4.5. Bei der dargestellten Stabilisatorschaltung mit Z-Diode ändert sich die Eingangsspannung U 1 von 10 V auf 13 V. Erklären Sie mit Hilfe der Arbeitsgeraden von R, wie sich die Ausgangsspannung U 2 ändert! 4.6. Worauf beruht der Durchbruch einer Diode in Sperrrichtung? 4.7. Skizzieren Sie die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der Sperrspannung U R! 4.8. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung am Widerstand R und definieren Sie daran die Schaltzeiten einer Diode! U 1 t U 1 U R U R t

5 U 1 t U 1 R U R U R t 4.9. Nennen Sie die wichtigsten Typen von Dioden und deren Anwendung! Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf des Stroms durch die Diode entsprechend der Schaltung a). Die Frequenz der Eingangsspannung beträgt f=50 Hz. Wie ändert sich der Strom durch die Diode, wenn entsprechend Schaltung b) parallel zu R = 1kΩ ein Kondensator von C=50 F geschaltet wird? Skizzieren Sie qualitativ den Stromverlauf auch für diesen Fall. Welche Sperrspannung muss die Diode mindestens aufweisen, welche Nennspannung ist für den Kondensator vorzusehen und welche Bauform ist zu verwenden? a) b) 100 V eff R 100 V eff R C I D /ma t/ms -200 U sperr > Bauform von C: Nennspannung von C:

6 4.11. Für welche Sperrspannung muß die Diode in der abgebildeten Gleichrichterschaltung mindestens ausgelegt sein? Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung am Lastwiderstand R entsprechend der Schaltung a). Die Frequenz der Eingangsspannung beträgt 50 Hz. Wie ändert sich die Spannung, wenn entsprechend Schaltung b) parallel zu R = 1kΩ ein Kondensator von C=50 F geschaltet wird? Skizzieren Sie qualitativ den Spannungsverlauf auch für diesen Fall. Welche Sperrspannung muss die Diode mindestens aufweisen, welche Nennspannung ist für den Kondensator vorzusehen und welche Bauform ist zu verwenden? a) b) 100 V eff R 100 V eff R C U R /V t/ms -200 U sperr > Bauform von C: Nennspannung von C:

7 5. Bipolare Transistoren 5.1. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise eines bipolaren Transistors! 5.2. Geben Sie das Schaltzeichen für einen pnp-transistor an und bezeichnen Sie Ströme und Spannungen. Welche Beziehungen gelten zwischen den Strömen? 5.3. Welche grundsätzlichen Betriebsarten eines Transistors kennen Sie. Erklären Sie die Unterschiede und Anwendungsfälle! 5.4. Geben Sie eine Variante für die vollständige Beschaltung eines npn-transistors an, um einen Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung zu realisieren! 5.5. Vergleichen Sie die drei Grundschaltungen des bipolaren Transistors hinsichtlich des Stromverstärkungsfaktors und des differentiellen Eingangswiderstands! 5.6. Was versteht man unter der Grenzfrequenz der Stromverstärkung eines bipolarentransistors in Basisschaltung f und in Emitterschaltung f? Welcher Zusammenhang besteht zwischen diesen beiden Kenngrößen und der Transitfrequenz f T? 5.7. Berechnen Sie die Widerstände für die NF-Verstärkerstufe für den vorgegebenen Arbeitspunkt. Wählen Sie die nächstliegenden Werte aus der Normreihe E24 aus und geben Sie die berechnete Verlustleistung, den nächstliegenden Wert aus der Nennlastreihe und die Bauform (Draht, Metallschicht, Kohleschicht) an. Gegeben: Betriebsspannung: U B = +15 V Arbeitspunkt: U CE = 7V, I C = 7mA Transistordaten: B = 140 U BE = 0,7V bei I C =7mA berechneter Wert Normwert Verlustleistung Nennbelastbarkeit Bauform R C gegeben 1k R E R 1 R 2

8 5.8. Bei einigen Exemplaren der in Serie gefertigten Schaltstufen wird das Relais beim Anlegen der Steuerspannung von 14V nicht angezogen. Welche Ursache lässt sich anhand der gegebenen Bauelementedaten dafür finden? Nehmen Sie die notwendigen Veränderungen in der Schaltung vor, um ein sicheres Anziehen des Relais zu garantieren! 5.9. Dimensionieren Sie den Basiswiderstand R B so, dass ein sicheres Anziehen des Relais garantiert werden kann!

9 5.10. Dimensionieren Sie den Koppelkondensator C1 in der folgenden Schaltung so, daß bei einer Frequenz von f=200 Hz kein Verstärkungsabfall verursacht wird. Legen Sie Bauform, Nennwert (E6) und Nennspannung fest und tragen Sie die Polarität in der Schaltung ein! R G = 10, R 1 = 20k, R 2 = 5k, R L = 100k, r be = 500, U G = 1Vsin( t)

10 6. Feldeffekttransistoren 6.1. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines selbstleitenden n-kanal-mosfets, geben Sie das Schaltzeichen an und skizzieren Sie Steuer- und Ausgangs- Kennlinienfelder! 6.2. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines selbstsperrenden n-kanal-mosfets, geben Sie das Schaltzeichen an und skizzieren Sie Steuer- und Ausgangs- Kennlinienfelder! 6.3. Erklären Sie die Begriffe Steilheit und Abschnürspannung an der Steuerkennlinie von Feldeffekttransistoren! 6.4. Erläutern Sie den Aufbau und die Wirkungsweise eines Sperrschicht-FETs! 6.5. Skizzieren Sie Ausgangs- und Steuerkennlinien eines n-kanal Sperrschicht-FETs und definieren Sie den differentiellen Ausgangswiderstand, die Abschnürspannung U p sowie die Steilheit! 6.6. Ordnen Sie den Schaltbildern die genaue Bezeichnung des Bauelementes zu. a) b) c) d) e) f) a) d) b) e) c) f)

11 6.7. Zu welchem FET gehören die abgebildeten Kennlinien? 6.8. Erläutern Sie am Beispiel eines n-kanal-sperrschicht-fets die für die Einstellung des Arbeitspunktes notwendige Beschaltung, wenn nur eine Spannungsquelle zur Versorgung der Schaltung zur Verfügung steht (Schaltskizze und kurze Erklärung)! 6.9. Wofür werden Feldeffekttransistoren eingesetzt? Welche Vorteile besitzen Feldeffekttransistoren gegenüber bipolaren Transistoren? Dimensionieren Sie die passiven Bauelemente R d, R s und C 2 der Verstärkerschaltung mit SFET. Legen Sie Bauformen und Nennwerte fest (E24-Reihe und Nennverlustleistung für Widerstände, E6-Reihe und Nennspannung für Kondensatoren). Gegeben: Schaltung: U B = 20 V R gen = 10 K R L = 1 M Transistordaten: U p = -1,78V I DSS = 4mA, Kennliniengleichung: I D = I DSS (1 U GS /U P ) 2 Der Arbeitspunkt des FETs wird auf I D = 2mA und U D = U B /2 gelegt. Die Schaltung soll im Bereich von Hz eine konstante Verstärkung aufweisen. berechneter Wert Normwert E24 Verlustleistung /W Nennbelastbarkeit /W Nennspannung /V Bauform R S X R D X C 2 X X

12 7. Thyristoren 7.1. Erklären Sie Aufbau und Wirkungsweise eines Thyristors! 7.2. Skizzieren Sie die vollständige I/U-Kennlinie eines Thyristors und bezeichnen Sie die wichtigsten Kinogrössen und Kennlinienbereiche! 7.3. Welchen Einfluß haben die Höhe und die Dauer des Zündimpulses auf das Zündverhalten von Thyristoren? 7.4. Wie verändert sich das Zündverhalten bei Temperaturerhöhung? 7.5. Was muß beim Schalten von induktiven Lasten mit Thyristoren beachtet werden? 7.6. Geben Sie Beispiele für die Anwendung von Thyristoren an! 7.7. Worin besteht der Unterschied zwischen Thyristor und Triac? 7.8. Welche unerwünschten Arten der Zündung können bei Thyristoren auftreten? 7.9. Sowohl ein Thyristor als auch ein Transistor kann als elektronischer Schalter eingesetzt werden. Welcher wesentliche Unterschied besteht in der Ansteuerung der beiden Bauelemente? 8. Optoelektronische Bauelemente 8.1. Welches Halbleitermaterial wird für Fotowiderstände eingesetzt, deren spektrale Empfindlichkeit der des menschlichen Auges nahekommt? 8.2. Erläutern Sie die wichtigsten Kenngrößen von Fotowiderständen! 8.3. Welche Vor- und Nachteile haben Fotowiderstände gegenüber anderen Lichtempfängern? 8.4. Nennen Sie wesentliche Anwendungsfälle für Fototransistoren, Fotodioden und Fotowiderstände. Worin unterscheiden sich diese Bauelemente hinsichtlich ihres Einsatzes? 8.5. Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise einer Fotodiode! 8.6. Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise eines Fotoelements! 8.7. Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise eines Fotowiderstands! 9. Magnetoelektronische Bauelemente 9.1. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Hall-Bauelemente! 9.2. Erklären Sie den Hall- Effekt! Werte der Widerstands - Normreihe E 24 : 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 Nennbelastbarkeit für Widerstände : 0,05 W 0,1 W 0,25 W 0,5 W 1 W 2 W 3 W 6 W 10 W