Abschlussprüfung. Elektronische Bauelemente. Mechatronik + Elektrotechnik Bachelor. Name: Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr.-Ing.

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1 Name: Abschlussprüfung Elektronische Bauelemente WS2010/11 Mechatronik + Elektrotechnik Bachelor Prüfungstermin: Prüfer: Hilfsmittel: (90 Minuten) Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr.-Ing. Eder Taschenrechner Schriftliche Unterlagen Generelle Hinweise: Überprüfen Sie als Erstes die Vollständigkeit der Prüfungsangabe anhand der Seitennummerierung. Beschriften Sie die Prüfungsangabe und alle losen Blätter, die Sie abgeben, mit Ihrem Namen. Mobiltelefone ausschalten und wegpacken! Bei Aufgaben, die mit einem * gekennzeichnet sind, können Sie neu ansetzen. Lösungen ohne erkennbaren Lösungsweg werden nicht gewertet. Viel Erfolg!

2 1. Kondensator Das Datenblatt eines Elektrolyt- Kondensators liefert folgende Angaben: nominal value (±20 %) 10 µf rated ripple current I AC, 0.5 A self-inductance ESL 25 nh ES (typical) 8 Ω useful life a) (*) Aus welcher Normreihe stammt der Kondensator? b) (*) Wo liegt die esonanzfrequenz des Kondensators? Der Kondensator wird mit gepulstem Strom betrieben (Amplitude I AC = 1 A, Frequenz 100 Hz). c) (*) Welche Lebensdauern ergeben sich bei Umgebungstemperaturen von 55 C und 90 C? d) (*) Wie groß ist die Güte des Kondensators? e) (*) Welche (Wirk-)Wechselleistung wird dabei umgesetzt? Duty-Cycle = 10 %. f) (*) Der VCC-Eingang eines IC wird über einen 10 µf-elko sowie einen keramischen 1 nf- Kondensator mit Masse verbunden. Wozu dienen die beiden Kondensatoren? (Kurze Begründung, Stichworte) Seite 2/9

3 2. Netzwerk Ein Zweitor besteht aus zwei gleichen Widerständen und einem Kondensator. Am Eingang befindet sich die Quelle u e, der Ausgang läuft leer. u e C i a =0 u a Die A-Matrix des Zweitors lautet 2 1 a) (*) Wie groß ist die Spannungsverstärkung u a /u e? Zweitor b) (*) Welchen Eingangswiderstand sieht die Quelle u e? (KEINE Normalform notwendig!) c) Geben Sie die G-Matrix des Zweitors an. (KEINE Normalform notwendig!) Nun werden zwei Zweitore verkettet: u e C C u a d) (*) Geben Sie das Element a 11 der Gesamt-A-Matrix an. (KEINE Normalform notwendig!) e) Wie ergibt sich u a aus u e, und ωc? (KEINE Normalform notwendig!) Seite 3/9

4 3. LED Eine LED wird mit Spannungsquelle U 0 und Widerstand betrieben. Es soll der Arbeitspunkt U D = 3,5 V und I D = 20 ma eingestellt I werden. Zunächst gilt U 0 = 5 V; D /ma T=75 C T=25 C T = 25 C. 80 U U D /V a) (*) Bestimmen Sie den Widerstand. b) (*) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Kennlinien-Diagramm ein. c) Welche Maschengleichung beschreibt die Arbeitsgerade in b)? d) (*) Welche Gleichleistung wird im Arbeitspunkt umgesetzt? e) Wie stark erwärmt sich die Diode dadurch? ( th = 100 K/W) f) Wie ändert sich der Arbeitspunkt bei 75 C (Werte für U D und I D )? g) (*) Bestimmen Sie aus der Kennlinie den differentiellen Widerstand bei U D = 4 V. Seite 4/9

5 h) (*) Warum ist der Wert aus g) nicht wesentlich kleiner, wie es für eine ideale Diode zu erwarten wäre? (Stichwort oder kurze Begründung!) Im Arbeitspunkt beträgt der differentielle Widerstand r D = /3. Die Spannung U 0 ist jetzt 5 1 cos 2 1. i) (*) Um welchen Wert Δu D ändert sich die Diodenspannung maximal? j) Um welchen Wert Δi D ändert sich der Diodenstrom maximal? k) Welche Wechselleistung und welche Gesamtleistung werden in der Diode umgesetzt? l) (*) Die Grenzfrequenz der Diode ist f 3dB = 300 MHz. Wie groß ist die Minoritätsträger- Lebensdauer? m) Welche Diffusionskapazität hat die Diode im Arbeitspunkt? Seite 5/9

6 4. Kollektorschaltung Die Spannung u Q wird von einer Kollektorschaltung verstärkt an L ausgegeben. I C (ma) Der Innenwiderstand Q beträgt 10 kω. L u a u Q ~ Q C B u e 12 V + - U CE (V) Der Arbeitspunkt (AP) wird auf U CE = -8 V und I C = -13 ma eingestellt. a) (*) Wie groß muss L sein, damit der AP exakt erreicht wird? echnen Sie mit dem Normwert L = 310 Ω weiter (unveränderter AP). b) (*) Welche Amplituden können AP-Änderungen Δu CE und Δi C maximal haben? c) (*) Wie groß muss B genau sein? Bestimmen Sie dazu den Basisstrom im AP. Nehmen Sie U BE = -0,75 V an. d) (*) Zeichnen Sie die Polarität des Elektrolytkondensators C ein. Kurze Begründung! Seite 6/9

7 e) (*) Zeichnen Sie das Wechselstrom-Ersatzschaltbild (WS-ESB) ohne Kapazitäten. f) (*) Wie groß ist der Innenwiderstand der gesteuerten Stromquelle? Spielt er hier eine olle? g) (*) Wie groß ist der differentielle Widerstand r BE des Transistors? h) (*) Wie groß ist die Stromverstärkung B der gesteuerten Quelle? (Ersatzwert: B = 150) i) (*) Geben Sie die ungefähre Spannungsverstärkung u a /u e an. j) (*) Wie groß ist der gesamte Eingangswiderstand (Transistor mit Normwert B = 71,5 kω )? k) Welche Spannungsverstärkung u a /u Q ergibt sich? Seite 7/9

8 5. FET Die Spannung u Q mit Innenwiderstand wird mit der FET-Schaltung verstärkt: 900Ω 100Ω C 1 16µF u A U 0 = 9 V u Q ~ 1MΩ 100Ω 16µF FET-Kennlinien: I D (ma) I D (ma) U GS a) (*) Um welche Grundschaltung handelt es sich? b) (*) Welcher FET-Typ wird verwendet (Zutreffendes ankreuzen)? MOSFET selbstsperrend n-kanal JFET selbstleitend p-kanal c) (*) Welche Gleichspannung liegt zwischen Gate und Masse? Seite 8/9

9 d) (*) Geben Sie die Eingangs-Maschengleichung an (enthält U GS ). e) (*) Geben Sie die Ausgangs-Maschengleichung an (enthält U DS ). f) (*) Zeichnen Sie die Arbeitsgeraden entsprechend d) und e) in die beiden Kennlinien ein. g) Wie groß sind U GS, I D und U DS im Arbeitspunkt? h) (*) Zeichnen Sie das Wechselstrom-Ersatzschaltbild (mit allen Kapazitäten, ohne r DS ). i) (*) Berechnen Sie C 1 für eine untere Grenzfrequenz f 1 = 1,6 Hz. j) (*) Bis zu welcher Grenzfrequenz f 2 ist der 100 Ω-Widerstand für Wechselsignale wirksam? k) (*) Wie groß ist die Spannungsverstärkung für Frequenzen f 2? (S = 15 ms) l) (*) Wo liegt die obere Grenzfrequenz f 4? (c GS = 5 pf, c GD = 0,7 pf) Seite 9/9