Angewandte Elektronik AE

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1 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 1 VON 8 Name: FH Dortmund Matr.-Nr.: FB Informations- und Elektrotechnik Angewandte Elektronik AE Klausur vom Aufgaben und Musterlösungen Hinweise: Bei den Entwurfsaufgaben nicht nur ein Schaltbild zeichnen, sondern ggf. erläutern, wie die Schaltung funktioniert und wo es Problemstellen gibt. Bauelemente sind nur dann zu dimensionieren, wenn es ausdrücklich gefordert ist. 1. Von einer Digitalschaltung aus ist ein Relais anzusteuern. Die Betätigung des Relais soll mit einer Leuchtdiode (LED) angezeigt werden. Die LED-Anzeige soll aus der Logikbetriebsspannung (VCC) gespeist werden. Ein eifriges Mitglied einer sog. Community stöbert im Internet und löst die Aufgabe so, wie in Abb. 1 dargestellt. Wird das funktionieren? Erläutern Sie ggf. das Problem / die Probleme und schlagen Sie eine Abhilfe vor. (8 Punkte) Abb. 1 Es funktioniert nicht. Die aufgesteuerte Basis wirkt wie eine Diode in Flußrichtung. Es kommt darauf an, wer gewinnt (also die niedrigere Impedanz aufweist). Ist es die Basis, so zieht sie den High-Pegel auf etwa 0,7 V herunter. Damit kann der zweite Negator nicht arbeiten. Ist es die Quelle, kann folgendes passieren: 1. Zu starke Übersteuerung: Die Stromverstärkung sinkt soweit ab, daß die Schaltung nicht mehr funktioniert. 2. Überschreitung von Grenzwerten (z. B. Basisstrom): der Transistor geht kaputt. Einfachste Abhilfe: Basisvorwiderstand. 2. Geben Sie das Schaltbild eines invertierenden Verstärkers auf Grundlage eines Operationsverstärkers an. Dimensionieren Sie die Schaltung für eine Verstärkung von 12 und einen Eingangswiderstand von 100 kohm. (5 Punkte) R1 = Eingangswiderstand = 100k. R2 = R1 Verstärkung = 1200k = 1,2M.

2 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 2 VON 8 3. Wir bleiben bei Aufgabe kohm Eingangswiderstand sind nicht allzu viel. In manchen Anwendungen wird ein deutlich höherer Eingangswiderstand (viele MOhm) erwartet. Skizzieren Sie eine Schaltung, die als invertierender Verstärker wirkt, aber einen sehr hohen Eingangswiderstand aufweist. (4 Punkte) 4. Der Amplitudenfehler einer Operationsverstärkerschaltung soll 0,5% nicht übersteigen. Die maximale Signalfrequenz beträgt 25 khz. Gesucht ist die 3dB-Grenzfrequenz. (5 Punkte) f 3dB V f 1 V 2 Amplitudenfehler [%] ; V V=0,995. Ergebnis 249,061..., also ganz rund 250 khz. 5. Abb. 2 zeigt eine Leistungsschaltung mit N-Kanal-FET. Wozu ist die Zenerdiode gut? (Kurze Erläuterung.) (8 Punkte) Abb. 2 Spannungsspitzen im Drain-Source-Kreis werden über kapazitiv auf den Gatekreis übergekoppelt. Richtwert: im Verhältnis von etwa 6:1. Die Zenerdiode dient dazu, die Spannungsspitze am Gate zu begrenzen.

3 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 3 VON 8 6. Abb. 3 zeigt zwei Gleichrichterschaltungen. Die Eingangsspannung UE ist eine Wechselspannung mit einem Spitzenwert von 10 V. Zeichnen Sie den jeweiligen Verlauf der Ausgangsspannung in Abb. 4 (Seite 5) ein. (Wir haben die Dreieckspannung nur deshalb gewählt, weil man eine solchen Verlauf leichter zeichnen kann als einen Sinus.) (10 Punkte) Hier folgen echte, gemessene Spannungen. Die Skizzen sollten wenigstens näherungsweise ähnlich aussehen: a) Der Kondensator wird auf Spitzenwert Diodenflußspannung aufgeladen, also auf etwa 9,3...9,4 V. b) Dieser Gleichrichter ist im Grunde eine Klammerschaltung. Er klammert die negative Spitze auf Massepegel (0 V), so daß sich ein dreieckförmiger Gleichspannungsverlauf mit einem Spitzenwert von U SS, also rund 20 V ergibt. Auch hier ist die Diodenflußspannung abzuziehen. Sie bewirkt, daß die untere Spitze nicht direkt bei 0 V beginnt, sondern bis etwa 0,7 V hinunterreicht.

4 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 4 VON 8 7. Wir bleiben bei Aufgabe 6 und Abb. 3. Das Voltmeter am Ausgang soll ein Drehspulinstrument sein (wie im Praktikum...). Welchen Spannungswert wird es anzeigen (näherungsweise)? (Die beiden Werte in Abb. 3 eintragen.) (4 Punkte) Abb. 3 Im beiden Fällen kommt das gleiche heraus: Spitzenwert Diodenflußspannung, also 9,3 bis 9,4 V. Im Fall a) wird die Gleichspannung über dem Kondensator gemessen, im Fall b) wirkt das Meßinstrument integrierend (als Folge der mechanischen Trägheit) und zeigt so die halbe Spitzengleichspannung an (U S = U SS /2). 8. Erläutern Sie kurz, wozu die Widerstände R1, R2 in Abb. 5 jeweils gut sind. (10 Punkte)

5 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 5 VON 8 Abb. 5 a) R1: Begrenzung des Basisstroms bie High-Pegel. R2: sicheres Sperren bei Low-Pegel. b) R1: Dämpfung von Schwingneigungen. R2: sicheres Sperren bei nicht initialisierter Ansteuerung (z. B. Mikrocontroller). 9. Erläutern Sie kurz den Fachbegriff "Schmitt-Trigger". Wozu ist so etwas gut? Skizzieren Sie eine einfache Transistorschaltung (ohne Dimensionierung). (8 Punkte) Der Schmitt-Trigger ist eine Schwellenwertschaltung. Er soll einen beliebigen Spannungsverlauf in Rechteckimpulse umsetzen. Wenn der Eingangspegel einen ersten Schwellenwert übersteigt, wird der Ausgang aktiv, wenn es unter einen zweiten Schwellenwert fällt, wird er inaktiv. Der erste Schwellenwert ist höher als der zweite (Hysterese). 10. Abb. 6 zeigt einen Ausschnitt aus dem Datenblatt eines Leistungs-FETs (Quelle: IRF). a) Mit welcher Gatespannung ist der Transistor mindestens anzusteuern, um als richtiger Schalter zu wirken? b) Welche Gatespannung darf höchstens anliegen, damit der Transistor wirklich ausgeschaltet ist? c) Welchen Gatestrom muß die ansteuernde Schaltung liefern, damit der Transistor in 3 µs einschaltet? Kennzeichnen Sie bitte (Pfeile, Bezugszeichen), welche Datenblattkennwerte hierfür von Bedeutung sind. (6 Punkte)

6 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 6 VON 8 Abb. 6 a) Wenigstens 10 V (weil von da an minimaler R DSon ). b) Nicht mehr als 3 V (unterhalb der minimalen Schwellenspannung). c) Q = I t. Also ist I = 390 nc : 3 µs = 130 ma. 11. Abb. 7 zeigt zwei RC-Glieder. Sie werden mit Rechteckimpulsen angesteuert. Zeichnen Sie den jeweils zugehörigen Verlauf der Ausgangsspannung in Abb. 8 (Seite 6) ein. (8 Punkte) Abb. 7 Hier folgen echte, gemessene Spannungen. Frequenz = 100 Hz, Zeitkonstante = 1 ms. Die Skizzen sollten wenigstens näherungsweise ähnlich aussehen: a) Tiefpaß oder Integrierglied.

7 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 7 VON 8 b) Hochpaß oder Diefferenzierglied. 12. Abb. 9 veranschaulicht das Prinzip eines einfachen Feuchtemessers (z. B. für Brennholz). Es wird der Widerstand zwischen den Prüfspitzen (P1, P2) gemessen. Entwerfen Sie eine Prinzipschaltung (ohne Dimensionierung), die eine LED leuchten läßt, wenn die Spannung über dem Prüfobjekt höher ist als 2,8 V (dann ist das Brennholz trocken genug). Sie dürfen beliebige Bauelemente einsetzen. Es steht aber nur die Betriebsspannung von 4,5 V zur Verfügung. (10 Punkte) Abb. 9 Den Schaltplan umzeichnen. Eigentlich ist es nur ein einfacher Spannungsteiler. Wir vergleichen den Spannungsabfall über dem Prüfobjekt mit einer Referenzspannung von 2,8 V. Ist der Spannungsabfall größer, so geht der Komparatorausgang auf Low, und die LED leuchtet. Die Eingangspegel des Komparators sind von den Betriebsspannungspegeln weit genug entfent. Spitzfindigkeiten (vor allem die Hysterese) waren nicht verlangt.

8 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 8 VON Abb. 10 zeigt eine Spannungsmeßschaltung (vgl. Praktikum...). a) Welchen grundsätzlichen Vorteil hat diese Prinzipschaltung? b) Welchen Spannungswert wird das Instrument näherungsweise anzeigen, wenn die Meßspannung 6,0 V beträgt? (6 Punkte) Abb. 10 a) Hoher Eingangswiderstand (Meßspannung (V) : Basisstrom (µa)). b) Etwa 5,4 V (Meßspannung Schwellenspannung des Transistors). 14. Es geht um Netzgleichrichter. Skizzieren Sie die Grundschaltungen eines Zweiweggleichrichters und eines Graetzgleichrichters. Welche grundsätzlichen Nachteile haben diese Schaltungen? (Nur kurz aufzählen.) (8 Punkte) a) Zweiweg: Zwei Wicklungen, davon in jeder Halbwelle nur eine ausgenutzt (Trafo groß und teuer). b) Graetz: 4 Dioden erforderlich. Jeweils 2 in Reihe, also Spannungsabfall = 2 Flußspannung. Trafowicklung muß massefrei sein (manchmal ein Nachteil, aber nicht immer).

9 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 9 VON 8 Abb. 4

10 ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE KLAUSUR VOM AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN SEITE 10 VON 8 Abb. 8