Elektrotechnik. Bei Aufgaben, die mit einem * gekennzeichnet sind, können Sie neu ansetzen.

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1 Name: Elektrotechnik Mechatronik Abschlussprüfung Elektronische Bauelemente SS2014 Mechatronik + Elektrotechnik Bachelor Prüfungstermin: Prüfer: Hilfsmittel: (90 Minuten) Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr.-Ing. Frey Taschenrechner Schriftliche Unterlagen Generelle Hinweise: Bei Aufgaben, die mit einem * gekennzeichnet sind, können Sie neu ansetzen. 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! Lösungen ohne erkennbaren Lösungsweg werden nicht gewertet. Viel Erfolg! Musterlösung

2 ELBAU-BAC SS14 Fr, Gr 1. Kondensator und Spule (Σ 25 Pkt.) Das Datenblatt eines Elektrolyt-Kondensators liefert folgende Angaben: nominal value 100 µf self-inductance ESL 100 nh ESR (typical) 20 mω a) (*) Warum hat ein Kondensator eine Resonanzfrequenz und wo liegt diese hier? ESB: Serienschwingkreis => 50,3 b) (*) Zeichnen Sie den Betrag der Impedanzkurve für den Kondensator in das Diagramm ein. Hierfür benötige spezielle Werte geben Sie bitte inklusive der Berechnung mit an. z.b.: 10! " &'( ) * -. Ω10 Ω +, 10 0! " &'( * Ω10 Ω c) (*) Die messtechnische Charakterisierung einer Spule mit 47 µh ergab folgende Werte: ESR = 6,28 mω, Q = 94. Bei welcher Frequenz wurde die Messung durchgeführt? (3 Pkt.) => 9 8 6: ;,0 <= 2 ;,0 :>? Das Datenblatt einer SMD-Spule liefert folgende Angaben: nominal value 100 µh Self-Resonant Frequency 3,18 MHz ESR (typical) 0,50 Ω d) (*) Welche parasitäre Bauelementeeigenschaft der Spule ist in der Tabelle nicht angegeben? Rechnen Sie einen Wert für diese Eigenschaft aus. Parasitäre Parallelkapazität A => B C D) E?,0 FG) E 25,0 HI Seite 2/5

3 ELBAU-BAC SS14 Fr, Gr e) Zeichnen Sie den Betrag der Impedanzkurve für diese SMD-Spule in das Diagramm unten ein. Hierfür benötige spezielle Werte geben Sie bitte inklusive der Berechnung mit an. Erklären Sie auch kurz die Herkunft/Bedeutung des im Diagramm eingezeichneten Ausdrucks: JB K 1 23L K J4) ) 5. z.b.: 10 0! " &'( * Ω10 Ω 10! " &'( ) * +, -. Ω10 Ω JBK1 23LKJ4) ) 5 : Impedanz des Parallelschwingkreises (für Resonanz). (3 Pkt.) Die SMD-Spule wird nun in einer Schaltung verwendet, die den Pegel einer Spannungsquelle von 6 V auf 2 V heruntersetzt. Über der Spule soll der benötigte Spannungsabfall von 4 V realisieren werden. f) (*) Der Spanungsabfall könnte alternativ auch über einem Widerstand erzeugt werden. Welchen Vorteil sehen Sie beim Einsatz der Spule, bzw. welchen Nachteil hätte der Widerstand? Spannungsabfall über Widerstand ist mit Wirkleistung verknüpft. Bei der Spule ist der Spannungsabfall mit einem Abfluss von Energie in ein Magnetfeld verkoppelt. Die mag. Energie kann aber im Gegensatz zum thermischen Energieabfluss wieder zurückgewonnen werden. g) (*) Die Spule wird mit einem Schalter betrieben (Bild rechts). Zum Zeitpunkt t 0, wenn der Schalter geschlossen wird, fließt kein Strom durch die Spule. Berechnen Sie den Spulenstrom zum Zeitpunkt t µs. Hinweis: Hier spielen die parasitären Elemente der Spule keine Rolle. M 4 NO P NQ 4 S 4 O 100 Q U OQ VW?()?( YZ K10 U")4 S?(? [\\ ]^ Durch das Öffnen des Schalters wird der Stromanstieg in der Spule begrenzt. h) (*) Die Schaltung oben ist für den sich öffnenden Schalter problematisch. Erklären Sie das Problem (Stichwörter) und vervollständigen Sie zur Lösung das Schaltbild mit einem geeigneten Bauelement. Stromkreis ist nicht geschlossen, Überspannung an der Spule i) (*) Begründen Sie kurz, warum die Begrenzung des Stromanstiegs für die Energieeffizienz wichtig ist. Vollständige Speicherung der Energie erfordert Betrieb der Spule im linearen Bereich der H(I)-B-Kurve Seite 3/5

4 ELBAU-BAC SS14 Fr, Gr 2. Fotodiode (Σ 22 Pkt.) Die Kennlinie einer pn-diode unter Einwirkung der Bestrahlungsstärke 2 _ wurde wie im Bild rechts gezeigt vermessen. Das Bauelement soll als Fotodiode verwendet werden. a) (*) Markieren Sie den Bereich der Kennlinie der für diesen Zweck nicht geeignet ist. Zeichnung: b) (*) Zeichnen Sie im Diagramm den relevanten Teil der Kennlinie ein, der sich für die doppelte Bestrahlungsstärke 2 2 _ ergibt. Zeichnung: Hinweis: Es gilt ein linearer Zusammenhang zwischen dem Fotostrom Y` und der Bestrahlungsstärke 2 _. c) (*) Zum Betrieb der Fotodiode stehen eine Spannungsquelle und ein Widerstand zur Verfügung. Ergänzen Sie die Fotodiode in der Schaltung (Orientierung beachten). Symbol + Orientierung d) (*) Wie groß darf L maximal sein, wenn Sie Bestrahlungsstärken bis a\ 2 _ messen wollen? 10 2 _ Y`,<bc d100 Ue f g 8 P 5: _ 8 P hd100 Ue L i40 Ω (3 Pkt.) e) (*) Zeichnen Sie in das Kennlinienfeld oben die Arbeitsgrade für das Ergebnis aus d) ein. Geben Sie die Berechnungen mit an, die Sie für ein sinnvolles Einzeichnen benötigen. Hinweis: Falls Sie d) nicht bearbeitet haben verwenden Sie hier L 80 Ω. Arbeitsgrade: Y kl d f mn O mn ) 8 P KY`,<bc z.b.: d25 Ue d f mn alternativ: d25 Ue d f mn Zeichnung (s.o.): 5o?k) : p= 5o?k) 0 p= d100 Ue M kl d25 Ue)d3 S d50 Ue M kl d25 Ue)d2 S f) (*) L wird nun so gewählt, dass sich bei der Bestrahlungsstärke 2 _ ein Spannungsabfall über der Diode von -3,0 V einstellt. Welcher Spannungsabfall ergibt sich dann bei einem Fotodiodenstrom von -20 µa? Hinweis: Lösen Sie diese Aufgabe graphisch im Diagramm oben. -2 V Zeichnung (s.o.): Seite 4/5

5 ELBAU-BAC SS14 Fr, Gr Zur Bearbeitung der folgenden Teilaufgaben benötigen Sie ggf. folgende Konstanten: q r 1,5 10 st 5 u=1, B =1, w x y =8,85 HI t y r =11,9 und Herstellerangaben zur pn-diode: abrupter pn-übergang mit: z k = st 5, z` = st 5 quadratische Diodenfläche mit Kantenlänge 200 Ut Es soll das Verhalten der Diode untersucht werden, wenn sich die Bestrahlungsstärke schlagartig verdoppelt (Stufenfunktion). Dazu werden die dazugehörigen Arbeitspunkte (AP) betrachtet: bei 2 _ : AP1 = (-3,0 V; -10 µa ) und bei 2 2 _ : AP2 = (-2,0 V; -20 µa ). g) (*) Die Diodenkapazität ändert sich beim Übergang von AP1 nach AP2. Erklären Sie die Ursache dafür und geben Sie an in welchem Arbeitspunkt die Kapazität größer ist. Diode in Sperrrichtung: => Sperrschichtkapazität dominiert, s k{ >s k{ Die Kapazitätsänderung soll nun berechnet werden, wobei die Kapazität in AP1 bereits messtechnisch bestimmt wurde: s k{ =41,4 HI. h) (*) Zur Berechnung der Kapazität in AP2 bestimmen Sie als erstes die Diffusionsspannung der Fotodiode. Hinweis: }=300 x. M NrDD =M ~ q m ƒ E =0,0259 S q ˆ,o V =0,932 S i) (*) Wie groß ist nun die Kapazitätsänderung bei Verdopplung der Bestrahlungsstärke? Hinweis: Falls Sie h) nicht bearbeitet haben verwenden Sie hier M NrDD =0.8 S! 8 5k{ =Œ ' ŽM`rDD M k{ m + =Œ,6 0,0o C <,; -,0:W)_ ˆ < -, =8, t k s k{ =y r =11,9 8,85 C Ž - < N P -m E < E 0,>6 -ˆ < =47,9 HI s k{ =s k{ s k{ =41,4 HI 47,9 HI= 6,5 HI (3 Pkt.) j) Schätzen Sie die Zeitdauer für den Übergang von AP1 nach AP2 ab. Hinweis: Benutzen Sie L =100 Ω. Z k{ k{ 3 =3 L m W m E =3 100 :,:W:>,6)C =13,4 U" Seite 5/5

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